摘要：為滿(mǎn)足超高速加工的要求，近年來(lái)出現(xiàn)了一種新型的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)給方式。文章結(jié)合我校自行研制的GD-3型高速直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元，介紹了在設(shè)計(jì)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元時(shí)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的計(jì)算和進(jìn)給單元結(jié)構(gòu)布局的選擇，并研究了直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的防磁和散熱問(wèn)題、工作臺(tái)和導(dǎo)軌等部件的設(shè)計(jì)以及直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等有關(guān)問(wèn)題。研究表明，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)在高速數(shù)控機(jī)床上具有良好的應(yīng)用前景。

高速加工是一項(xiàng)新興的先進(jìn)制造技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)高速加工，除了要有高速主軸，還必須同時(shí)大大提高進(jìn)給系統(tǒng)的速度和加速度，才能使加工得以正常進(jìn)行。傳統(tǒng)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)采用的是“旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠”的傳動(dòng)方式。目前普通絲杠的最大進(jìn)給速度為40m/min，最大直線(xiàn)加速度為0.5g。而一些高精密滾珠絲杠的最大速度已達(dá)60m/min，最大加速度達(dá)1.0g。但這種傳動(dòng)方式存在傳動(dòng)誤差、摩擦磨損、慣量大、彈性變形引起爬行、反向死區(qū)等問(wèn)題，在運(yùn)動(dòng)速度要求較高的場(chǎng)合，要達(dá)到更高的性能已非常困難。近年來(lái)，隨著加工效率和質(zhì)量要求的提高以及直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了一種新型的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)給方式。它取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，被稱(chēng)作為“零傳動(dòng)”。同滾珠絲杠傳動(dòng)方式相比較，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式具有進(jìn)給速度高、加速度大、啟動(dòng)推力大、剛度和定位精度高、行程長(zhǎng)度不受限制等優(yōu)點(diǎn)。自1993年德國(guó)Ex-Cell-O公司第一次將直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)用于加工中心以來(lái)，這種新型的高速進(jìn)給單元已引起世界各國(guó)的普遍關(guān)注。美、德、日、英等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了深入的研究與開(kāi)發(fā)，采用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速加工中心已成為21世紀(jì)機(jī)床的發(fā)展方向之一。我國(guó)對(duì)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的研究已經(jīng)起步，但同國(guó)外的差距還很大。本文結(jié)合我校自行研制的GD-3型直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元，介紹了如何確定直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元的設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式，并重點(diǎn)討論了影響直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給系統(tǒng)性能的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1 直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元的設(shè)計(jì)

直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元主要由直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)、工作臺(tái)、滾動(dòng)導(dǎo)軌、反饋測(cè)量系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)等五部分組成。圖1為我校超高速加工與機(jī)床研究室研制的GD-3型感應(yīng)式交流直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速數(shù)控進(jìn)給單元的橫截面圖。進(jìn)給單元應(yīng)按要求的額定進(jìn)給速度、額定推力和加速度來(lái)設(shè)計(jì)或選用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)，并根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)合確定進(jìn)給單元的結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要考慮直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的防磁、散熱和防護(hù)等問(wèn)題。

1.工作臺(tái) 2.防護(hù)罩 3、12.導(dǎo)軌 4.床身 5、8.輔助導(dǎo)軌 6、14.冷卻板 7.次級(jí) 9.測(cè)量系統(tǒng) 10.光柵尺 11.拖鏈 13.初級(jí)
圖1 GD-3型直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元
1) 直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)的確定

圖2 直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的特性曲線(xiàn)
直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的特性曲線(xiàn)如圖2所示，在設(shè)計(jì)或選用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下三個(gè)要求：

Vmax≥VRmax
Fmax≥FRmax
Fmin≥Feff

式中：Vmax——直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的最大速度，mm/s
VRmax——進(jìn)給系統(tǒng)要求達(dá)到的最大速度，mm/s
Fmax——直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的最大推力，N
FRmax——進(jìn)給系統(tǒng)要求達(dá)到的最大推力，N
Fmin——直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)在所要求的速度范圍內(nèi)的最小推力，N
Feff——進(jìn)給系統(tǒng)所要求的平均有效推力，N

直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的最大速度由下式計(jì)算：

Vmax=2(1-s)τmax

式中：s——滑差率
τ——直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)電極距，mm
fmax——交流電源的最高可調(diào)頻率，Hz

