王亮，張偉

（沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110142）

1 引言

隨著世界機(jī)床業(yè)的不斷發(fā)展，對機(jī)床的速度、加速度、精度的要求也不斷提升，直線電機(jī)以其無沖擊、無磨損、噪聲低、效率高、精度高等特點為高速高精機(jī)床所青睞。1993年首臺采用直線電機(jī)的數(shù)控加工中心研制成功，如今用直線電機(jī)取代絲杠傳動已成為機(jī)床行業(yè)發(fā)展的新方向。國內(nèi)外各大知名機(jī)床企業(yè)、科研院校都積極參與到直線電機(jī)的研制和其在機(jī)床行業(yè)應(yīng)用的研究中去，投入了大量的人力和物力，并取得了一定的成果。

2 直線電機(jī)的特點

與傳統(tǒng)的伺服電機(jī)帶動絲杠的進(jìn)給驅(qū)動方式相比，直線電機(jī)驅(qū)動具有以下特點［1］：

（1）直線驅(qū)動技術(shù)的原理是將原始的電機(jī)回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，因此機(jī)床的速度、加速度、動靜剛度、定位精度以及動態(tài)性能都將得到大幅改觀。數(shù)字控制技術(shù)和閉環(huán)反饋系統(tǒng)的使用，又使得直線電機(jī)獲得高質(zhì)量的控制效果，進(jìn)而獲得高的定位精度。

（2）直線電機(jī)驅(qū)動無需使用機(jī)械傳動部件，真正實現(xiàn)了零傳動，無沖擊、無磨損、噪聲低，同時具有較高的剛度、精度和裝配維修簡單等優(yōu)點。采用直線驅(qū)動技術(shù)的機(jī)床在快移、加速及回程等性能方面較傳統(tǒng)的驅(qū)動方式有了大幅的提升，從而提高了生產(chǎn)率。

（3）與傳統(tǒng)的進(jìn)給驅(qū)動相比，直線驅(qū)動進(jìn)給方式在進(jìn)給方向上的動態(tài)特性與傳動路線無關(guān)，而只受機(jī)床結(jié)構(gòu)的制約。在機(jī)床設(shè)計時為了完全發(fā)揮直線電機(jī)的特點，必須對相關(guān)的部件進(jìn)行匹配設(shè)計，并且對由直線電機(jī)的缺點而帶來的問題要給予充分考慮。

3 直線電機(jī)應(yīng)用中遇到的問題和解決辦法

3.1 直線電機(jī)的選擇

交流直線同步電動機(jī)按照工作原理不同可分為電磁式、永磁式、混合式等幾個種類［2］，其中永磁式直線同步電動機(jī)以其高效、低損耗、尺寸小、維修保養(yǎng)方便等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于機(jī)床行業(yè)。

本機(jī)床在直線電機(jī)選型時根據(jù)用戶需求、機(jī)床結(jié)構(gòu)和直線電機(jī)特點等方面綜合考慮，最終選擇了ETEL 公司生產(chǎn)的永磁式直線同步電動機(jī)（下簡稱直線電機(jī)）。

3.2 設(shè)計中遇到的問題

（1）法向磁吸力

永磁式直線電機(jī)除了會在進(jìn)給方向上產(chǎn)生推力之外，還會在初級與次級之間產(chǎn)生一個與進(jìn)給方向垂直的法向磁吸力。因為電機(jī)的次級是由永磁材料組成的，電機(jī)的初級又為磁性材料，所以無論電機(jī)是否通電，法向磁吸力都存在［3］。在設(shè)計中選用的這款直線電機(jī)的法向磁吸力約為30kN。

圖1 水平放置直線電機(jī)的機(jī)床結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，如果將左右立柱上的直線電機(jī)水平放置，法向磁吸力會使承受垂向力的直線導(dǎo)軌產(chǎn)生較大的變形，容易影響數(shù)控機(jī)床的加工精度。為了改善直線導(dǎo)軌的受力情況，考慮將直線電機(jī)豎直放置，如圖2 所示。這樣的設(shè)計帶來的問題就是 零 件 A在30kN的磁吸力作用下極易變形，造成初級和次級的間隙減小或不均勻，電機(jī)推力的波動性大。

