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沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 直線電機在龍門加工中心Y軸驅(qū)動上的應(yīng)用 學(xué)生姓名： 白曉東 學(xué) 號： 12101825 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 徐兆成 沈陽工學(xué)院 2016年5月 摘 要 隨著現(xiàn)代航空航天、模具加工、汽車制造、電子制造行業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品加工效率和精度的要求越來越高,而高速數(shù)控機床能夠滿足這一需求。機床進給系統(tǒng)是高速機床的主要功能部件。而直線電機的進給系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)滾珠絲杠傳動方式中存在的彈性變形大、存在一定反向間隙、響應(yīng)速度慢、易磨損等一些難以避免的缺點,同時具有速度高、定位精度高、加速度大、行程長度不受限制等一些優(yōu)點,使其在數(shù)控機床的進給系統(tǒng)領(lǐng)域漸漸發(fā)展為主導(dǎo)方向。 近些年，有越來越多企業(yè)開始在數(shù)控機床上采用直線電機，究其根本原因是：為了提高生產(chǎn)效率和改善零件的加工質(zhì)量而發(fā)展的高速以及超高速加工方式現(xiàn)已成為機床發(fā)展的一個重大趨勢，一個響應(yīng)快、輕便的驅(qū)動系統(tǒng)是解決此問題的關(guān)鍵所在。直線電機，其速度最高能達到傳統(tǒng)傳動方式“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”的10～30倍，加速度最高是傳統(tǒng)傳動方式的10倍，剛度提高了7倍左右。直線電機直接驅(qū)動的進給軸無反向間隙，而且電機慣量較小，所以直線電機驅(qū)動系統(tǒng)能夠達到較高的響應(yīng)頻率?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了大推力直線電機，所以在重型龍門機床上采用直線電機驅(qū)動數(shù)噸重的運動部件也已不成問題，直線電機驅(qū)動技術(shù)將是未來數(shù)控機床發(fā)展的方向。 關(guān)鍵詞：直線電機；數(shù)控機床；進給系統(tǒng)；高精度 Abstract With modern aerospace, would processing, automobile manufacturing, electronic manufacturing industry in areas such as more and more high to the requirement of product processing precision and efficiency, and high speed CNC machine can satisfy this requirement. Machine tool feed system is the main function of high speed machine tool parts. And linear motor feed system completely changed the traditional way of ball screw transmission of large elastic deformation, slow response speed and reverse clearance, easy to wear, are inevitable shortcomings, such as with high velocity, high acceleration, high positioning accuracy, the advantages of stroke length is not restricted, make its gradual development in the field of nc machine tool high-speed feed system as the leading direction. In recent years, more and more enterprises in the linear motor is used on nc machine tools, its basic reason is: in order to improve production efficiency and the improvement of the machining quality of parts and the development of high speed and ultra-high speed machining has become a major trend in the development of machine tool, a responsive, high speed, light drive system is the key to solve this problem. Linear motor, its highest speed is the traditional transmission mode "rotary motor and ball screw" 10 ~ 30 times, maximum acceleration was 10 times higher than the traditional transmission mode, stiffness increased 7 times; Linear motor direct drive feed shaft without reverse clearance; Since the motor inertia small, composed of the linear motor drive system can achieve high frequency response; Now there have been great thrust linear motor, so on the heavy gantry machine driven by