1.工件 2.工件臺(tái) 3.導(dǎo)軌 4.床身 5.滑塊
圖3 直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給單元受力分析
直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)受力模型如圖3所示。工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)受的摩擦力FR可用下式計(jì)算：

FR=(mg+FAtt)μ

式中：m——移動(dòng)部件的總質(zhì)量，kg
g——重力加速度，m/s2
FAtt——直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)初級(jí)與次級(jí)間的垂直吸力，N
μ——工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)

工作臺(tái)加速時(shí)的慣性力FAcc可用下式計(jì)算：

FAcc=ma

式中：a——進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的加速度，m/s2

在一個(gè)加工周期內(nèi)，進(jìn)給系統(tǒng)所要求的平均有效推力Feff可用下式計(jì)算：

Feff=[∑(Fi2ti)]?

∑ti


式中：Fi——在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)系統(tǒng)所要求的推力，N
ti——時(shí)間間隔，s

一般可按照典型工作情況下的時(shí)間速度曲線(xiàn)來(lái)計(jì)算每個(gè)時(shí)間段電動(dòng)機(jī)要求的最大進(jìn)給力FRmax，并由此算出一個(gè)加工周期的平均有效進(jìn)給推力Feff。再按照直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)系列，來(lái)選擇滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)。

GD-3型進(jìn)給單元按額定進(jìn)給速度為60m/min、加速度為1g、移動(dòng)件質(zhì)量33eff為1676N。故選用某公司生產(chǎn)的LAF121C-A型直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)的額定推力為2000N，最大推力為4500N，最大進(jìn)給速度為100m/min，總功率為8kW。

直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)工作臺(tái)所能達(dá)到的最大加速度為

amax=(Fmax-FR)/m

式中，m為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量，它包括工作臺(tái)質(zhì)量、電動(dòng)機(jī)初級(jí)的質(zhì)量和工件的質(zhì)量三部分。由此可見(jiàn)，要提高進(jìn)給單元的加(減)速度，就必須減小運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，增大系統(tǒng)的推力。系統(tǒng)的推力與摩擦力、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)有關(guān)，而運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量可通過(guò)對(duì)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)減小。

2) 進(jìn)給單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)安裝方式的不同，進(jìn)給單元結(jié)構(gòu)可分為水平布局和垂直布局兩種基本方式。圖1所示即為水平布局方式，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便和機(jī)床工作臺(tái)高度較低等優(yōu)點(diǎn)。但由于初級(jí)與次級(jí)之間的電磁吸力與重力方向相同，若工作臺(tái)剛度不足，將會(huì)使初級(jí)與次級(jí)間的間隙減小，影響直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正常工作，因而這種布局適于中等載荷以下使用。水平布局又可分為單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種方式。單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)布局結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作臺(tái)兩導(dǎo)軌間跨距較小、測(cè)量裝置安裝與維修方便，適于推力要求不大的場(chǎng)合。雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)布局的合成推力大，但兩導(dǎo)軌間的跨距較大、工作臺(tái)受電磁吸力變形較大，對(duì)工作臺(tái)的剛度要求較高，安裝也比較困難，測(cè)量與控制復(fù)雜，只適于特殊場(chǎng)合使用。

為了抵消直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)吸力對(duì)工作臺(tái)剛度的影響，可采用雙電動(dòng)機(jī)垂直布局的方式。這種布局具有推力大、工作臺(tái)垂直變形小、工作載荷對(duì)電動(dòng)機(jī)初級(jí)與次級(jí)間的間隙影響小、運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，適于載荷較大的高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。按安裝方式不同，又可分為外垂直安裝和內(nèi)垂直安裝兩種方式。外垂直安裝可保證機(jī)床的導(dǎo)軌跨距較小，電磁吸力產(chǎn)生的彎距與重力引起的彎距方向相反，可抵消工作臺(tái)的部分彎曲變形，對(duì)初級(jí)和次級(jí)間的間隙影響也較小：但電動(dòng)機(jī)安裝高度較高，工作臺(tái)兩端的懸伸較大，所占空間也較大，工作臺(tái)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。內(nèi)置安裝方式可使兩電動(dòng)機(jī)電磁力吸力方向相反，消除了電磁引力對(duì)工作臺(tái)彎曲變形的影響，保證在進(jìn)給調(diào)速過(guò)程中初、次級(jí)的間隙量變化最小：但兩導(dǎo)軌間的跨距較大，安裝維護(hù)困難，適于大推力、高精度的應(yīng)用場(chǎng)合。