牛雪嬌，景作軍

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

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直線電動(dòng)機(jī)精密線性模塊設(shè)計(jì)

牛雪嬌，景作軍

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

基于直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密線性工作臺(tái)是一種典型的精密機(jī)械結(jié)構(gòu)，以精密工程中常用的直驅(qū)線性運(yùn)動(dòng)模塊為研究對(duì)象，分析該類運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的性能要求和應(yīng)用特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種精密線性模塊，進(jìn)而使用激光干涉儀測(cè)量定位精度、重復(fù)定位精度等運(yùn)行參數(shù)，分析它的動(dòng)態(tài)特性，旨在為直線電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在精密加工、檢測(cè)及掃描等方面的應(yīng)用提供參考。

直線電動(dòng)機(jī)；線性模塊；定位精度；動(dòng)態(tài)特性

0 引 言

直線電動(dòng)機(jī)可以在不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的情況下將電能直接轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。直線電動(dòng)機(jī)的這種設(shè)計(jì)使得負(fù)載可以直接連接在電機(jī)上，而機(jī)械傳動(dòng)部件如滾珠絲杠副、蝸輪蝸桿以及齒輪箱等均可被取消。直線電動(dòng)機(jī)有效地消除了由機(jī)械傳動(dòng)帶來的振動(dòng)和噪聲、反向間隙以及零部件磨損等問題，效率可以大幅度提高[1]。

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，在精密工程的加工過程中，對(duì)于精密化、自動(dòng)化等的要求也越來越高。直線電動(dòng)機(jī)不僅具有大推力、高速、高精度、平滑進(jìn)給運(yùn)動(dòng)等特性，而且能夠避免絲杠等傳動(dòng)中存在的反向間隙、慣性、磨損和剛性不足等問題，較之旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有獨(dú)特且明顯的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和性能指標(biāo)。直線電動(dòng)機(jī)具備非常優(yōu)良的運(yùn)行特性，可以適用于諸多領(lǐng)域，如數(shù)控加工、精密測(cè)量、半導(dǎo)體及液晶制造設(shè)備、物流設(shè)備、信息與自動(dòng)化，以及交通、軍事、航天、醫(yī)學(xué)等。

當(dāng)前，精密加工、檢測(cè)或掃描等工業(yè)應(yīng)用中對(duì)于微米級(jí)精度的直線運(yùn)動(dòng)模塊具有很大的需求，此類應(yīng)用對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精度穩(wěn)定性、往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度等方面具有相當(dāng)高的要求。本文面向工業(yè)應(yīng)用，開發(fā)重復(fù)定位精度1 μm的小行程(<200 mm)的小負(fù)載直線電動(dòng)機(jī)精密運(yùn)動(dòng)模塊，并對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，具有一定的應(yīng)用價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

1 直線電動(dòng)機(jī)精密線性模塊總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直線電動(dòng)機(jī)精密線性模塊總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直線電動(dòng)機(jī)精密線性模塊總體結(jié)構(gòu)圖

其中，模塊的基座尺寸為300 mm×100 mm，高度為70 mm，工作臺(tái)的最大運(yùn)動(dòng)行程為120 mm。它的機(jī)械系統(tǒng)主要構(gòu)件包括直線電動(dòng)機(jī)、直線導(dǎo)軌以及反饋裝置等。直線導(dǎo)軌具有定位精度高、摩耗少，摩擦產(chǎn)熱較小等優(yōu)點(diǎn)，適用于高速運(yùn)動(dòng)；直線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要任何轉(zhuǎn)換裝置，運(yùn)行可靠，傳動(dòng)效率和加工精度高，并且運(yùn)行時(shí)無機(jī)械接觸，運(yùn)行傳動(dòng)零部件無磨損，剛度高，機(jī)械損耗低[2]。因此，此精密線性模塊具有以下基本特點(diǎn)：(1)工作臺(tái)保持水平，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且無爬行；(2)直線運(yùn)動(dòng)精度和重復(fù)定位精度高；(3)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)熱量較少；(4)直線導(dǎo)軌的剛度能夠滿足實(shí)際工作中使用條件的需要。

