基于直線電機的數控機床驅動控制技術

摘要：針對傳統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動控制技術。通過對比傳統控制技術、現代控制技術、智能控制技術優缺點，提出了采用直線電機位置控制器解決在數控機床中活塞車削數控系統的響應和精度問題。設計采用了PC機與開放式可編程運動控制器構成數控系統。結果表明，利用直線電機結構簡單、運動平穩、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控系統使數控機床驅動控制技術獲得新發展。
關鍵詞：直線；電機；數控機床；驅動；控制技術

0 引言
數控機床正在向高精密、高速、高復合、高智能和環保的方向發展。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、聯軸器、離合器等中間傳動環節才能將動力送達工作部件。在這些環節中產生了較大的轉動慣量、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節。隨著電機及其驅動控制技術的發展，電主軸、直線電機、力矩電機的出現和技術的日益成熟，使主軸、直線和旋轉坐標運動的“直接傳動”概念變為現實，并日益顯示出巨大的優越性。直線電機及其驅動控制技術在機床進給驅動上的應用，使機床的傳動結構出現了重大變化，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，是一種將傳統的旋轉電機沿軸線方向切開后，將旋轉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)的轉子，如圖1所示。直線電機作為一種傳動裝置，能夠將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構。

1．2 直線電機的特點
根據直線電機概念、原理，認識直線電機應把握以下特點：
(1)進給速度范圍寬。可覆蓋從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。采用光柵閉環控制，定位精度可達0．1～0．01 mm。應用前饋控制的直線電機驅動系統可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態特性好，響應靈敏，加上插補控制的精細化，可實現納米級控制。
(4)行程不受限制。傳統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，直線電機還具有結構簡單、運動平穩、噪聲小、運動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠等優點。