线性马达在机床上的应用与展望

  摘要：介绍直线电机在高速和超高速加工、超精密加工和异形截面加工等方向的应用。　

　1 前言　　随着电子技术突飞猛进的发展，高速度多功能的或专用的微处理器及信号处理器的大量涌现（如DSP），直线电机在机床领域的应用迎来了它的高潮。从1996年的美国芝加哥机床展览会IMTS`96，日本第18届国际机床展览会，到1999年巴黎国际EMO博览会等一系列国际有影响的展览会上，美国的Ingerell milling公司，德国的西门子（IFNI），日本三精公司，美国的Kollmorgen公司等国际知名企业向人们展示了直流电机应用于各类机床的强大的魅力，这预示着直线电机开辟的新时代已经到来。　

　2 在机床领域的应用　

　2.1 在高速与超高速精密加工中的应用　

　为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展起来的高速和超高速加工，现在已成为机床发展的一个重大趋势。一个反应灵敏、高速轻便的驱动系统，速度要提高到40-50m/min以上，加减速也要求提高到25-50m/s2，传统的“旋转电机+滚轴丝杠”的传动形式显然是不行的，这是由它自身的弱点决定的，因为中间传动环节的存在首先使刚度降低，弹性变形可使系统的阶次变高，从而系统的鲁棒性降低，伺服性能下降。弹性变形更是数控机床产生机机械谐振的根源。其次中间传动环节的存在，增加了运动体的惯量，使得位移和速度响应变慢。另外诸如间隙死区、摩擦、误差积累等因素，使得这种传统的方式所能达到的最高进给速度为30m/min，加速度仅3m/s2。　

　而直流电机直接驱动所具有的优点则恰恰可以弥补传统传动方式的不足，其速度是滚轴丝杆副的30倍；加速度是滚轴丝杆副的10倍，最大可达10g，刚度提高了7倍；另外，直线电机直接驱动工作台，所以无反向工作死区；由于电枢惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应（如100Hz）。　

　通过上述的比较，在高速和超高速精密加工中，直线电机的应用有着广泛的前景。目前，满足机床大推力进给部件要求的主要是交流直线电机，从励磁方式分，可分为永磁（同步）式和感应（异步）式两种。永磁式的次级（定子）是永久磁钢，在机床上应用时，需在机床的床身上铺设永久磁钢，在工作台下部反装着三相通电绕组，形成直线电机的初级（动件）。而感应式初级与永磁式相同，但其次级是用电栅条来代替磁钢，相当于把感应式旋转电机的“鼠笼”沿其圆周展开。　

　永磁式直线电机在单位面积推力、功率因数、可控性等方面均要优于感应式，但价格较昂贵，安装调试、防尘等方面均不如感应式。美国Ingersoll铣床公司生产的高速卧式加工中心HVM800的X、Y、Z轴均采用永磁式同步直线电机，最大进给速度为76.2m/min，加速度α=1~1.5g。

　感应式直线电机在性能上已接近于永磁式电机的水平，再加上其自身的优点，所以越来越受到欢迎。在应用方面典型例子是德国Ex-cell-o公司开发的XHC240型高速卧式加工中心，三个进给轴均采用Indramat公司的感应式直线电机直接驱动进给部件，快速移动速度最高为60m/min，最大加速度为1g。　

　在高速与超高速加工领域中，直线电机除广泛应用于高速铣床、曲轴车床、超精车床、磨床、激光车床等外，现在比较热门的研究是将它应用于高速化的并联机构，即六轴、三轴并联结构机床，通过多根滑动柱塞的伸缩来控制刀具，实现对复杂型面的高速加工。苏黎世高等工业大学开发出了具有新型结构的六滑块机床，它将直线驱动技术应用在该机床的高效铣削中。另外，俄罗斯的Lapik公司和美国的Ingersoll公司等均在这方面开展了研究，并且形成了产品。　

　2.2 在超精密加工中的应用　　超精密加工是制造业中的前沿科学，在工作尤其是国防工业中起着举足轻重的作用，巡航导弹的惯性制导装置陀螺仪，雷达的关键器件波导管，卫星仪表上的精密轴承、大型集成电路等无不涉及到超精加工。在超精机床中，为进行机床加工误差的在线补偿，以提高加工的形状精度；为进行某些特殊的非轴对称表面的加工，都需要微量进给装置，高精度微量进给装置现已成为超精机床的重要关键装置。　

　目前，压电陶瓷直线电机在精密微进给装置中有着广泛的应用，其原理就是利用电致伸缩效应。电致伸缩效应的变形量和电场强度的平方成正比。它能实现高刚度的无间隙位移；分辨力可达1.0~2.5nm；且变形系数大；有很高频率，其响应时间达100μs。为增大行程，一般电机都是由多片晶体串叠在一起粘合使用，尺蠖式压电陶瓷电机则是通过三个单独控制的管状陶瓷压电器件组成，其中A、B作径向伸缩，以便夹紧和松开电机轴，而器件C作轴向伸缩，使电机轴产生轴向位移，实现步进直线运动。　

　美国LLL国家实验室的DTM-3大型金刚石车床和LODTM大型光学金刚石车床、英国Cranfieid公司的OAGM2500大型精密机床都已采用了电致伸缩式微量进给装置。　

　超声波电动机（USM）是国内外日益受到重视的一种新型直接驱动电机，广义地说也是一种压电陶瓷电动机，它利用压电陶瓷的逆压电效应，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或者滑块的宏观运动，压电陶瓷在适当的电压作用下可以形成单一方向的运动的行波。转子以适当的压力作用于弹性体表面上，则将在质点摩擦力的驱动下产生运动。改变行波方向，则转子反向。　　在超精密加工中，为了要加工出形状精度高的非球曲面，要求超精机床的进给驱动系统有很高的分辨力，达到每脉冲移动量为0.01μm，国外已有几家著名大公司拥有该产品，但对我国禁运。目前国内国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学等正开展此方面的研究。超声波电动机具有小型轻量、响应速度快、无电磁干扰以及低速大转矩等特点，行程在10cm范围内可取代传统的电磁电机。带有反馈闭环控制的步进驱动超声电动机，其步进分辨率约0.01μm，有望代替机械式摩擦驱动方式。日本东京大学研制的声表面波式直线USM，步进分辨力高达5nm。　2.3 在异形截面加工领域中的应用　　

采用直线电机的直线运动，运动机构由于具有响应快、精度高的特点，已成功地用于异型截面工件（汽车发动机活塞、波瓣形轴承外环滚道、活塞环及凸轮等）的计算机控制的精密车削和磨削加工。与传统的采用“靠模”加工异型内外圆轮廓的方法相比，具有编程修改灵活、加工精度高的特点，十分适合多品种、小批量产品的加工。　

　3 直线电机在机床上的应用实例　

　下面以加工发动机活塞为例来说明。　

　活塞是发动机最关键部件之一，它在往复工作状态下头部和裙部各处温升不同，变形严重不均匀。因此在常温下把活塞截面设计成异型（近似椭圆）。