基于直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)傳動(dòng)鏈中作為動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)的不足，提出了直線電機(jī)。分析了直線電機(jī)原理、特點(diǎn)，介紹了基于直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。通過對(duì)比傳統(tǒng)控制技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、智能控制技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，提出了采用直線電機(jī)位置控制器解決在數(shù)控機(jī)床中活塞車削數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)和精度問題。設(shè)計(jì)采用了PC機(jī)與開放式可編程運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)。結(jié)果表明，利用直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小，運(yùn)動(dòng)部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠等特性，采用直線電機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)使數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)獲得新發(fā)展。
關(guān)鍵詞：直線；電機(jī)；數(shù)控機(jī)床；驅(qū)動(dòng)；控制技術(shù)

0 引言
數(shù)控機(jī)床正在向高精密、高速、高復(fù)合、高智能和環(huán)保的方向發(fā)展。高精密和高速加工對(duì)傳動(dòng)及其控制提出了更高的要求：更高的動(dòng)態(tài)特性和控制精度，更高的進(jìn)給速度和加速度，更低的振動(dòng)噪聲和更小的磨損。在傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈中，作為動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)要通過齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)才能將動(dòng)力送達(dá)工作部件。在這些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性變形、反向間隙、運(yùn)動(dòng)滯后、摩擦、振動(dòng)、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過不斷的改進(jìn)使傳動(dòng)性能有所提高，但問題很難從根本上解決，于是出現(xiàn)了“直接傳動(dòng)”的概念，即取消從電動(dòng)機(jī)到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線電機(jī)、力矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的“直接傳動(dòng)”概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并日益顯示出巨大的優(yōu)越性。直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用，使機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機(jī)床性能有了新的飛躍。

1 直線電機(jī)
1．1 直線電機(jī)工作原理
所謂線性馬達(dá)又稱為直線電機(jī)，是一種將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿軸線方向切開后，將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的初級(jí)展開作為直線電機(jī)(線性馬達(dá))的定子，次級(jí)通電后在電磁力的作用下沿著初級(jí)做直線運(yùn)動(dòng)，稱為直線電機(jī)(線性馬達(dá))的轉(zhuǎn)子，如圖1所示。直線電機(jī)作為一種傳動(dòng)裝置，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

1．2 直線電機(jī)的特點(diǎn)
根據(jù)直線電機(jī)概念、原理，認(rèn)識(shí)直線電機(jī)應(yīng)把握以下特點(diǎn)：
(1)進(jìn)給速度范圍寬?？筛采w從1 mm／s～20 m／min以上的速度范圍，目前加工中心的快進(jìn)速度已達(dá)208 m／min，而傳統(tǒng)機(jī)床快進(jìn)速度小于60 m／min，一般為20～30 m／min。
(2)速度特性好。速度偏差可達(dá)0．01％以下，加速度大，直線電機(jī)最大加速度可達(dá)30 g，目前加工中心的進(jìn)給加速度已達(dá)3．24 g，激光加工機(jī)給加速度已達(dá)5 g，而傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給加速度在1 g以下，一般為0．3 g。
(3)定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達(dá)0．1～0．01 mm。應(yīng)用前饋控制的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補(bǔ)控制的精細(xì)化，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。
(4)行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)受絲杠制造工藝限制，一般為4～6 m，更長的行程需要接長絲杠，無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定子可無限加長，且制造工藝簡(jiǎn)單，已有大型高速加工中心x軸長達(dá)40 m以上。另外，直線電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、運(yùn)動(dòng)部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。