綜合考慮這兩種設(shè)計方案最終選取圖1的設(shè)計方法。為了減小直線導(dǎo)軌的受力變形量，一方面，增加了導(dǎo)軌的數(shù)量，做到單側(cè)立柱兩根導(dǎo)軌，如圖3 所示；另一方面，將圖1的“7”字型立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化為圖4的“Y”字型結(jié)構(gòu)，在立柱筋板設(shè)計時將豎直筋板設(shè)計在兩根導(dǎo)軌下方，這樣就提高了導(dǎo)軌和立柱的剛性；最后再選取承載能力較強(qiáng)的滑塊為支撐。

圖2 豎直放置直線電機(jī)的機(jī)床結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)后的機(jī)床結(jié)構(gòu)

圖4 立柱剖面圖

（2）隔磁與防護(hù)問題

永磁式直線電機(jī)的次級主要是由永磁材料構(gòu)成，而加工零件、零件切屑和安裝工具等磁性材料很容易被次級上的永磁材料吸住，這樣就使得加工和裝配很難進(jìn)行。應(yīng)用于本項目機(jī)床上的直線電機(jī)初級和次級之間的間隙約為1mm，當(dāng)磁性切屑和空氣中的磁性粉塵被吸入直線電機(jī)初級與次級之間的間隙中，就會造成間隙間距變小甚至堵塞，所以必須采取有效的隔磁防護(hù)措施。

在設(shè)計過程中一方面機(jī)床結(jié)構(gòu)采用龍門式結(jié)構(gòu)，這樣就使得加工區(qū)和直線電機(jī)在位置上相距較遠(yuǎn)；另一方面，在加工區(qū)和直線電機(jī)間設(shè)計了兩層防護(hù)措施，分別是機(jī)床加工區(qū)的內(nèi)防護(hù)和直線電機(jī)的風(fēng)琴式防護(hù)罩。通過這兩個方面和兩層防護(hù)措施達(dá)到隔磁與防護(hù)的目的。

3.3 裝配中遇到的問題

圖5 分段安裝法

直線電機(jī)在裝配的過程中遇到的最大問題就是克服法向磁吸力將初級和次級分別安裝到滑板和立柱上，一般可采用輔助導(dǎo)軌法或分段安裝法［4］。根據(jù)設(shè)計的行程長度和初級長度確定采用分段安裝法進(jìn)行直線電機(jī)的安裝（如圖5 所示），安裝工序是：①將直線電機(jī)的初級安裝到移動部件（如工作臺、滑板）上；②將裝有初級的移動部件安裝到導(dǎo)軌滑塊上，并將其推到導(dǎo)軌的一側(cè)；③按照直線電機(jī)的安裝要求，裝好左側(cè)各段次級；④將移動部件推到左側(cè)；⑤按照③的方法安裝右側(cè)各段次級。

4 直線電機(jī)在立式加工中心上應(yīng)用的前景

目前從國內(nèi)市場來看，應(yīng)用直線電機(jī)的立式加工中心還為數(shù)不多，同時在設(shè)計水平上也與國外同行存在著一定差距。但是數(shù)控機(jī)床的高速、高精化的發(fā)展方向已經(jīng)明確，相信隨著機(jī)床產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐的加快，直線驅(qū)動機(jī)床產(chǎn)品必將系列化和規(guī)?；?，逐步成為市場的主流產(chǎn)品。

［1］毛麗青.直線電機(jī)在機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展［J］.機(jī)械工程師，2006（10）：22-23.

［2］閻熠.基于FOC的高精度直線電機(jī)運動平臺的控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用［D］.上海：東華大學(xué)，2008.

［3］尹宜勇，等.高檔數(shù)控機(jī)床中永磁直線同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.制造業(yè)自動化，2011（7）：89-90.

［4］劉泉，等.面向裝配的平板形永磁直線電機(jī)的設(shè)計與制造［J］.機(jī)械設(shè)計，2004（9）：22-24.