分析直線電機在數控機床中的應用

摘要：本文主要通過研究直線電機及其驅動控制技術如何在機床中得以應用及其未來的發展方向，得出了中國機床行業應加快研發直線電機技術的開發與應用。

關鍵詞：數控機床 傳動結構 直線電機

直線電動機是近些年來國內外積極研究的新型電機之一。它是一種不需要中間轉換裝置，而能直接作直線運動的電動機械。如今，直線電機驅動技術不斷的更新，已達到成熟的階段，被廣泛應用于高檔數控機床，這是因為技術具有精度高、無磨損、噪音低、效率高、響應速度快、節省空間的優點，而且使機器布置更加緊湊，結構多變，易于實現高剛性，提高了機床的整體性能而倍受人們關注。隨著高速加工技術的快速發展，要求越來越高的驅動和控制系統，促使直線電機驅動技術的研究力度在逐步加快。因此，本研究不僅是符合直線驅動技術向更高、更快的發展趨勢，又能滿足市場廣大的需求，帶來更大的經濟效益。直線驅動機床是未來發展的必然趨勢，所以我們應加緊步伐追趕。

1.直線電機在數控機床上應用的現狀

為了提高生產率和提高產品的質量，高速和超高速加工技術已成為機床發展的一大趨勢，直線電機具有反應靈敏，速度快，重量輕，傳動系統速度可提高到40～ 50m/min以上的優勢。傳統的“旋轉電機+滾珠絲杠”傳輸方式可達30m/min最高速度，加速度僅為3m/s2。直線電機驅動的工作臺，它的速度比傳統的傳輸模式快30倍，加速比是傳統的傳輸模式的10倍，最大為10g；剛性升高了7倍；無反向工作死區是直線電機的最大特點；因其電機慣量小，所以由它構成的直線伺服系統可以達到更高的頻率響應。

1993年，一臺型號 HSC 240的加工中心是世界上第一臺由直線電機驅動工作臺的高速加工中心，由德國Z公司研發而成，其主軸轉速已達到24000r/min，60m/min的進給速度更是讓人驚訝，加速度則是達到的1g，當進給速度保持在20m/min時，輪廓精度可保持為0.004mm。其后，日本也成功制造出包括超高速小型加工中心、超精密鏡面加工機床等[1]。

在中國，以清華大學、浙江大學、中國科學院等為代表的多家院校及研究所也一直致力于研發更快更好的直線驅動技術，通過校企聯合等模式應用實踐中，為此項技術在我國的應用與發展做出了不可磨滅的貢獻，并取得了很大的進展。但我們也必須正視自己存在缺陷，與國際先進水平相比，當前中國的經濟型機床行仍然是太多，產品技術含量不高，具有較高技術含量的高檔數控機床較少，技術水平與世界先進國家還有很大的差距。因此，我們需要增加對機床基礎技術和關鍵技術的研究工作，以趕上國際先進水平，制作出適合中國國情的高檔直線電機及其控制系統和其他附屬產品，以滿足高端數控機床產品的需求，提高自身的綜合競爭力。

2.應用難點的分析

2.1.如何防磁抗干擾

由于直線電機的磁場是敞開式的，金屬粉塵、切屑粉末等各種磁性材料很容易被電機磁場吸入而干擾其正常工作，甚至損壞電機，所以要對其進行隔磁處理。此外，還需要考慮機床冷卻液，潤滑油，電纜的保護，信號線屏蔽，負載擾動和系統控制。由于直線電機驅動系統省去了中間傳動環節，所以電機直接承受著各種干擾力，同時，該直線電機的端部效應也為系統的控制增加了一定的難度，因此控制器必須有較強的抗干擾能力和良好的穩定性[2]。

2.2.發熱問題

在工作狀態下的直線電動機，由于線圈的功率損耗，將產生很多的熱量，如果空間的驅動部分很小，將使電機動子溫度急劇升高，而動子通常在機床導軌附近，過多的熱量會導致導軌溫度變化大，導致軌道變形，從而影響機床的工作精度。因此，我們必須采取有效措施來冷卻，將溫度控制在可接受的范圍內，保證電機的正常使用。

2.3.減少磁力

目前，直線電機的定子大多數是稀土永磁體，而稀土永磁體對鐵磁性材料的吸力及其強大，且對鐵磁性材料有極高的磁化能力。實驗結果證明，直線電機的永磁定子法向磁力為電機可以提供連續的推力的10倍，并且定子的磁力與電機動子是否通電無關。磁吸力存在于定子與動子之間及定子與安裝件之間。平行的導軌是單馬達裝置經常使用的方式，此方法使磁吸力大部分集中在導軌上，產生更大的變形，影響數控機床的加工精度，又導致了導軌和滑塊之間的壓力，增大了滑動摩擦力，會影響推力的不穩定，影響機床動態性能。因此，合理降低電機的磁場力將是一個突出的問題。

3.優化直線電機在數控機床中的應用

3.1.冷卻方式優化

常用水冷卻措施，將液體注入直線電機動子內，液體經過動子線圈繞組旁的冷卻水套迂回流出，將動子產生大量的熱帶走，達到冷卻。在實際應用中，具體冷卻參數的確定將視電機參數及其要求來確定。

3.2.加強隔磁與防護

避免直線電機的磁效應強帶來不利影響，必須采取隔離磁處理。把防護罩安裝在定子表面，或由直線電機磁場的折疊密封保護套完全封閉起來；也可以在驅動部分安裝在內部噴氣裝置，從內到外噴射空氣，從而達到灰塵、切屑粉末不被吸入的效果。此外，其它部件所需信號電纜及動力電纜等雖然具有屏蔽膜，仍要遠離直線電機磁場區域，避免磁場給控制系統帶來干擾。為了使控制系統保持穩定性，其設計必須使用閉環控制。

3.3.保證定子和動子的間距

定子動子的間距小，并且表面要求平行，當行程較遠時，在加工中很難保證。因此，可在動子與移動部件間加裝 10～20mm 厚墊片，不僅可以降低磁吸連接部件的動力，同時調整方便，采用配磨法進行調整，保證定子與動子間的平行及間隙。

4.小結

從機床的未來的發展方向，直線電機無論作為功能部件還是其相關技術在機床中的應用，都應重視起來。相關領域的研究應是企業或相關部門根據實際情況而定，從全局角度考慮發展直線電機及其驅動控制的機床產品，并逐步形成產業，占領高檔數控機床的重要制高點。

參考文獻：

[1]郭瑤瑤.機床進給系統采用永磁直線電機法向吸力的研究[J].中國機械工程，2007（10）：1174-1177.

[2]毛麗青.我國數控機床功能發展初探[J].機械工程師，2011（7）：20-21.

[3]朱非墨.直線電機在高速加工機床上的應用與展望[J].微電機，2013（5）：47-48.