直线电机在立式加工中心上的应用

王亮，张伟

（沈阳机床（集团）有限责任公司，沈阳 110142）

1 引言

随着世界机床业的不断发展，对机床的速度、加速度、精度的要求也不断提升，直线电机以其无冲击、无磨损、噪声低、效率高、精度高等特点为高速高精机床所青睐。1993年首台采用直线电机的数控加工中心研制成功，如今用直线电机取代丝杠传动已成为机床行业发展的新方向。国内外各大知名机床企业、科研院校都积极参与到直线电机的研制和其在机床行业应用的研究中去，投入了大量的人力和物力，并取得了一定的成果。

2 直线电机的特点

与传统的伺服电机带动丝杠的进给驱动方式相比，直线电机驱动具有以下特点［1］：

（1）直线驱动技术的原理是将原始的电机回转运动转变为直线运动，因此机床的速度、加速度、动静刚度、定位精度以及动态性能都将得到大幅改观。数字控制技术和闭环反馈系统的使用，又使得直线电机获得高质量的控制效果，进而获得高的定位精度。

（2）直线电机驱动无需使用机械传动部件，真正实现了零传动，无冲击、无磨损、噪声低，同时具有较高的刚度、精度和装配维修简单等优点。采用直线驱动技术的机床在快移、加速及回程等性能方面较传统的驱动方式有了大幅的提升，从而提高了生产率。

（3）与传统的进给驱动相比，直线驱动进给方式在进给方向上的动态特性与传动路线无关，而只受机床结构的制约。在机床设计时为了完全发挥直线电机的特点，必须对相关的部件进行匹配设计，并且对由直线电机的缺点而带来的问题要给予充分考虑。

3 直线电机应用中遇到的问题和解决办法

3.1 直线电机的选择

交流直线同步电动机按照工作原理不同可分为电磁式、永磁式、混合式等几个种类［2］，其中永磁式直线同步电动机以其高效、低损耗、尺寸小、维修保养方便等优点广泛应用于机床行业。

本机床在直线电机选型时根据用户需求、机床结构和直线电机特点等方面综合考虑，最终选择了ETEL 公司生产的永磁式直线同步电动机（下简称直线电机）。

3.2 设计中遇到的问题

（1）法向磁吸力

永磁式直线电机除了会在进给方向上产生推力之外，还会在初级与次级之间产生一个与进给方向垂直的法向磁吸力。因为电机的次级是由永磁材料组成的，电机的初级又为磁性材料，所以无论电机是否通电，法向磁吸力都存在［3］。在设计中选用的这款直线电机的法向磁吸力约为30kN。

图1 水平放置直线电机的机床结构

如图1 所示，如果将左右立柱上的直线电机水平放置，法向磁吸力会使承受垂向力的直线导轨产生较大的变形，容易影响数控机床的加工精度。为了改善直线导轨的受力情况，考虑将直线电机竖直放置，如图2 所示。这样的设计带来的问题就是 零 件 A在30kN的磁吸力作用下极易变形，造成初级和次级的间隙减小或不均匀，电机推力的波动性大。

综合考虑这两种设计方案最终选取图1的设计方法。为了减小直线导轨的受力变形量，一方面，增加了导轨的数量，做到单侧立柱两根导轨，如图3 所示；另一方面，将图1的“7”字型立柱结构优化为图4的“Y”字型结构，在立柱筋板设计时将竖直筋板设计在两根导轨下方，这样就提高了导轨和立柱的刚性；最后再选取承载能力较强的滑块为支撑。

图2 竖直放置直线电机的机床结构

图3 改进后的机床结构

图4 立柱剖面图

（2）隔磁与防护问题

永磁式直线电机的次级主要是由永磁材料构成，而加工零件、零件切屑和安装工具等磁性材料很容易被次级上的永磁材料吸住，这样就使得加工和装配很难进行。应用于本项目机床上的直线电机初级和次级之间的间隙约为1mm，当磁性切屑和空气中的磁性粉尘被吸入直线电机初级与次级之间的间隙中，就会造成间隙间距变小甚至堵塞，所以必须采取有效的隔磁防护措施。

在设计过程中一方面机床结构采用龙门式结构，这样就使得加工区和直线电机在位置上相距较远；另一方面，在加工区和直线电机间设计了两层防护措施，分别是机床加工区的内防护和直线电机的风琴式防护罩。通过这两个方面和两层防护措施达到隔磁与防护的目的。

3.3 装配中遇到的问题

图5 分段安装法

直线电机在装配的过程中遇到的最大问题就是克服法向磁吸力将初级和次级分别安装到滑板和立柱上，一般可采用辅助导轨法或分段安装法［4］。根据设计的行程长度和初级长度确定采用分段安装法进行直线电机的安装（如图5 所示），安装工序是：①将直线电机的初级安装到移动部件（如工作台、滑板）上；②将装有初级的移动部件安装到导轨滑块上，并将其推到导轨的一侧；③按照直线电机的安装要求，装好左侧各段次级；④将移动部件推到左侧；⑤按照③的方法安装右侧各段次级。

4 直线电机在立式加工中心上应用的前景

目前从国内市场来看，应用直线电机的立式加工中心还为数不多，同时在设计水平上也与国外同行存在着一定差距。但是数控机床的高速、高精化的发展方向已经明确，相信随着机床产业结构调整步伐的加快，直线驱动机床产品必将系列化和规模化，逐步成为市场的主流产品。

［1］毛丽青.直线电机在机床领域的应用及发展［J］.机械工程师，2006（10）：22-23.

［2］阎熠.基于FOC的高精度直线电机运动平台的控制系统研究与应用［D］.上海：东华大学，2008.

［3］尹宜勇，等.高档数控机床中永磁直线同步电机驱动系统关键技术分析［J］.制造业自动化，2011（7）：89-90.

［4］刘泉，等.面向装配的平板形永磁直线电机的设计与制造［J］.机械设计，2004（9）：22-24.