直线电机在数控机床中的应用及其发展趋势

一、引言
　　数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求，更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。问题的症结在传统的传动链从作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节，在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于是出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示其巨大的优越性。直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机床性能有了新的飞跃。
二、直线电机进给驱动的主要优点
　　进给速度范围宽。可从1（1）m/s到20m/min以上，目前加工中心的快进速度已达208m/min，而传统机床快进速度<60m/min，一般为20～30m/min。
　　速度特性好。速度偏差可达（1）0.01%以下。
　　加速度大。直线电机最大加速度可达30g，目前加工中心的进给加速度已达3.24g，激光加工机的进给加速度已达5g，而传统机床进给加速度在1g以下，一般为0.3g。
　　定位精度高。采用光栅闭环控制，定位精度可达0.1～0.01（1）m。应用前馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。由于运动部件的动态特性好，响应灵敏，加上插补控制的精细化，可实现纳米级控制。
行程不受限制。传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制，一般4～6m，更长的行程需要接长丝杠，无论从制造工艺还是在性能上都不理想。而采用直线电机驱动，定子可无限加长，且制造工艺简单，已有大型高速加工中心X轴长达40m以上。
　　结构简单、运动平稳、噪声小，运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠。
三、直线电机及其驱动控制技术的进展
　　直线电机与普通电机在原理上类似，它只是电机圆柱面的展开，其种类与传统电机相同，例如：直流直线电机，交流永磁同步直线电机，交流感应异步直线电机，步进直线电机等。
　　作为可控制运动精度的直线伺服电机在上世纪80年代末出现后，随着材料（如永磁材料）、功率器件、控制技术及传感技术的发展，直线伺服电机的性能不断提高，成本日益下降，为其广泛的应用创造了条件。
近年来，直线电机及其驱动控制技术的进展表现在以下方面：（1）性能不断提高（如推力、速度、加速度、分辨率等）；（2）体积减小，温升降低；（3）品种复盖面广，可满足不同类型机床的要求；（4）成本大幅度下降；（5）安装和防护简便；（6）可靠性好；（7）包括数控系统在内的配套技术日趋完善；（8）商品化程度高。
　　目前世界上直线伺服电机及其驱动系统的知名供应商主要有：德国Siemens公司，Indramat公司；日本FANUC，三菱公司；美国Anorad，科尔摩根公司；瑞士ETEL公司等。
具有代表性的直线电机产品的技术指标：
　　FANUC L17000C3/2is；最大推力17000N；连续推力3400N（自然冷）/4080N（气冷）/6800（水冷）；最大速度240m/min（4m/s）；最大加速度30g；分辨率0.01（1）m。
　　Siemens 1FN3：最大推力20700N；连续推力8100N（水冷）；最大速度253m/min。
　　在控制系统方面，Siemens、FANUC等系统供应商都可提供与直线电机控制相对应的控制软件和接口。由于欧洲机床上应用直线电机较多，因此采用Siemens系统（如8l0D，840D）最多。
　　中国科学院电工所、浙江大学、沈阳工业大学等对直线电机开展了多年研究，江苏、哈尔滨、广东等一些公司已有小功率直线电机产品。
清华大学在“十五”攻关项目中研制成功交流永磁同步直线电机及其伺服系统，其最大运动速度60m/min，最大加速度5g，最大推力5000N，目前已与江苏瑞安特公司开始合作生产。
四、直线电机进给驱动在机床上的应用情况
表1 直线电机驱动的国产机床部分典型产品 机床类型 型号 厂商 主要特点
电火花成形机床 GV754L 北京机床研究所 快进速度24m/min
加速度1.5g
立式加工中心 VS1250 北京机电院高技术
