基于直線電機應用的數控機床驅動控制技術探討

薛建設

（西安鐵路職業技術學院,710014）

隨著科學技術的發展，直線電機經過了探索實驗、開發使用以及使用商品化三個階段，逐漸向高速化、智能化、精密化方向發展。生產技術的進步使得傳統的小功率已經不能滿足生產加工要求，逐漸向精密、高速、小噪音、低磨損等方向發展。電機及驅動控制技術的發展，直線電機、電主軸、力矩電機不斷成熟，主線、旋轉坐標運動的“直接運動”逐漸優越?；谥本€電機應用的數控機床驅動控制技術，讓機床的轉動結構出現了很大的變化，機床性能得到了很大的改善。

1 直線電機

1.1 直線電機特點

1.1.1 進給范圍大。傳統機床的快進速度一般都小于20到30米每分鐘，加工中心快進速度可以達到208m/min，現在的直線電機速度可以達到1mm-20m/min以上。

1.1.2 速度特性良好。加速度大，速度偏差一般在0.01%之下，最大加速度可以達到30g，相比轉度加速度一般在0.3g左右，當下激光加速度已經在5g以上。

1.1.3 定位精度良好。時下直線電機主要采用光柵閉環進行控制，定位精度一般在0.1到0.01mm或者以上，減少了200倍左右的跟蹤誤差。它具有動態特性良好，反映靈敏，精細的插補控制，從而實現了nm級控制。

1.1.4 行程運行良好，不受限制。傳統絲杠一般采用4到6m或者更長的長絲杠，從性能和制造工藝上都不同程度的受到了限制。直線電機驅動具有制造工藝簡單，可以無限加長定子，并且工藝簡單，大型高速X軸可以長達40m以上。同時，它還具有結構簡單、噪聲小、運動平穩、部件摩擦小、損耗低、安全可靠等特點。

1.2 直線電機工作原理

直線電機是一種直接將電能轉換為運動機能，不需要中間轉換的轉動裝置，它相當于一臺徑向剖開的旋轉電機（如圖一）。根據定子轉變成初級，再由轉子轉換成次級。在實際機器運用中，次級和初級應該造成不同的長度，讓次級和初級的耦合始終保持不變。在實際直線電機生產中，直線電機可以隨意是初級長次級和次級長次數，根據運行費用以及制造成本，目前我國基本采用的是短初級長次數。

圖一、直線電機轉變過程

直線電機工作原理和旋轉電動機相像。例如：以直線感應電動機為例，當初級繞組進入相應的交流電源時，氣息中就會產生磁場，在磁場的切割下，就感應產生的電流和氣隙中的磁場互相作用產生相應的電磁推力。初級固定，次級則做直線運動；同理，相反時，初級做相應的直線運動。

1.3 直線電機應用和基本結構

1.3.1 直線電機應用

隨著直線電機的發展，直線電機主要用于：自動控制系統、長期運行的驅動電機以及短時間短距離的直線運動裝置。在軍事中，直線電機可以作為各種電磁炮或者火箭、導彈發射的材料；在交通運輸中，直線電機一般被作為時速500km以上的磁懸浮列車；工業中，可以作為生產運輸以及各種機械設備；在精密儀器制作以及民用裝置中，由于良好的性能和操作界面，讓它具有廣泛的應用領域。

1.3.2 直線電機基本結構

現階段，建筑行業在市場經濟體制下已經取得了較為顯著的成就。然而，在諸多因素的影響下，部分地區政府投資項目工程造價結算設計工作仍存在一些不足之處。針對此現象，本文在研究中通過對工程造價結算工作中問題的分析，從規范結算審計、提高監督水平、加強對結算審計人員的綜合培養、規范項目立項報批程序和審核流程等方面，重點研究解決工程造價結算設計工作問題的措施。在日后政府投資項目工程造價結算工作中，工作人員要始終從國家法定和規范程序，以嚴格的態度對待政府投資項目工程造價結算審計問題。希望本文的研究可以為提升政府投資項目工程造價結算水平提供寶貴的建議。

扁平型結構（如圖二），它是旋轉電機在實際生產結構上的演變，將旋轉電機進行徑向剖開，從而在電機四周形成直線。

圓筒型結構以及弧型、盤型結構。圓筒型結構主要是將扁平的直線電機通過直線運動和垂直方向卷曲形成。弧型是在扁平型直線電機的初級，根據運動方向，從而轉換成弧型，一般在圓形次級的外側。盤型結構則是將具體次級轉換成圓盤，將初級以及次級圓盤外側平面，從而進行圓周運動。

圖二、扁平型結構

2 直線電機的驅動控制技術以及應用

2.1 直線電機的驅動控制技術

隨著科研力度的加大，直線電機應用系統突破了單一性能量好的直線電機，逐漸發展成了技術和經濟都安全可靠的控制系統。新形勢下，隨著自動控制系統以及計算機網絡信息時代的發展，直線電機控制逐漸向信息化、智能化方向發展。現在我國直線電機控制技術主要體現在：傳統的控制技術、現代控制技術以及智能控制技術。