1.1.1直線電動(dòng)機(jī)選型與參數(shù)

直線電動(dòng)機(jī)中平板式、U型槽式和管式是最常用的三種類型。本文所設(shè)計(jì)的直線電動(dòng)機(jī)精密線性模塊選用U型槽式直線電動(dòng)機(jī)。直線電動(dòng)機(jī)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1所示。U型槽式直線電動(dòng)機(jī)有一對(duì)平行磁軌，它們介于金屬板之間并且都對(duì)著線圈動(dòng)子。動(dòng)子通過與負(fù)載平臺(tái)的連接使其與定子之間沒有直接機(jī)械接觸。而動(dòng)子采用非鋼材質(zhì)，這意味著無吸力且在磁軌和推力線圈之間沒有干擾力產(chǎn)生，同時(shí)非鋼線圈裝配形式具有慣量小的特性，可以允許十分高的加速度[3]。

表1 直線電動(dòng)機(jī)平臺(tái)運(yùn)行參數(shù)

1.1.2反饋元件

本文采用美國MicroE公司的MII4000系列直線光柵編碼器作為直線電動(dòng)機(jī)精密線性?？斓姆答佋?，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。美國MicroE公司的光柵編碼器不僅具備微型化、高精度、集成度高等特點(diǎn)，同時(shí)還擁有安裝與調(diào)整方便、智能可編程以及強(qiáng)大的軟件管理功能，是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)反饋的核心部件[4]。

表2 反饋元件參數(shù)

1.1.3直線導(dǎo)軌的選型

本文選用HIWIN公司的MGN12C小型直線導(dǎo)軌，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。直線導(dǎo)軌系為一種滾動(dòng)導(dǎo)引，它將摩擦系數(shù)降低至傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)引的1/50，這使得滑塊的運(yùn)行速度極大提高，且能輕易達(dá)到很高的定位精度。

MGN系列的小型直線導(dǎo)軌具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，非常適用于小型化設(shè)備當(dāng)中。與此同時(shí)，此型號(hào)導(dǎo)軌的滑塊、軌道以及金屬配件例如鋼珠、保持器等，皆選用了不銹鋼材質(zhì)，使其具有防銹與耐腐蝕特性，另外，MGN系列直線導(dǎo)軌的滑塊與軌道之間采用束制單元設(shè)計(jì)，這便使得直線導(dǎo)軌可以同時(shí)承受來自各個(gè)方向的負(fù)荷，擁有剛性強(qiáng)、精度高等特性[5]。

圖2 MGN系列直線導(dǎo)軌本體結(jié)構(gòu)圖

1.2 伺服驅(qū)動(dòng)及控制

本文選用型號(hào)為HAR-5/60 的ELMO伺服驅(qū)動(dòng)器，其各項(xiàng)參數(shù)如表3所示。ELMO伺服驅(qū)動(dòng)器具有高功率密度和小體積的特點(diǎn)，支持各種編碼器反饋類型，操作界面簡(jiǎn)單，具有多軸通信控制能力，性能卓越，易于安裝。ELMO伺服驅(qū)動(dòng)器將各類產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)成功的配置到電流控制、速度控制、位置控制和高級(jí)位置控制的運(yùn)動(dòng)控制中。

表3 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為檢測(cè)直線電動(dòng)機(jī)線性運(yùn)動(dòng)模塊的精度性能，完成了精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，直線運(yùn)動(dòng)模塊采用美國Delta Tau公司的PMAC運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量?jī)x器為雷尼紹XL-80激光干涉儀，包括：PC機(jī)、輕型XL-80激光頭、獨(dú)立的XC-80補(bǔ)償器系統(tǒng)、測(cè)量光學(xué)鏡組、三角固定架等，如圖3所示。本實(shí)驗(yàn)主要完成直線電動(dòng)機(jī)精密線性模塊的定位精度、重復(fù)定位精度指標(biāo)的測(cè)量。