linear motor has tons of moving parts is not a problem, technology driven by linear TV will be the developing direction of high speed nc machine tools in the future. Keywords: linear motor; CNC machine tools; Feed system; High precision Ⅱ 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 2 直線電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 2.1 直線電機的發(fā)展歷史 2 2.2 直線電機國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 3 2.2.1 國外直線電機的研究現(xiàn)狀 3 2.2.2 國內(nèi)直線電機的研究現(xiàn)狀 5 2.3 直線電機的發(fā)展方向和前景 5 2.3.1 直線電機的發(fā)展方向 5 2.3.2 直線電機的前景 6 3 直線電機的工作原理 7 3.1 直線電機的基本結(jié)構(gòu)和分類 7 3.1.1 直線電機的基本結(jié)構(gòu) 7 3.1.2 直線電機的分類 8 3.2 直線電動機的工作原理 10 3.3 直線電機的優(yōu)缺點 12 4 直線電機在龍門加工中心Y軸驅(qū)動上的應(yīng)用 14 4.1 直線電機的選型計算 14 4.2 直線電機的安裝方式 15 4.3 直線電機的測量反饋 15 4.4 直線電機的緊急制動控制 16 4.5 直線電機冷卻控制設(shè)計 16 4.6 西門子840D系統(tǒng)中直線電機的調(diào)試 17 結(jié)論 19 致謝 20 參考文獻 21 Ⅲ 1 緒論 在常規(guī)的機床進給系統(tǒng)中，仍一直采用“旋轉(zhuǎn)電動機+滾珠絲杠"的傳動體系。隨著近幾年超高速加工技術(shù)的發(fā)展，滾珠絲杠機構(gòu)已不能滿足高速度和高精度的要求，直線電動機開始展示出其強大的生命力。本文采用永磁同步直線電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電動機+滾珠絲杠”。由于永磁同步直線電機省去了中間傳動和變換環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了電動機與負載的剛性耦合，因此消除了原來中間傳動機構(gòu)產(chǎn)生的傳動誤差，例如齒輪誤差，絲杠螺母誤差等，提高了傳動精度，從根本消除了非線性摩擦力和彈性形變的影響，也不再有爬行現(xiàn)象，提高了定位精度和可重復(fù)性能。 近幾年以來，人們在追求高生產(chǎn)效率和高產(chǎn)品質(zhì)量的過程中，運動控制系統(tǒng)的復(fù)雜度與集成度也同時大大提高了。隨著機電產(chǎn)品對零件精度要求的不斷提高，迫切需要高速、高精度的數(shù)控機床，大型龍門加工中心功能完善，加工精度高，能加工出微米甚至納米級的零件，但大型龍門加工中心還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要攻破，大型龍門加工中心雙直線電機同步控制技術(shù)和冷卻控制設(shè)計是目前龍門加工中心實現(xiàn)高速、高精度的關(guān)鍵技術(shù)。由于制造誤差、外部擾動(包括摩擦力、模型不確定性)以及各軸增益參數(shù)不匹配等綜合因素的影響，使雙直線電機保持高度的一致性變得很困難，影響產(chǎn)品的加工精度。因此，同步控制及冷卻技術(shù)仍然是機床行業(yè)所面臨的重大研究課題，對振興我國的裝備制造業(yè)具有深遠的意義。 2 直線電機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2.1 直線電機的發(fā)展歷史 直線電機的出現(xiàn)，最早可以追溯到1840年，惠斯登（Wheatstone）已經(jīng)開始提出并制作了具有雛形的直線電機，但未能取得成功。實際上，直線電動機幾乎是和旋轉(zhuǎn)電動機同時出現(xiàn)的，但是當(dāng)時由于直線電動機氣隙特別大，工作效率低，未能取得成功。旋轉(zhuǎn)電動機是依靠動子在磁場中的旋轉(zhuǎn)動作來獲得動力的，因此理論上旋轉(zhuǎn)電動機應(yīng)多用于旋轉(zhuǎn)運動領(lǐng)域；而直線電動機可以直接產(chǎn)生直線運動，應(yīng)多用于直線運動領(lǐng)域。但事實上大部分直線運動領(lǐng)域至今仍采用旋轉(zhuǎn)電動機，很少采用直線電動機。這是由直線電動機研究的不充分和其應(yīng)用的局限性造成的。而這又反過來導(dǎo)致直線電動機的研究難以開展和發(fā)展緩慢。很多領(lǐng)域都是避開直線電動機而繞行，試圖通過旋轉(zhuǎn)電動機和傳動機構(gòu)的配合來實現(xiàn)直線運動，以此來解決問題。盡管直線電動機不需要中間傳動環(huán)節(jié)就可獲得直線運動，在很多方面比旋轉(zhuǎn)電動機有優(yōu)勢，但直線電動機的發(fā)展一直非常緩慢。直到 1965 年以后，隨著材料性能和科學(xué)技術(shù)的進步，直線電動機才得到快速發(fā)展，其實用機械才開始出現(xiàn)。例如：自動繪圖儀，磁頭定位驅(qū)動裝置等。直線電機從最早提出到現(xiàn)在已經(jīng)有170年的歷史，在這一百多年的歷史過程中，直線電機經(jīng)歷了探索實驗、開發(fā)應(yīng)用和實用商品化三個階段[1]。 1、探索實驗階段（1840-1955） 在這一段歷史發(fā)展中，直線電機從最初的設(shè)想到實驗及部分實驗成果的應(yīng)用，經(jīng)歷了一個不斷探索、屢遭失敗的過程。自惠斯登最先提出并試制直線電機之后，1890年匹茲堡市市長在自己寫的一篇文章中明確地提出了直線電機及其專利。當(dāng)時這個專利是想把直線電動機應(yīng)用到織布機的梭子上，這個想法也激起了很多科學(xué)家的興趣，因此在這之后的很長一段時間里，許多科學(xué)家在這方面投入了很多精力，做出了很大努力。但是，由于當(dāng)時材料性能、制造水平及控制技術(shù)的限制，經(jīng)過斷斷續(xù)續(xù) 20 多年的努力后都未取得成功。 