2.1.1 傳統控制技術

傳統控制技術中的解耦控制、PID反饋等在交流伺服系統都得到了廣泛的應用。PID控制能良好的控制機器運行的全過程（過去、現在、未來）信息，具有極好的魯棒性和配置，是伺服電機驅動系統基本的控制形式。隨著生產要求的加大，進一步提高控制技術，逐漸采用矢量和解耦控制技術。

2.1.2 現代控制技術

現代控制技術是在運行環境、操作條件、對象模型等確定不變的情況下，在傳統控制技術進行的參數和結構變化，適應微進給高精度性能場合。從而，當環境受到干擾，各種非線性受到影響時，得到相應的控制處理。因此，現代控制技術逐漸發展和重視，通常用的控制方法有：滑模變結構控制、自適應控制以及智能控制和魯棒控制等。

2.1.3 智能控制技術

2.2 直線電機驅動控制技術應用

2.2.1 活塞車削數控系統

在直線電機控制系統中，我國一般采用的是原旋轉電機轉動和直線電機直接驅動相結合的方式，從而減少拖板間轉動環節，將機床進給轉動鏈長度轉變為零，從而形成性能指標良好的“零轉動”轉動方式。

“零轉動”具有高速響應和精度高的特點。在直線電機驅動控制系統中，它直接取消了相應時間長的機械轉動件，提高了閉環控制系統的響應性能和靈敏度。精度高主要體現在取消機械機構產生的誤差和間隙時，減少了因為轉動系統緩慢帶來的跟蹤誤差，通過相應的直線位置檢測以及反饋控制，從而增強機床的定位精度。

磨削加工和CNC車削運用了直線電機精度高、響應快的優勢，針對產另極大的截面零件，國防科學技術大學研究中心開發了相應的高頻數控進給單元。當活塞機床運作時，相應工作臺尺寸為320mm*600mm時，相應的行程變化為100mm，推力達到160N，速度達到13g。根據工作臺和直線電機固定的特點，采用相應的閉環控制（如圖三所示）。根據雙閉環系統，運用高精度的管柵尺作為檢測元件，對位置進行仔細檢查，從系統機械誤差以及反饋獲得相應精度。

圖三、直線電機控制器原理框圖

2.2.2 開放式直線電機數控系統

圖四、開放式直線電機數控系統原理圖

開放式直線電機控制系統主要采用開放式的可編程運動控制器和PC機組成數控系統，以常用的Windows操作系統為平臺，根據PC機標準插件的運動控制系統，為相應的控制核心，讓數控系統開放，根據相關設計方案如圖四所示。

根據PCI-8132型控制卡插入PC機擴展槽的方案，將運動控制卡、數控工作臺、直線電機、伺服驅動器、PS機等有機的連接起來。電線電機驅動直接控制數控工作臺，運動控制器控制機床邏輯和伺服控制，讓運動控制器以運動的形式執行G代碼、用戶擴展以及編程。

同時，PCI-8132是PCI接口的軸運動控制卡，通過伺服電機以及高頻脈沖驅動步進電機控制兩個軸的電機運動，從而實現插補圓弧和直線，對數控加工位置及時進行反饋。新形勢下，我國工業控制技術ICA總線逐漸替代了PCI總線，它具有Plug and Play（即插即用）以及中斷共享等作用，給廣大用戶帶來了更大的方便和快捷，是目前PC機通用的總線。

3 直線電機數控軟件以及發展趨勢

3.1 直線電機數控系統軟件

根據現有的Windows平臺開發、模塊化的程序設計，以及相應的預處理、輸入輸出組成，用戶的輸出輸入界面實現了系統輸出、用戶輸入的轉換。通過用戶輸入對應的數控代碼，發出指令，從而進行有效的參數配置，生成G代碼指令。預處理讀取之后，通過相應的編譯生成完整的PCI-8132控制程序，實現圓弧和直線的插補，在現有系統中，一般采用PARKER406LXR系列直線電機。

3.2 我國直線電機數控系統軟件發展趨勢

3.2.1 技術逐漸成熟

隨著生產技術要求，我國直線電機逐漸向高性能、高可靠性機床設計轉變。目前，我國直線電機驅動進給速度一般在100米每分鐘，加速度普遍能達到1-2g。在航空、模具、能源、汽車等方面得到了廣泛的應用。

3.2.2 性價比更好，變化更明顯

隨著直線電機應用高性能化，特大機床精密度提高，出現很多特型機床、大型機床，解決傳統機床不能解決的問題。從而提高了直線電機數控機床的利用價值。到2005年，我國直線電機驅動機床已經達到3000多臺，到2010年世界上已經有超過20%的數控機床運用直線電機驅動，從根本上提高了高檔機床的推行力度和使用效率。

4 結束語

根據我國直線電機數控機床系統不斷成熟和完善，我們在使用過程中應該根據不同種類的數控機床將對應特點充分的發揮出來，注重科研和創新，在引進國外先進技術的同時，提高我國直線數控技術探討。將控制和驅動有機的連接起來，從而拓展生產，保障生產安全。

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