直线电机及其在高精密机械加工方面的应用
中国工程大学 030940031 任逍遥
摘要:直线电机也称线性电机，线性马达，直线马达，推杆马达在实际工业应用中的稳定增长,证明直线电机可以放心的使用。
最常用的直线电机类型是平板式和U 型槽式,和管式。
线圈的典型组成是三相,有霍尔元件实现无刷换相.直线电机在过去的10年,经实践上引人注目的增长和工业应用的显著受益才真正成熟。
关键词:直线电机构造应用
一.直线电机是一种将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置由于采用了“零传动”．从而轻传统传动方式有明显的忧势．如结掏茼单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高等近年来．随着工业加工质量和运动定位精度等要求的提高．直线电机受到了广泛的关注在国外．直线电机驱动技术已进入工业化阶段，特别是在高速精密加工中已经有了广泛应用．但国内尚处于起步阶段基于此，本文就直线电机驱动系统的结构、特点以及在高速精密lJlI2L~中的应用作简要介绍
二.直线电机
直线电机是将传统的旋转电机沿径向切开，并展成平面而成，如图1所示在实酝应甩时，蒋初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与扶级之间的耦合保持不变直线电机可以是短初级长趺级．也可以是长初级短状级考虑劓制造成本、运行费用，目前一般均采用搿韧级长状级。
由定子演变而来的一侧称为韧级，由
⑧围l m旋转电机演变为直线电机的过程转子演变 f来的一例稚为次级直线电机不倪在结构上相当干从旋转电机演变而来,fii且其基本原理也与旋转电机相似，在直线电机的三栩绕组中通人相对称正弦电流后，将产生气隙磁场当不考虑铁心两端开断引起的纵向边端效应，此气骧磁场与旋转电机的相似．可看成是沿直线运动方向呈正弦形分布．三相电流随时闻变化时，气橡磁场将沿直线运动这个磁场与永避体的励磁磁场相互作用产生电磁推力由于次级固定不动．动子便会沿行波磁场运动的朔反方向作直线运动，其运动速度为同步转速.
三.直线电机直接驱动系统与传统直线伺服机构的对比
传统直线伺服机构是典型的旋转电机加卜滚珠丝杠．直线电机直接驱动系统取消了中间传动环节．简化了机槭结构，具有优越的加减速度特性，并提高了系统刚度与可靠性．同时具有降低了运行噪音、行程无限制、维护简单等优点直接驱动系统与传统直线伺服结构性能对比.如表l所示．
四.直线电机在高速、高精密机械加工中的应用
采用滚珠丝杠的机床进给系统所能达到韵最高的快速进蛤速度为50-6Ore／rain．工作进给速度为30--AOnr'mm; 般认为，这种结构的最高加速度很难突破1g(Jg为98m／sz) ．通常只有f0．1~O．3)g．显然远远满足不了超高速机床的需要要获得高的进给速度和进给加速度，只有采用直线电机直接驱动的形式世界上最早使用直线电机直接驱动的机床是由德国Exceilo公司于1993年生产的设
备.
直线电机直接驱动与传统直线驱动系统的对比XHC240型高速加工中心，其三个坐标方向上都采用了交流感应式直线电机，进给速度达60m／mim，加速度为1g，当进给速度为20m／min时，加工精度达到4 m [6]。
几乎与此同时，美国Ingersoll 公司也研制成功HVM800加工中心，其三个坐标轴上采用了美国Anorad公司生产的永磁式直线电机，进给速度最高达76．2m／min，进给加速度为[(1-1．5)g"]。
直线电机在高速加工中心上的成功应用，轰动了国际机床界，于是，各国纷纷研制带直线电机的机床。
尽管目前还不知道直线电机能在多大程度上取代“旋转电机+滚珠丝杠”，但在高速、超高速机床上使用直线电机作进给驱动的优势是明显的。
Robe~的研究表明：直线电机的进给速度可以比“旋转电机+滚珠丝杠”的高几十倍，加速度可达10g以上，传动刚度可提高数倍[8j。
因此，直线电机的发展与应用使金属切削机床在速度上进入了一个新高度。
迄今为止，直线电机在机床上的应用主要是在高速、超高速机床上。
最近，德国的Brtickl S．等人开展了将直线电机用于超精加工机床进给驱动系统的研究工作，他们在同一台亚微米车床上分别装上永磁直线同步电机(PMLSM：Permanent Magnet Linear Synchronous Motors)和带精密滚珠丝杠的永磁同步旋转伺服电机进行了对比实验研究[9· ]。
