基于直線電機的數(shù)控機床驅(qū)動控制技術(shù)

摘要：針對傳統(tǒng)傳動鏈中作為動力源的電動機的不足，提出了直線電機。分析了直線電機原理、特點，介紹了基于直線電機的驅(qū)動控制技術(shù)。通過對比傳統(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，提出了采用直線電機位置控制器解決在數(shù)控機床中活塞車削數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)和精度問題。設(shè)計采用了PC機與開放式可編程運動控制器構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)。結(jié)果表明，利用直線電機結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)、噪聲小，運動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠等特性，采用直線電機的開放式數(shù)控系統(tǒng)使數(shù)控機床驅(qū)動控制技術(shù)獲得新發(fā)展。
關(guān)鍵詞：直線；電機；數(shù)控機床；驅(qū)動；控制技術(shù)

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

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

1．2 直線電機的特點
根據(jù)直線電機概念、原理，認識直線電機應(yīng)把握以下特點：
(1)進給速度范圍寬?？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速度已達208 m／min，而傳統(tǒng)機床快進速度小于60 m／min，一般為20～30 m／min。
(2)速度特性好。速度偏差可達0．01％以下，加速度大，直線電機最大加速度可達30 g，目前加工中心的進給加速度已達3．24 g，激光加工機給加速度已達5 g，而傳統(tǒng)機床進給加速度在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0．1～0．01 mm。應(yīng)用前饋控制的直線電機驅(qū)動系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補控制的精細化，可實現(xiàn)納米級控制。
(4)行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動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。而采用直線電機驅(qū)動，定子可無限加長，且制造工藝簡單，已有大型高速加工中心x軸長達40 m以上。另外，直線電機還具有結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)、噪聲小、運動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠等優(yōu)點。