股份公司 X/Y轴直线电机，
快进80/120m/min
加速度0.8/1.5g
立式加工中心 XH716/5X-SM 江苏多棱数控机床有限责任公司 X轴直线电机
车铣中心 沈阳机床集团 X轴直线电机，
快进60m/min
活塞车床 G-CNCP200 清华大学 X轴直线电机
凸轮磨床 北京航空航天大学 头架驱动用直线电机，
精度提高，无振纹
　　自1993年德国Ex-Cell-O公司研发出世界上第一台直线电机驱动工作台的加工中心以来，直线电机已在不同种类的机床上得到应用。2001年、2003年欧洲机床展，2002年、2004年日本机床展及美国机床展上每次都有几十家公司的展品采用直线电机驱动系统。以2002年日本机床展JIMTOF为例，在参展的524台数控机床中，有25家公司41台机床采用直线电机进给驱动[3>，其中，加工中心11台（立式8台，卧式3台），电加工机床7台（线切割4台，成形机2台，小孔机1台），磨床6台（一般磨床4台，齿轮磨床1台，坐标磨床1台），非球面加工机和微型微细加工机5台，车床4台，专用机床3台，激光加工机2台，车磨复合机床1台，铣削加工单元（FMC）l台。
　　目前，世界上最知名的机床厂家几乎无一例外地都推出了直线电机驱动的机床产品，品种覆盖了绝大多数机床类型。此外，在压力机、坐标测量机、水切割机、等离子切割机、快速原型机及半导体设备的X-Y工作台上直线电机都有应用。
　　此外，浙江大学直线电机与现代驱动研究所开发了直线电机驱动的压力机、锯床、雕刻机、线切割机床。
　　北京机电院高技术股份有限公司承担的“十五”攻关项目《直线电机驱动的高速立式加工中心》，于2003年研制成功国内第一台直线电机驱动的加工中心，并在2003年北京国际机床展览会展出。该机床X/Y轴采用直线电机驱动，行程分别为1250/630mm，最大快移速度80/120m/min，最大加速度O.8/1.5g。机床在设计中对减轻运动部件质量、加强机床刚性、解决高速高加速运动下的抗冲击性、直线电机的防护，以及控制系统、伺服系统与直线电机的匹配和优化调试等方面做了有益的探索并取得了成功。为解决处于工作台下方的Y轴直线电机的防护问题，设计了密封的直线驱动轴部件，并获得了国家专利。经测定，该机床精度达到精密级加工中心标准，并有充分裕量。一年多来该机床工作稳定可靠。课题组还对直线电机初级线圈与次级磁铁（定子）的温升进行了试验。以X轴为例：X轴运动部件质量>1000kg，加速度设定为O.8g，快移速度设定为70m/min，连续往复运动1小时以上。试验结果：10分钟后初级线圈（水冷）温升趋于平衡，工作温度稳定在69℃左右，远远低于允许工作温度（12℃）。电机次级磁铁温升约2℃。可见直线电机初级线圈与次级磁铁（定子）的温升对机床的热影响有限，可通过补偿消除。
五、发展趋势
技术日益成熟
　　直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，已具有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去人们所担心的直线电机推力小、体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安装、难防护等问题，随着电机制造技术的改进，已不再是大问题。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全性提供了保证。选择合适的直线电机及驱动控制系统，配以合理的机床设计，完全可以生产出高性能、高可靠性的机床。现在直线电机驱动进给速度100m/min，加速度1～2g的机床已很普遍，已有机床达到快进240m/min，加速度5g的指标（日本AMADA激光切割机）。日本Mazak公司宣称，该公司将在近期推出快移速度500m/min，加速度6g，主轴速度80000r/min切削速度8马赫的超音速加工中心。高速度高加速度的传动已在加工中心、数控铣床、车床、磨床、复合加工机床、激光加工机床及重型机床上得到广泛应用，这类机床在航空、汽车、模具、能源、通用机械等领域发挥着特殊的作用。在电加工机床上采用直线电机驱动可实现0.1（1）m的精密平稳移动。在微细加工及精密磨削中，可实现10um进给分辨率及20m/min的快移速度，加工表面粗糙度<1nm。在重型机床上采用直线电机驱数吨重的运动部件已不成问题。同步双驱动控制技术已成熟应用。这些都说明直线电机及其驱动控制技术在机床上的应用已经成熟，并在不断向前发展，会给人们带来更多的惊喜。此外，在国际上已有不同类型、不同规格的直线电机商品可提供，配套的驱动控制系统、检测装置及高速导轨、高速防护也都有相应产品供货。