圖3 定位精度測(cè)試系統(tǒng)圖

2.2 直線定位精度的測(cè)試與分析

實(shí)驗(yàn)過程：(1)等距離測(cè)量：本次測(cè)試工作總行程L=100 mm，測(cè)量點(diǎn)的間距l(xiāng)=20 mm，共有六組測(cè)量數(shù)據(jù)，分別記錄運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所到達(dá)的實(shí)際位置。其中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的測(cè)試條件為空載，最大運(yùn)行速度v=50 mm/s。(2)誤差補(bǔ)償：建立誤差補(bǔ)償是提高系統(tǒng)直線定位精度的重要手段，根據(jù)測(cè)量得到的誤差數(shù)據(jù)表，在PMAC運(yùn)動(dòng)控制器中進(jìn)行誤差補(bǔ)償控制，獲得高的定位精度,使其在進(jìn)行高速精密加工時(shí)達(dá)到最佳的精度狀態(tài)。(3)測(cè)量誤差補(bǔ)償后的定位精度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 測(cè)量數(shù)據(jù)表

從表2數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過PMAC運(yùn)動(dòng)控制器的誤差補(bǔ)償后，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的定位誤差得到很好的抑制。同時(shí)，對(duì)每組測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行5次重復(fù)測(cè)量，以得到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重復(fù)定位精度。PMAC誤差補(bǔ)償方式的補(bǔ)償精度較高，并且對(duì)響應(yīng)速度幾乎沒有影響，誤差補(bǔ)償后的定位精度可達(dá)到2 μm,重復(fù)定位精度可達(dá)到1 μm。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種直線電動(dòng)機(jī)精密線性模塊，此模塊結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，適合于對(duì)空間位置要求較高且工作行程較小的設(shè)備使用，也可作為滑臺(tái)和設(shè)備的Z軸使用，同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)使其在安裝和維修過程中更為簡(jiǎn)單方便。

本設(shè)計(jì)利用PMAC運(yùn)動(dòng)控制器的誤差補(bǔ)償功能，并采用激光干涉儀測(cè)量，方便準(zhǔn)確地檢測(cè)出直線平臺(tái)的定位精度和重復(fù)定位精度。通過測(cè)量數(shù)據(jù)分析可知：在行程100 mm，速度小于v=50 mm/s的條件下，本設(shè)計(jì)的定位精度為±2 μm,重復(fù)定位精度為±1 μm，這個(gè)精度在精密工程應(yīng)用中已夠精確，可以滿足精密工程中加工、檢測(cè)等方面的需求。

[1] 李偉,李超,屈飛虎.直驅(qū)電機(jī)的過熱保護(hù)[J].機(jī)械工程師,2012,(10):164-165.

[2] 龔乘龍.二維龍門式直線驅(qū)動(dòng)氣浮精密定位平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2014.

[3] 陸愛明.面向高端制造裝備的高速精密定位平臺(tái)控制技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[4] 鄭俊.基于DSP的永磁同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2012.

[5] 張?chǎng)?欠驅(qū)動(dòng)手指實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué),2013.

Design of Linear Motor Precision Linear Module

NIUXue-jiao，JINGZuo-jun

(North China University of Technology,Beijing 100144,China)

The precision linear working station which driven by the linear motor is a typical precision mechanical structure. Taking the direct-driven linear motion modules which commonly used in the precision projects as research object, the performance requirements and application characteristics of this kind of motor system were analyzed and a precision linear module was designed on this basis. Then the laser interferometer was used to measure the operating parameters, such as the orientation precision, the repositioning accuracy and so on. Its dynamic feature was analyzed providing reference for the linear motor motion platform on the application of precision machining, testing and scanning.

linear motor; linear modules; orientation precision; dynamic feature

2015-12-17

TM359.4

A

1004-7018(2016)04-0023-03

牛雪嬌(1987-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。