他们的研究结果表明直线电机非常适合超精密加工机床。
最近，浙江大学研制了一种由直线电机驱动的冲压机。
日本AIDA公司开发了采用直线电机直接驱动的小型精密零件加工用L—SF型新型成形压力机⋯]。
日本山田DOBBY公司与FANUC公司协作共同实施智能型高精度直线电机驱动压力机实用化研究m]。
该压力机使用了示教式数控自动补偿技术，在实际加工时，下死点精度可控制在51xm之内。
直线电机在电火花机床上的应用是直线电机的又一重要应用领域[13]。
日本SODICK公司研制的采用直线电机驱动的电火花加工机床⋯]，其最大加速度达到1．2g，最小脉冲当量达0．1 m，与传统的滚珠丝杠副传动的电火花成形机相比，效率可提高3O％一5O％，振动和噪声减小。
据日本电加工研究会资料介绍，直线电机的单步响应和伺服跟踪响应性能更好，加工更稳定；更因其加速度高，使Z轴能作36m／min快速的跳跃运动，在加工区产生较大的负压，使加工液急剧进入极间，冲走切屑，而不致因切屑的堆积损伤表面，能获得低的加工表面粗糙度，从而使电火花加工机床的效率和精度得到提高。
此外，直线电机还可用于激光加工机Its]、雕刻机、异形截面零件的精密车削与精密磨削等其它需要有直线运动的加工设备上。
五.技术与自动化
如逻辑开关控制信号、继电器开关信号、中断信号、位置信号等，还可与PLC 之间进行各种状态数据的传输，从而反映出PLC与被控对象(软件仿真的被控对象)与控制结果之间的关系。
编辑好程序之后，MCGS组态软件即可接收PLC发出的控制信号，并按照程序的算法以动画、数值、文字、标尺等形式在计算机屏幕上反映出PLC的控制过程及结果，给人以“身临其境”的感觉，并可以直接从屏幕上观察出PLC的控制结果正确与否。
MCGS组态软件还能以按钮、滑动标尺、数值输入及单选框、复选框等形式向PLC发出各种命令及输出各种参数，来配合PLC的控制。
因此，即使没有真实的被控对象，也同样可在实验室完成相关的实验和实训，达到培养学生PLC编程和组态编程能力等目的。
六.污水处理控制系统实例
下面我们以一个污水处理控制系统为例，说明PLC电气控制仿真教学系统的设计。
上位机采用普通PC机，组态软件采用全中文界面的
MCGS，PLC采用三菱的FX2N-48R，系统仿真监控画面如图2所示。
为实现控制功能，需在MCGS组态软件中进行设备的配置，安装好PLC的驱动程序，并设置好通信端口参数，然后定义好各变量，保证在MCGS组态软件中能知道外部设备的状态，同时能输出控制信号到实验操作板，反映系统工作状态；另外，为保证实现系统控制要求，需编写
PLC控制程序和组态脚本控制程序。
下面是一段脚本控制程序：
IF zd=O THEN
系统状态= “手动”
ELSE
ENDIF
IF zd=l THEN
系统状态：“自动”
ELSE
ENDIF
IF GZ=1 THEN
系统状态= “故障”
图2 污水排放处理系统监控画面
ELSE
ENDIF
IF CGYW =0 AND YWBZ=I THEN
液位=液位+1
ELSE
ENDIF
IF CGYW=0 AND 液位> 150 AND YWBZ=I THEN
液位=150
ELSE
ENDIF
将PLC程序下载到PLC中后，便可通过组态监控制屏幕上相应按钮，或实验操作板上的按钮实现系统控制，系统工作状态便会通过组态画面实现仿真，从而达到与实际控制系统等同的效果。
七.结语
直线电机直接驱动系统具有结构简单、重量轻、惯性小、动态响应快、速度和加速度大等优点，是各类超高速、精密机床的理想传动方式。
可以说，直线电机的发展与应用促进了现代机床技术的发展，有可能使机床结构和性能发生革命性的变化。
同时，超高速精密机床的需要也促进了直线电机的迅速发展，但必须注意到直线电机本身
还有一些问题没有得到很好解决，在其设计、制造和控制等方面还有许多工作要做。
感受：通过对直线电机的学习,使自己对电机有了更深一层的认识。
电机虽然难学，但是只要认真学习，慢慢摸索还是能够上手。
自我总结了三个方面去学习：
1.结构设计，涉及公差配合、常用零件、冲塑模、机加工、力学有简单了解。
2.电机控制：电力电子技术要学好、看点关于控制方面的书。
3.电磁设计：基本电磁定律要清楚，很多这方面的书籍。