2、開發(fā)應(yīng)用階段（1956-1970 年） 從 1955 年以來，直線電動機進入了一個全面發(fā)展的階段，這個時期也可以說成是直線電動機的“文藝復(fù)興時期”。而這個時期材料性能和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，大大促進了直線電動機的這種發(fā)展勢頭。這個歷史階段申請直線電動機專利的件數(shù)急速增加，直線電動機專利的增長率超過了所有其他技術(shù)領(lǐng)域的平均增長率。這種增長主要歸結(jié)于兩個方面：一是材料性能和控制技術(shù)的顯著提高促進；二是前一階段的理論知識和實驗研究工作中的技術(shù)積累起到了重要的作用。直到1965年之后，隨著材料性能和控制技術(shù)的明顯提高，直線電機的實用設(shè)備才逐步被開發(fā)出來。 3、實用商品階段（1971 至今） 從1971年到目前這個階段，直線電機終于進入了獨立應(yīng)用階段，在這期間，直線電動機迅速推廣到了實際應(yīng)用中，研制出許多實用價值很高的裝置和產(chǎn)品，如直線電動機驅(qū)動的沖壓機、起重機、電動門和輸送機等。其中最成功的應(yīng)當(dāng)是利用直線電機驅(qū)動的磁懸浮列車，其速度已經(jīng)超過了500km/h，行程達到數(shù)十萬千米，接近航空飛行速度。在這個時期，研究人員通過對直線電動機整個發(fā)展過程的分析總結(jié)，決定在旋轉(zhuǎn)電機無能為力的領(lǐng)域?qū)ふ页雎?，找到適合自己發(fā)展的系統(tǒng)，而不是與旋轉(zhuǎn)電動機直接對抗。直線電機系統(tǒng)橫向發(fā)展，出現(xiàn)了磁懸浮列車、液態(tài)金屬的輸送與攪拌、電磁泵、計算機磁盤定位機構(gòu)等應(yīng)用。 2.2 直線電機國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 2.2.1 國外直線電機的研究現(xiàn)狀 在國外,一些高校和研究機構(gòu)從很早就開始進行直線電機方面的研究，有些發(fā)達國家的大學(xué)里都專門開這方面的課程，并設(shè)有相應(yīng)的實驗室。近些年隨著直線電動機的迅速發(fā)展，一些著名的電器公司專門成立研究機構(gòu)，投入大量的人力物力財力到直線電機的研究當(dāng)中，開發(fā)直線電機的實用產(chǎn)品，美國西屋（Westinghouse）公司、德國西門子（SIEMENS）公司和日本松下、富士等都是典型的例子。 美國西屋（Westinghouse）公司在1945年就成功地研制出電力牽引飛機彈射器，用其動力來源就是直線電動機，它能使重量為4500多千克的飛機在4秒的時間內(nèi)速度由零達到188千米/小時，而這整個行程也僅有160多米。 1993年，德國ZxCell-O公司推出了世界上第一個由直線電機驅(qū)動的工作臺HSC-240 型高速加工中心，機床主軸最高速達到 24000r/min，最大進給速度為60m/min，加速度達到1g，當(dāng)進給速度為20m/min 時，其輪廓精度可達0.004mm。美國的Ingersoll公司緊接著推出了HVM-800型高速加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速為20000r/min，最大進給速度為 75.20m/min[2]。 日本緊隨其后從1996年開始，相繼研制成功采用直線電機的臥式加工中心、高速機床、超高速小型加工中心、超精密鏡面加工機床和高速成形機床等。 在國外一些國家，直線電動機在機床、交通、物料輸送、建筑、辦公設(shè)備和醫(yī)療器械等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。 在機床進給系統(tǒng)中，直線電動機的應(yīng)用取消了從電動機到工作臺之間的機械中間傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。這種傳動方式被稱為“零傳動”。正由于這種“零傳動”方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動方式無法達到的性能指標(biāo)和優(yōu)點。 在交通運輸方面，磁懸浮列車改變了常規(guī)輪軌鐵路的運營方式，采用電磁力懸浮車體、直線電機驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)了無接觸、不帶燃料的高速運行，是交通技術(shù)史上的一次重大突破。它具有速度高、運量大、對環(huán)境影響小、能耗低、維護方便、運行安全平穩(wěn)和爬坡能力強等一系列優(yōu)點。德國和日本是研究磁懸浮列車時間最長、投放經(jīng)費最多的國家，其技術(shù)水平處于世界前列。 直線電機在各種物料輸送和搬運方面具有獨特的優(yōu)勢。直線電機在垂直輸送方面有直線電機電梯、升降機；在平面輸送方面有直線電機驅(qū)動的郵政分揀輸送線、行李分揀輸送線、鋼材生產(chǎn)輸送線、食品加工線、制藥生產(chǎn)線等各種工業(yè)加工線、商場、醫(yī)院等場合的物料輸送及立體倉庫的搬運。如日本神鋼公司開發(fā)的采用直線電機驅(qū)動的立體搬運系統(tǒng)，充分利用空間，既能水平行走，又能升降移動。 在民用與建筑業(yè)方面，直線電機也得到廣泛應(yīng)用，如居住條件最基本的單元門，人們希望它安全、可靠、堅固、耐用、簡單方便。直線電機驅(qū)動門正是迎合了這種要求，它可以應(yīng)用于千家萬戶，更可以應(yīng)用于工廠企業(yè)、機關(guān)單位等，市場前景看好。還有用直線電機驅(qū)動的洗衣機、干燥機、晾衣架、電動工具、搬手、擰緊裝置等。 在計算機設(shè)備和辦公設(shè)備中直線電機也得到廣泛應(yīng)用。如日本先鋒電子公司將直線電機的應(yīng)用到電唱機等產(chǎn)品上；IBM公司的打印機和X-Y平面儀均采用直線電機驅(qū)動；美國奧基電氣公司在計算機軟盤驅(qū)動方面也采用直線電機等。 在軍事領(lǐng)域，目前國外己把直線電機應(yīng)用到電磁炮、潛艇、軍用仿真設(shè)施中，在衛(wèi)星和宇宙飛船上也采用了一些直線電機。