细说直线电动机实现机床的进给系统零传动

1 引言

高速化、精密化和模块化是现代制造技术的发展方向。新的切削理论认为：当切削速度达到一定程度（约500m/min）后，切削区温度不再上升，并且切削力反而会减小，刀具磨损也减少。这样在提高生产率的同时还能提高零件的表面质量和加工精度。

一般来说，高速加工的切削速度和进给速度都比常规加工要高出一个数量级。因此高速主轴和快速进给系统是实现高速加工的两项关键技术，其中对进给系统提出了以下新要求：（1）进给速度必须与高速主轴相匹配，达到60m/min或更高：（2）加速度要大，这样才能在最短的时间和行程内达到要求的高速度，至少要1～2g：（3）动态性能要好，能实现快速的伺服控制和误差补偿，具有较高的定位精度和刚度。

长期以来，数控机床的进给系统主要是“旋转伺服电动机，滚珠丝杠”，这种进给系统所能达到的最高进给速度为90～120m/min，最大加速度只有1.5g。同时，由于从电动机主轴到工作台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承、支架等一系列中间环节，当进给部件要完成启动、加减速、反转、停车等动作时，这些机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等，会造

成进给运动的滞后和其它许多非线性误差：这些中间环节也加大了系统的惯性质量，影响了对运动指令的快速响应。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下，会产生变形，影响加工精度。

为了克服传统进给系统的缺点，简化机床结构，满足高速精密加工的要求，人们开始研究新型的进给系统，直线电动机就是最有前途的快速进给系统。它取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，这就是所谓的“直接驱动”或“零传动”。

2 直线电动机的原理和分类

所谓直线电动机就是利用电磁作用原理，将电能直接转换直线运动动能的设备。在实际的应用中，为了保证在整个行程之内初级与次级之间的耦合保持不变，一般要将初级与次级制造成不同的长度。直线电动机与旋转电动机类似，通入三相电流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，这就是直线电动机运行的基本原理。由于直线电动机和旋转电动机之间存在以上对应关系，因此每种旋转电动机都有相对应的直线电动机，但直线电动机的结构形式比旋转电动机更灵活。直线电动机按工作原理可分为：直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机、直线压电电动机及直线磁阻电动机：按结构形式可分为平板式、U形及圆筒式。

3 直线电动机的优缺点分析

直线电动机的特点在于直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转电动机，滚动丝杠”相比，其优点是（具体性能见下表）：


（1）没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，除了导轨外没有其它摩擦：（2）结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有一个运动的部件：（3）行程在理论上不受限制，而且性能不会因为行程的改变而受到影响：（4）可以提供很宽的速度范围，从每秒几微米到数米，特别是高速是其一个突出的优点：（5）加速度很大，最大可达10g：（6）运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故：（7）精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级：（8）维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。

直线电动机与“旋转电动机，滚珠丝杠”传动性能比较表


直线电动机的缺点是：首先直线电动机端部磁场的畸变影响到行波磁场的完整性，使直线电动机损耗增加，推力减小，而且存在较大的推力波动，这就是直线电动机特有的“端部效应（Edge Effect）”。直线电动机的结构特点决定了端部效应是不可避免的。其次直线电动机的控制难度大，因为在电动机的运行过程中负载（如工件重量、切削力等）的变化、系统参数摄动和各种干扰（如摩擦力等），包括端部效应都直接作用到电动机上，没有任何缓冲或削弱环节，如果控制系统的鲁棒性不强，会造成系统的失稳和性能的下降。其他缺点包括安装困难、需要隔磁、效率低、成本高等。

制造业中满足高速加工中心进给系统要求的主要是交流直线电动机。交流直线电动机可分为感应式和同步式两大类。虽然同步式直线电动机比感应式直线电动机成本较高、装配困难、需要屏蔽磁场，但效率较高、结构简单、次级不用冷却、控制方便、更容易达到所要求的高性能，并且随着钕铁硼（NdFeB）永磁材料的出现和发展，永磁同步直线电动机将逐渐发展成主流。

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