成本不断下降，性能价格比更好
　　近年来，直线电机系统成本不断下降，在机床成本中的比重明显下降。DMG公司的DMC64V linear加工中心 （X轴采用直线电机驱动），国内报价仅61.4万元人民币。但目前采用直线电机驱动仍比传统的传动装置价格要高。因此，直线电机的应用应着眼于高性能机床，特别是精密高速加工机床、特种加工机床、大型机床，解决传统传动方法不能解决的问题。另外，提高加工精度和加工效率也会提升机床的价值。例如，美国Gincin－nati公司的HYPCR MACH高速加工中心，X轴长达46m，采用直线电机驱动后，加工大型薄壁飞机零件，用传统方法加工一件要8小时，而用该机床只需30分钟。DMG公司介绍其采用直线电机驱动的DMC、CTX、GMC、GMX系列产品生产效率可提高20%。据意大利JOBS公司介绍，该公司生产的LinX系列产品保证了龙门加工中心在长距离移动上的超高性能[4>，最大程度减少轴转换操作的无效时间，其德国用户采用LinX龙门加工中心（三轴均为直线电机驱动）加工模具，由于无效时间大为缩短等因素，加工效率比未采用直线电机的同类机床效率提高40%，而且由于传动部件无磨损，使用更可靠，运行费用更低。JOBS在生产LinX产品时采用直线电机的成本只增加百分之几，但由于性能提高，售价可增加15%～20%，机床利润率明显增加。
产业化趋势明显
　　直线电机在机床上的应用已不是样品，不是个例。近几年已在几十家著名企业的几十类产品上推广应用。据有关资料介绍，1997年直线电机驱动的机床销售量已达300台。2001年，德国DMG公司已在28种机型上采用直线电机，年产量达1500台（约3000多根直线电机驱动轴），占其总产量的1/3。意大利JOBS公司自1999年开发出LinX直线电机驱动的龙门加工中心后，2003年该公司LinX系列产品已占全公司总产量的60%（年产50台大型龙门加工中心和龙门铣床），并成为公司的主要利润来源。有专家预测，2005年直线电机驱动的机床将达到3000台，到2010年世界上将有20％的数控机床采用直线电机进给驱动，而这些机床都是高档机床，因此其产业化前景是不言而喻的。
六、建议
　　我国在直线电机及驱动控制技术的研发、应用与世界水平相差甚远，至少有十年的差距。无论产品的性能、品种，还是在机床上的应用仅处于起步阶段，甚至大量是空白。如果我们不能抓住当前宏观经济形势大好，市场需求旺盛的机遇，在“十一五”期间加大投入，在直线电机及其驱动控制技术的开发与应用上奋起直追，我国的高档数控机床会更加落后，这将不利于我国的国家安全和产业安全。为此，建议在“十一五”规划中对直线电机及其驱动控制技术的开发与应用予以充分考虑。
在机床基础技术和关键技术研究中，研究直接传动技术应用
1）直线电机驱动的直线运动部件和力矩电机驱动的旋转部件的设计研究；2）高速、高加速度运动下机床刚性及抗冲击结构设计；3）吸振、抗振、隔热材料的应用（如聚合物混凝土）；4）轻型材料（如碳素纤维）在运动部件中的应用；5）直线电机的安装工艺及防护；6）控制系统、直线电机驱动系统与机械部件的匹配及合理配置，运动部件的加速度、速度调整及运动特性的优化。
开发应用直线电机驱动的高档数控机床
　　在基础技术和关键技术研究基础上，开发应用直线电机驱动控制的高档数控机床及工艺装备，以满足高速精密复合加工的需求。鼓励机床企业将这类机床做为自己的工作母机，在实际应用中不断改进设计，探索加工工艺，向用户提供展示和服务，并推向市场，逐步实现产业化。
　　以上工作为少走弯路，可完全选购国际上先进、成熟的直线电机功能部件及其控制系统，以使整机尽快达到国际同类产品水平。
开发直线电机产品及相关技术
　　在数控技术及关键功能部件中，开发直线电机产品（包括相应的驱动系统）。数控技术中应开发与直线电机驱动控制相匹配的软件技术，例如高速及高加速条件下的伺服控制及其调整，高速、高精度的插补技术，复杂加工程序的前瞻控制能力，机床动态特性参数优化模型，故障诊断与保证功能等。同时，相应开发与高速高加速运动相配套的高速导轨、高速防护、高速位置检测装置等。
七、结束语
　　2006年即将开始“十一五”规划，从企业到行业，从地方到中央都在制定新的规划。就机床的发展而言，直线电机无论作为功能部件还是其相关技术在机床中的应用，都应该得到足够重视。企业和研究部门应根据自己的客观条件选择相关课题开展研究，从战略高度考虑发展直线电机及其驱动控制的机床产品，并逐步形成产业，占领高档数控机床的重要制高点。建议行业和政府相关规划中予以大力支持。