美國在 1978 年即成立了有關(guān)電磁發(fā)射技術(shù)研究機構(gòu)，主要研究電磁發(fā)射技術(shù)在運輸、航空航天、能源和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，并逐年增加經(jīng)費；英國的國家計劃中，所有電磁發(fā)射技術(shù)的研究都是以軍事應(yīng)用為目的，并建造了兩臺口徑分別為40mm和90mm的導(dǎo)軌型實驗裝置 [2]。 在醫(yī)療器械領(lǐng)域也出現(xiàn)了許多直線電機驅(qū)動系統(tǒng)，如：直線電機驅(qū)動的人工心臟、盲人觸覺模擬器以及在電療、磁療按摩捶擊等相關(guān)方面也應(yīng)用了直線電機。如日本由山田等開發(fā)的作為人造心臟驅(qū)動器的脈沖直線電機（LPM），其重量不足1Kg，體積不足 100mL，該LPM的磁束貫通上下定子，勵磁方式為2相16極型。其推力/功率之比為22.2 N/W，推力/體積之比為l.1N/mL，推力/質(zhì)量之比為0.1N/g[3]。 2.2.2 國內(nèi)直線電機的研究現(xiàn)狀 我國直線電機的研究和發(fā)展比較晚，始于上世紀(jì)70年代初。1972年，浙江大學(xué)在國內(nèi)首先翻譯了一本《直線感應(yīng)電動機》譯文集，這是當(dāng)時國內(nèi)唯一的一本有關(guān)直線電機的中文書籍。隨后，上海工大、上海電機廠、中科院電工所等又編譯了一些直線電機的書籍并出版。近幾年來，浙江大學(xué)又連續(xù)出版了3本直線電機著作。國內(nèi)開展直線電機應(yīng)用研究的單位主要有：中科院電工所、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、上海大學(xué)、太原工業(yè)大學(xué)、焦作礦業(yè)學(xué)院等。主要的研究成果有工廠橋式起重機、電磁錘、沖壓機、摩擦壓力機、磁分選機、玻璃攪拌、拉伸機、送料機、郵政分揀機、礦山運輸系統(tǒng)、計算機磁盤定位系統(tǒng)、自動繪圖儀、直線電機驅(qū)動門、炒茶機等，在磁懸浮列車的研究和開發(fā)方面也取得了重大進展，并率先進入實用化階段。國內(nèi)生產(chǎn)直線電機及其系統(tǒng)產(chǎn)品的廠家很少，其中最大的是哈爾濱泰富科技實業(yè)有限責(zé)任公司，該公司依托浙江大學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢，并與中國電工學(xué)會直線電機專委會以及英、美、日等國緊密合作，從設(shè)計、生產(chǎn)制造到檢測試驗均已初具規(guī)模，已具備了生產(chǎn)多品種規(guī)格的直線電機及其系統(tǒng)產(chǎn)品的能力，在國內(nèi)已有較大影響力[2]。 我國直線電機的研究工作雖然也取得了一些成績，但與國外相比起來，在實際應(yīng)用和推廣方面還存在很大的差距。國內(nèi)不少研究單位也越來越注意到這點，浙江大學(xué)就已經(jīng)專門成立了全國首家直線電機研究所，并已取得了許多成果，其中不少已在社會上推廣應(yīng)用，取得了可喜的經(jīng)濟效益和社會效益。例如：浙江大學(xué)研制了一種由直線電機驅(qū)動的沖壓機；浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所設(shè)計了用圓筒型直線電機驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)坐標(biāo)測量機；清華大學(xué)1989年就研制出一臺經(jīng)濟型中凸變橢圓活塞數(shù)控加工機床，1994年又開發(fā)出中凸變橢圓活塞數(shù)控車削系統(tǒng)；2001年南京四開公司推出了自行開發(fā)的采用直線電機直接驅(qū)動的數(shù)控直線電機車床；2003年第8屆中國國際機床展覽會上，北京電院高技術(shù)股份公司展出其生產(chǎn)的VS1250直線電機取得的加工中心，該機床主軸最高轉(zhuǎn)速達15000r/min [3]。 2.3 直線電機的發(fā)展方向和前景 2.3.1 直線電機的發(fā)展方向 隨著直線電動機的飛速發(fā)展，世界上一些發(fā)達國家越來越重視對直線電機的研究與開發(fā)，由于其眾多的優(yōu)點，發(fā)展很快，目前已經(jīng)呈現(xiàn)以下幾個方向發(fā)展 [3]： 新原理直線電機不斷出現(xiàn)：如日本古河電氣公司研制的超導(dǎo)直線電機，美國帕特魯瑪機電公司研制的微步距直線電機，日本電氣公司研制的壓電驅(qū)動式直線電機，日本東京新生工業(yè)公司研制的超聲波直線電機，還有國外近年開始研究用薄膜材料作電機的定子、動子基片制作薄膜直線電機等。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計上向功能部件方向發(fā)展：直線電機在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)注重模塊化、規(guī)格化和系列化從而形成功能部件。除電機主體外，應(yīng)在防塵、防切屑、冷卻、防磁和安全保護等方面進行研究，形成完整的直線電機系統(tǒng)，且易于安裝和調(diào)整。 在技術(shù)性能上向高精度方向發(fā)展：直線電機在技術(shù)性能上應(yīng)提高動態(tài)性能和剛度，減少端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)等所造成的推力波動，通過磁路設(shè)計達到推力和推力波動的要求，提高速度和加速度以適應(yīng)高速和超高速切削的要求。精度方面要提高定位精度和重復(fù)定位精度。 在控制技術(shù)上向數(shù)字化方向發(fā)展：直線電機實際上是一個直線運動伺服單元，控制系統(tǒng)是其不可分割的部分。直線電機與數(shù)字信號處理器（DSP）的結(jié)合，更使直線電機系統(tǒng)的綜合性能發(fā)生了根本性的變化。直線電機還處于開發(fā)和研究中，在性能測試和質(zhì)量檢測方面尚有大量工作要做。 直線電機生產(chǎn)的商品化：應(yīng)該加強各專業(yè)，企、研、學(xué)之間的緊密合作，充分發(fā)揮個體、集體戰(zhàn)斗作用，加強直線電機的研究、開發(fā)、推廣和應(yīng)用，盡快將科研、攻關(guān)成果轉(zhuǎn)化為商品。 