直線電機在立式加工中心上的應用

王亮，張偉

（沈陽機床（集團）有限責任公司，沈陽 110142）

1 引言

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

2 直線電機的特點

與傳統的伺服電機帶動絲杠的進給驅動方式相比，直線電機驅動具有以下特點［1］：

（1）直線驅動技術的原理是將原始的電機回轉運動轉變為直線運動，因此機床的速度、加速度、動靜剛度、定位精度以及動態性能都將得到大幅改觀。數字控制技術和閉環反饋系統的使用，又使得直線電機獲得高質量的控制效果，進而獲得高的定位精度。

（2）直線電機驅動無需使用機械傳動部件，真正實現了零傳動，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點。采用直線驅動技術的機床在快移、加速及回程等性能方面較傳統的驅動方式有了大幅的提升，從而提高了生產率。

（3）與傳統的進給驅動相比，直線驅動進給方式在進給方向上的動態特性與傳動路線無關，而只受機床結構的制約。在機床設計時為了完全發揮直線電機的特點，必須對相關的部件進行匹配設計，并且對由直線電機的缺點而帶來的問題要給予充分考慮。

3 直線電機應用中遇到的問題和解決辦法

3.1 直線電機的選擇

交流直線同步電動機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以其高效、低損耗、尺寸小、維修保養方便等優點廣泛應用于機床行業。

本機床在直線電機選型時根據用戶需求、機床結構和直線電機特點等方面綜合考慮，最終選擇了ETEL 公司生產的永磁式直線同步電動機（下簡稱直線電機）。

3.2 設計中遇到的問題

（1）法向磁吸力

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

圖1 水平放置直線電機的機床結構

如圖1 所示，如果將左右立柱上的直線電機水平放置，法向磁吸力會使承受垂向力的直線導軌產生較大的變形，容易影響數控機床的加工精度。為了改善直線導軌的受力情況，考慮將直線電機豎直放置，如圖2 所示。這樣的設計帶來的問題就是 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，電機推力的波動性大。

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

圖2 豎直放置直線電機的機床結構

圖3 改進后的機床結構

圖4 立柱剖面圖

（2）隔磁與防護問題

永磁式直線電機的次級主要是由永磁材料構成，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行。應用于本項目機床上的直線電機初級和次級之間的間隙約為1mm，當磁性切屑和空氣中的磁性粉塵被吸入直線電機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措施。

在設計過程中一方面機床結構采用龍門式結構，這樣就使得加工區和直線電機在位置上相距較遠；另一方面，在加工區和直線電機間設計了兩層防護措施，分別是機床加工區的內防護和直線電機的風琴式防護罩。通過這兩個方面和兩層防護措施達到隔磁與防護的目的。

3.3 裝配中遇到的問題

圖5 分段安裝法

直線電機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，一般可采用輔助導軌法或分段安裝法［4］。根據設計的行程長度和初級長度確定采用分段安裝法進行直線電機的安裝（如圖5 所示），安裝工序是：①將直線電機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軌滑塊上，并將其推到導軌的一側；③按照直線電機的安裝要求，裝好左側各段次級；④將移動部件推到左側；⑤按照③的方法安裝右側各段次級。

4 直線電機在立式加工中心上應用的前景

目前從國內市場來看，應用直線電機的立式加工中心還為數不多，同時在設計水平上也與國外同行存在著一定差距。但是數控機床的高速、高精化的發展方向已經明確，相信隨著機床產業結構調整步伐的加快，直線驅動機床產品必將系列化和規模化，逐步成為市場的主流產品。

［1］毛麗青.直線電機在機床領域的應用及發展［J］.機械工程師，2006（10）：22-23.

［2］閻熠.基于FOC的高精度直線電機運動平臺的控制系統研究與應用［D］.上海：東華大學，2008.

［3］尹宜勇，等.高檔數控機床中永磁直線同步電機驅動系統關鍵技術分析［J］.制造業自動化，2011（7）：89-90.

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