2.3.2 直線電機的前景 直線電動機系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、慣性小、動態(tài)響應(yīng)快、速度和加速度大、精確度高、振動和噪聲小等優(yōu)點,因此可以大大提高進給系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和控制精度，是各類超高速精密機床的理想傳動方式，世界各國工業(yè)化企業(yè)都在加緊研制開發(fā)新的直線電機系統(tǒng)，以期通過新技術(shù)，占領(lǐng)更多的市場份額。因此，直線電動機系統(tǒng)在各類高速、精密加工設(shè)備上具有廣闊的應(yīng)用前景。 隨著其技術(shù)的完善，各類直線電機應(yīng)用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實用價值的裝置和產(chǎn)品，它的應(yīng)用已不是樣品，不是個例，而是已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，進入了獨立的應(yīng)用時代，直線電機已經(jīng)逐漸呈產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢。 3 直線電機的工作原理 3.1 直線電機的基本結(jié)構(gòu)和分類 3.1.1 直線電機的基本結(jié)構(gòu) 直線電機不需要任何中間傳動環(huán)節(jié)就可以將電能直接轉(zhuǎn)換成作直線運動的機械能。直線電機結(jié)構(gòu)十分簡單，它可以看作是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)上的一種轉(zhuǎn)化，旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開，并展成平面而成，如圖 3.1所示。 圖3.1 直線電機的轉(zhuǎn)變過程 由原來旋轉(zhuǎn)電機定子部分轉(zhuǎn)變過來的一側(cè)稱為直線電機的初級，而由轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)變而來的一側(cè)稱為次級。直線電機工作的過程中，初級與次級之間做相對平移運動，如果初級和次級在平移開始時正好對齊，那么運動過程中，初級與次級互相重合的部分就會越來越少，最終導(dǎo)致直線電機不能正常運動。因此在實際應(yīng)用中，初級和次級往往被制造成不同的長度，這樣才能保證在一定的行程范圍內(nèi)兩者之間的耦合保持不變。直線電機可以制造成初級短次級長，也可以是初級長次級短。但是考慮到兩種方法的制造成本和工作過程的費用，目前一般制造為短初級長次級。 如果僅在直線電動機的一邊安放初級，則這種結(jié)構(gòu)型式直線電機稱為單邊型直線電機；如果在直線電動機的兩邊都安放初級，則成為雙邊型直線電動機（如圖3.2所示)。單邊型直線電動機的初級與次級之間存在一個很大的法向吸力,大多數(shù)場合下這種法向吸力是不希望存在的，而雙邊型直線電動機的法向吸力就可以相互抵消，單邊型和雙邊型直線電動機又統(tǒng)稱為扁平型直線電機，是目前應(yīng)用最廣泛的一種。除了這種結(jié)構(gòu)型式外還有圓筒型、圓弧型和圓盤型結(jié)構(gòu)的直線電動機。 圖3.2 雙邊型直線電機 3.1.2 直線電機的分類 直線電機的分類有很多種方式，如：按結(jié)構(gòu)型式、功能用途或工作原理分類，不同的場合下分類方式也有所不同。直線電機按結(jié)構(gòu)型式主要分為：扁平型、圓筒型、圓弧型和圓盤型（如圖3.3，3.4，3.5）；按功能用途主要分為：力電機、功電機和能電機；按工作原理主要分為直線電動機和直線驅(qū)動器，直線電動機包括交流直線感應(yīng)電動機(Linear Induction Motors—LIM)、交流直線同步電動機(Linear Synchronous Motors—LSM)、直線直流電動機(Linear DC Motors—LDM)、直線步進電動機(Linear Stepper(Pulse) Motors—LPM)和混合式直線電動機(Linear Hybrid Motors—LHM)。直線驅(qū)動器包括直線振蕩電動機（Linear Oscillating Motors—LOM)、直線電磁螺線管電動機(Linear Electric Solenoi—LES)、直線電磁泵(Linear Electromagnetic Pump—LUM)、直線超聲波電動機(Linear Ultrasonic Motors—LUM)等[4]。 (a)旋轉(zhuǎn)電機 （b）扁平型單邊直線電機 （c）圓筒型直線電機 圖3.3 旋轉(zhuǎn)電機演變成圓筒型直線電機的過程 圖3.4 圓弧型直線電機 圖3.5 圓盤型直線電機 3.2 直線電動機的工作原理 直線電動機的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機相似。將圖3.6所示的旋轉(zhuǎn)電機在頂上沿徑向剖開，并將圓周拉直，就成了圖3.7所示的直線電機。在直線電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，會產(chǎn)生氣隙磁場。在不考慮鐵心兩端開端引起的縱向邊端效應(yīng)時，氣隙磁場可看成是沿展開直線方向呈正弦形分布，當(dāng)三相電流隨時間變化時，氣隙磁場也將沿直線移動。直線電機的磁場是平行移動的，因此被稱為行波磁場。行波磁場的平移速度與旋轉(zhuǎn)磁場在定子內(nèi)圓表面的線速度是相等的，為（m/s）,也稱為同步速度： =2τ (3.1) 式中 τ--極距(m)； --電源頻率(Hz)。 1-定子 2-轉(zhuǎn)子 3-磁場方向 圖3.6 旋轉(zhuǎn)電機的基本工作原理 1-初級 2-次級 3-行波磁場 圖3.7 直線電機基本工作原理 次級導(dǎo)條在行波磁場的作用下，將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，導(dǎo)條的電流和氣隙磁場相互作用就產(chǎn)生電磁推力。在這個電磁推力的作用下，如果初級固定不動，則次級將沿著行波磁場運動的方向作直線運動 [2] 。次級平移的速度用v表示，轉(zhuǎn)差率用s表示（電機運行過程中0≤s≤1）,則有： s=(-v)/ (3.2) -v=s· (3.3) v=(1-s) (3.4) 與旋轉(zhuǎn)電機一樣，對換直線電機任意兩相的電源線后，運動方向也會反過來，根據(jù)這一原理，直線電機可做往復(fù)直線運動。 3.3 直線電機的優(yōu)缺點 直線電動機不需要通過中間傳動裝置就可以直接得到做直線運動的機械能，完全實現(xiàn)了零傳動，這相比需要復(fù)雜中間傳動環(huán)節(jié)的旋轉(zhuǎn)電機來說在很多方面有很大的優(yōu)勢。 1、應(yīng)用直線電動機作為一些機械系統(tǒng)的動力源時，不需要中間的傳動裝置，因此能在很大程度上簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少中間傳動環(huán)節(jié)的能耗和機械磨損，從而提高機構(gòu)的有效利用率并降低系統(tǒng)成本。 2、直線電動機是直接獲得直線運動，在氣隙磁場的作用下平移，所以理論上其平移或直線運動的速度不會受到限制，而普通的旋轉(zhuǎn)電動機則不同，它是由動子的旋轉(zhuǎn)來獲得動力的，旋轉(zhuǎn)就會受到離心力的作用，所以其旋轉(zhuǎn)的圓周速度必然會受到離心力的限制。 3、直線電動機是由于初級和次級之間的氣隙磁場產(chǎn)生直線電磁推力，初級和次級之間有一定的間隙沒有直接接觸，所以在它的驅(qū)動裝置中，可以保證系統(tǒng)的動子和定子之間沒有機械接觸，這樣會大大減小零部件之間的摩損，延長機構(gòu)的壽命。 4、旋轉(zhuǎn)電機通過絲杠、皮帶、齒條等中間傳動轉(zhuǎn)換機構(gòu)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動向直線運動的轉(zhuǎn)化，這些傳動機構(gòu)在運行中，很難避免噪聲；而直線電動機依靠電磁力直接推動動子帶動執(zhí)行機構(gòu)運行，所以整個裝置或系統(tǒng)的噪聲很小或根本無噪聲，運行環(huán)境好。 5、直線電動機相比旋轉(zhuǎn)電機一個很大的優(yōu)勢就是結(jié)構(gòu)簡單，初級在纏繞上線圈繞組之后，可以用一些特殊材料如樹脂材料將其密封成一個整體，利用直線電動機的這個特點可以將其應(yīng)用到一些特殊的環(huán)境當(dāng)中，比如一般電機不能應(yīng)用的比較潮濕的環(huán)境或者水中，超高溫或者超低溫環(huán)境和對金屬有腐蝕性或有毒的氣體當(dāng)中。 6、直線電動機通過改變繞組線圈中的電流大小和方向，可以讓電磁力的大小和方向相應(yīng)改變，直線電機工作過程中產(chǎn)生的電磁力就是推力的來源，因此直線電機可以實現(xiàn)次級（動子）的高頻率往復(fù)直線運動，并且這個頻率可以達到很高。而傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電動機想實現(xiàn)往復(fù)直線運動需要通過一些中間傳動機構(gòu)把原來的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，經(jīng)過一系列的中間傳動機構(gòu)后是不可能實現(xiàn)高頻運動的，此外如果頻率過高也會導(dǎo)致中間傳動環(huán)節(jié)相互之間的摩擦和磨損加快，產(chǎn)生噪音，只能大大降低整個系統(tǒng)的使用壽命，嚴(yán)重時還可能出現(xiàn)意外事故。 7、直線電動機的結(jié)構(gòu)相對于旋轉(zhuǎn)電機內(nèi)部圓形定子和動子的結(jié)構(gòu)來說是非常簡單的，而且旋轉(zhuǎn)電機的結(jié)構(gòu)是封閉的，常見直線電機的結(jié)構(gòu)是敞開式的，尤其是扁平型的直線電動機，它的初級和次級都直接在空氣中，工作過程中產(chǎn)生的熱量可以直接散發(fā)出去，而不需要任何輔助冷卻裝置或措施。扁平型直線電機的特殊結(jié)構(gòu)就決定了它的散熱性會遠遠好于旋轉(zhuǎn)電機，熱負荷可以很高。 但是，直線電機不可能是完美無缺的，任何一種事物都有其兩面性，直線電機也逃脫不了這個法則，它本身也存在一些缺點和難以解決的問題。現(xiàn)在直線電動機的相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究還不完善，在實際應(yīng)用上還存在很多問題，這也是現(xiàn)在越來越多的人投身于直線電動機研究的動力所在。直線電動機現(xiàn)階段比較明顯的幾個缺點和不足有： 1、雖然直線電動機不需要繁瑣的中間傳動環(huán)節(jié)就能得到直線運動的機械能，但是如果僅對直線電機本身來說，功率、效率和功率因數(shù)等性能參數(shù)與相同規(guī)格下的旋轉(zhuǎn)電動機相比較，還是明顯要低得多，在速度較小的時候體現(xiàn)的就更加明顯。但是如果從整個機構(gòu)或系統(tǒng)的角度來考慮，由于直線電動機省去了中間的繁瑣傳動環(huán)節(jié)，因此，整個機構(gòu)或系統(tǒng)的效率或效率因數(shù)有時還是會比采用旋轉(zhuǎn)電機的高。 2、由于直線電動機工作的時候，電源電壓對其影響很大，如果某些環(huán)境或場合的電源不是特別穩(wěn)定將會直接限制直線電機的應(yīng)用，所以在需要應(yīng)用直線電機的環(huán)境或者應(yīng)用直線電機有優(yōu)勢的領(lǐng)域應(yīng)采取必要的措施來保證直線電機電源的穩(wěn)定性。 3、直線電動機由于可以直接實現(xiàn)直線運動，所以經(jīng)常被應(yīng)用于往復(fù)運動的場合，近些年隨著控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，直線電機越來越多的應(yīng)用到數(shù)控加工中心中，就是結(jié)合直線電機自身直線運動的特點和龍門加工中心的高效達到做高頻往復(fù)運動的目的。但是這其中也存在著一個問題，如果頻率過高的話，將導(dǎo)致行程大幅減小，這也是實際應(yīng)用中的一個矛盾。 4 直線電機在龍門加工中心Y軸驅(qū)動上的應(yīng)用 4.1 直線電機的選型計算 在高速龍門五軸加工中心上共有2個進給軸應(yīng)用了直線電機驅(qū)動，其中X軸使用4個直線電機，Y軸使用2個直線電機。如圖4.1所示。以Y軸為例簡要介紹直線電機的選擇。Y軸的主要負載為滑枕，其質(zhì)量估算為6200kg，最大加速度要求達到5。峰值推力要求為7000N，摩擦力及其它阻力為200N。通過計算可以得到其最大加速力為15600N，故可以選擇2個西門子1FN3900-4WB00-0BA1直線電機來共同驅(qū)動該軸。為了驗證選擇電機的正確性,可以使用西門子的Sidim LM電機計算軟件，圖4.2為Sidim LM軟件得出的電機特性曲線，可以看到所選擇的電機完全滿足工作需要。同理可以計算出X軸需要使用4個1FN3900-4WB00-0BA1直線電機。 圖4.1 直線電機安裝方案 圖4.2 直線電機特性曲線 在設(shè)計或選用點線電動機時應(yīng)滿足以下3個要求： ≥ (3.1) ≥ (3.2) ≥ (3.3) 式中 --直線電動機的最大速度，mm／s； --進給系統(tǒng)要求達到的最大速度，ram／s； --直線電動機的最大推力，N； --進給系統(tǒng)要求達到的最大推力，N； --直線電動機在所要求的速度范圍內(nèi)的最小推力，N； --進給系統(tǒng)所要求的平均有效推力，N。 4.2 直線電機的安裝方式 直線電機是由初級(定子)和次級(動子)兩部分組成的。針對不同的應(yīng)用場合可以選擇不同的安裝方式。在高速龍門加工中心上一共應(yīng)用了兩種直線電機的安裝方式。 1、多個初級使用同一個次級(如圖4.1中X軸的直線電機初級X1和X2共用一個次級、X3和X4共用一個次級；Y軸的直線電機初級Y1和Y2共用一個次級)； 2、多個初級的GANTRY排列(如圖4.1中的X1、X2 和X3、X4形成的GANTRY結(jié)構(gòu))。 4.3 直線電機的測量反饋 直線電機的測量系統(tǒng)可以選用3種反饋元件：封閉式帶EnDat信號的絕對式直線光柵、敞開式的帶有一個參考標(biāo)記或距離編碼的增量式直線光柵、感應(yīng)或磁性的直線尺。由于本機床的X軸和Y軸的行程長，故選用海德漢公司的LB382C增量式光柵尺。測量系統(tǒng)必須配套使用霍爾元件用于直線電機的位置測量反饋?；魻栐陌惭b必須滿足一定的機械尺寸。這樣直線電機才能正?？煽抗ぷ鳌ａ槍λ褂?FN3900-4WB00-0BAl直線電機，其霍爾元件的安裝必須滿足圖4.3所示的機械尺寸要求。1FN3直線電機能夠為現(xiàn)代機械工程需求的直線直驅(qū)系統(tǒng)進行最優(yōu)化的調(diào)整。1FN3直線電機由初級和帶有稀土永磁材料的次級組成。初級的尺寸固定，次級為了適合不同行程的需求而制作成獨立的標(biāo)準(zhǔn)模塊。初級與次級相對平行運動，進給推力和行程可以矩陣式選擇，規(guī)格豐富，選擇靈活。 圖4.3 適用于1 FN3900系列的霍爾元件安裝要求 4.4 直線電機的緊急制動控制 由于直線電機沒有自鎖功能，那么當(dāng)出現(xiàn)供電、光柵、NC、總線等無法預(yù)料的故障情況時。要求直線電機能夠?qū)崿F(xiàn)快速制動，以避免出現(xiàn)不必要的人員傷亡及經(jīng)濟損失。在已經(jīng)安裝了機械緩沖裝置的前提條件下。還可以通過以下方法來實現(xiàn)直線電機的有效制動： 1、利用直流母線的能量來實現(xiàn)制動。這種情況下要求必須有一個可以儲存能量的電容模塊及可以消耗能量的剎車電阻。其優(yōu)點是響應(yīng)快、制動快。缺點是如果系統(tǒng)損壞，則功能無法實現(xiàn)。 2、短路制動。這種方法是通過外圍接觸器來實現(xiàn)的，當(dāng)出現(xiàn)故障后，直線電機的動力供給被從驅(qū)動端切斷，并且通過外部接觸器實現(xiàn)直線電機供電的短接。其優(yōu)點是高速到低速的過程制動快。缺點是制動力取決于直線電機的速度，不足以完成制動的全過程。 3、機械抱閘(液壓、氣動或電動)。這種方法能可靠有效地實現(xiàn)直線電機的制動，但是響應(yīng)慢。 4、機械緩沖裝置。此種制動方式主要是在各軸的兩端加裝緩沖裝置或能量吸收裝置，例如：ENI-DINE(美國)液壓緩沖器。優(yōu)點：可靠有效，安裝簡便；缺點：響應(yīng)慢。 上述4種制動方式中，前兩種是直線電機系統(tǒng)自帶，后兩種是在機床裝配時安裝的。但是，后兩種制動方式在應(yīng)用直線電機時必須選用，以提高安全。有效地實現(xiàn)直線電機的緊急制動，防止意外發(fā)生。 4.5 直線電機冷卻控制設(shè)計 直線電機用在機床進給系統(tǒng)中驅(qū)動Y軸工作臺的進給，結(jié)構(gòu)通常是把直線電機的初級與工作臺做剛性連接，以實現(xiàn)工作臺的進給運動（如圖4.4）。直線電機的初、次級繞組在進行電磁能量轉(zhuǎn)換的過程中產(chǎn)生的熱量將使溫度升高，直線電機一般位于機床的腹部，散熱條件比較差，當(dāng)采用永磁式直線電機時，發(fā)熱向題就更為嚴(yán)重。其結(jié)果必將造成機床導(dǎo)軌的熱變形，影響機床的工作精度；另外，發(fā)熱問題也會影響電機本身的性能，同一型號的電機有冷卻的推力峰值可以達到無冷卻時峰值的2倍，所以必須采取強有力的冷卻措施，把電動機工作時產(chǎn)生的熱量迅速散出。合理設(shè)計電機冷卻系統(tǒng)是解決該問題的捷徑。 圖4.4 驅(qū)動工作臺的進給 1. 液壓缸 2.過濾器 3.冷卻裝置 4.液壓泵 5.壓力繼電器 6.電液比例節(jié)流閥 7.微控制器 8.溫度傳感器 9.內(nèi)置循環(huán)管道的直線電機 圖4.5 冷卻系統(tǒng)簡圖 該冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)液對直線電機的初級和次級導(dǎo)軌進行控溫，此智能冷卻系統(tǒng)主要由以下結(jié)構(gòu)組成 (如圖4.5所示)：循環(huán)液壓泵，其為循環(huán)液提供原動力。多采用變量泵，以降低成本和節(jié)能；電液比例節(jié)流閥，由其控制流量，實現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)速度的調(diào)節(jié)；溫度傳感器，其安裝在直線電機的導(dǎo)軌附近，及時獲得導(dǎo)軌的溫度情況。并實時將數(shù)據(jù)傳送給微控制器，應(yīng)用中多采用熱電偶傳感器；直線電機的循環(huán)管道，其以一定的纏繞方式安裝在直線電機內(nèi)部，循環(huán)液流過時實現(xiàn)降溫，循環(huán)液可用油或水，液壓泵和液體介質(zhì)可與機床其他部位冷卻系統(tǒng)共用，以簡化機床結(jié)構(gòu)、降低制造成本。 4.6 西門子840D系統(tǒng)中直線電機的調(diào)試 在初級、次級和霍爾元件都安裝正確并且冷卻系統(tǒng)已正常運轉(zhuǎn)的前提條件下，可進行電氣調(diào)試。這臺高速龍門加工中心選用的系統(tǒng)為西門子840D，本文所介紹的相關(guān)內(nèi)容都是基于西門子840D系統(tǒng)所講述的。每臺直線電機與驅(qū)動系統(tǒng)之間的連接如圖4.6所示。 圖4.6 直線電機與驅(qū)動系統(tǒng)之間的連接圖 在西門子840D系統(tǒng)的電機配置過程中，直線電機的初始配置和普通1FT系列電機的配置過程大體上是相同的，需要特別注意的地方是： 1、 要檢查電機熱保護系統(tǒng)是否已正常工作，即SME盒的連接是否正確。如果連接正確，那么在操作界面上就可以看到電機的實際溫度。 2、 在配置系統(tǒng)參數(shù)的過程中，電機轉(zhuǎn)子的粗識別過程要選擇Hall傳感器盒。 3、 為了調(diào)試安全，暫時限制電機電流。 MD1105MOTOR_MAX_CURRENT_REDUCTION要設(shè)置為20％。 4、 用于直線電機緊急制動的液壓抱閘是否能夠正常工作。 5、 X軸的龍門軸設(shè)置為GANTRY軸時，需要設(shè)置如下參數(shù)： MD19310第0位激活龍門軸功能選項。 MD37100 GANTRY -AXIS-TYPE。 MD37110 GANTRY-P0S-T0L-WARNING。 MD37120 GANTRY-P0S-TOL-ERR0R。 MD37130 GANTRY-P0S-TOL-REF。 MD37140 GANTRY-BREAK-UP。 6、X軸及Y軸的同步軸設(shè)置。如圖4.1所示，X1和X2、X3和X4、Y1和Y2均需要兩兩之間配置為同步軸，需設(shè)置參數(shù)如下： MD37250 MS-ASSIGN-MASTER-T0RQUE-CTR。 MD37252 MS-ASSIGN-MASTER-SPEED-CMD。 結(jié)論 對直線電機在龍門加工中心Y軸驅(qū)動上的應(yīng)用進行了簡介。通過直線電機的計算選擇、直線電機及其相關(guān)附件的安裝說明、西門子840D系統(tǒng)中的直線電機調(diào)試等內(nèi)容。對直線電機的使用及注意事項加以總結(jié)。為直線電機在龍門加工中心上的應(yīng)用提供了一條捷徑。 直線電機驅(qū)動技術(shù)與數(shù)控機床制造的結(jié)合大大促進了世界制造業(yè)的發(fā)展，大大提高了加工精度和加工效率。直線電機進給系統(tǒng)是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動的機械能, 且不需要任何中間傳動環(huán)節(jié)的驅(qū)動裝置。它將傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯拥闹本€運動，因此機床的速度、加速度、剛度、動態(tài)性能得到完全改觀。通過采用直線電機驅(qū)動技術(shù)使得在高速移動中獲得高的定位精度成為現(xiàn)實，有效克服通過傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機進行驅(qū)動時, 機械傳動機構(gòu)傳動鏈較長、體積大、效率低、能耗高、精度差等缺點。所以，直線電機驅(qū)動技術(shù)將是高速數(shù)控機床未來發(fā)展的方向。 由于時間及能力關(guān)系，同時，大型龍門加工中心又是重型設(shè)備，所以，本文研究的直線電機在龍門加工中心Y軸驅(qū)動上的應(yīng)用暫時只是停留在理論驗證階段，并未在具體的大型龍門加工中心運用，實際的運行效果還有待考證。 致謝 寫作畢業(yè)論文是再一次系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學(xué)習(xí)生活的開始。在本論文的寫作過程中，我的指導(dǎo)教師徐兆成老師傾注了大量的心血，從選題到最終定稿，老師一遍又一遍地指出每稿中的具體問題，嚴(yán)格把關(guān)，他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。在此謹(jǐn)向徐老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。同時我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及我的同學(xué)和朋友們。 參考文獻 [1] 邵曉強. 直線電機現(xiàn)狀與發(fā)展方向. 電氣技術(shù). 2006，7：58-60 [2] 葉云岳. 國內(nèi)外直線電機技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述. 電氣工業(yè). 2003，1：12-16 [3] 陳宏. 淺論直線電機的發(fā)展趨勢及我國的研發(fā)策略. 黑龍江科技信息. 2009，6：1-3 [4] 葉云岳. 直線電機原理與應(yīng)用. 機械工業(yè)出版社，2000：16-45 [5] 唐麗嬋，齊亮，王慶東. 國產(chǎn)直線電機在機床中的應(yīng)用研究. 裝備機械. 2010，1：8-14 [6] 蔣薏，莊麗陽，唐通鳴. 直線電機在數(shù)控機床中的應(yīng)用. 南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報. 2006，5：38-40 [7] 曹卉. 新型潛油式直線抽油機電機的設(shè)計及分析. 哈爾濱理工大學(xué)出版社，2008：21-26 [8] 查長禮. 永磁同步直線電機伺服控制關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn). 廣東工業(yè)大學(xué)出版社， 2008：13-17 [9] 卓連財. 直驅(qū)電機評價指標(biāo)及測試系統(tǒng)的研究. 北京信息科技大學(xué)出版社，2009：16-27 [10] 王貴明. 直線電機進給系統(tǒng)特點及改進方案. 制造技術(shù)與機床. 1999，6：7-11 [11] 鄧英劍. 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