直线电机在数控机床的应用

程雪峰

摘 要：本文介绍了直线电机的结构和原理，与机械传动形式对比列举了直线电机在数控机床进给系统应用上的优点，举出了直线电机在应用时出现的问题及应对方案，叙述了直线电机在数控机床上实际的连接和调整策略。

关键词：直线电机；数控机床；高速切削；进给系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.003

0 引言

1840年，Wheastone制造了直线电机的雏形，经过100多年的发展，直线电机已广泛应用于绘图、影视、电梯、物流运输、轨道交通、机械加工等多个领域[1]。尤其在机械加工方面，由于大功率高转速电主轴的出现，高速切削策略在铝材及铝合金加工中的应用，要求机床各坐标轴不仅具有非常快的移动速度，还需要具有超高的加减速能力。直线电机凭借其精度高、无磨损、噪音低、效率高、响应快、节省空间等突出优点使其在高档数控机床领域占有重要一席，而且它必将是高速机床未来发展的趋势。

1 直线电机的原理

普通同步交流伺服电机，分为定子和转子两部分，两部分都有按规则缠绕的线圈。当定子线圈通入三相交变电流时，在电机内部产生交变磁场。转子线圈受磁场影响自身产生感应电流，由于通电导体在磁场中要受到力的作用，受到的电磁力使电机转子部分绕电机轴旋转。直线电机好似将普通交流伺服电机沿经过圆筒半径和电机轴的截面剖开，将定子和转子平铺展成两个平直的矩形部分，其结构示意图如图1所示[2]。直线电机的初级对应普通交流伺服电机的定子，次级对应转子，这样普通交流伺服电机定子和转子的相对旋转运动就转变为直线电机初级与次级的相对直线运动。直线电机的初级和次级可安装于两个需要做相对运动的机械部件上，一般固定部分选择初级，运动部分选择次级。但在一些特定场合，出于能耗等经济因素考虑，固定部分也有选择次级的情况，比如直线电机在长距离龙门移动式数控机床上的应用。数控机床各轴的进给部分通常采用伺服电机+减速箱+丝杠丝母，或伺服电机+减速箱+齿轮齿条的传动形式，而直线电机的运用使进给部分减少了中间环节，提高了传动精度和传动效率。

2 直线电机的优点

直线电机与“旋转电动机+滚珠丝杠”传动性能对比见表1。

（1）布局简单。安装直线电机的数控机床去掉了中间传动环节，不需要安装凸起的丝杠端支撑轴承座。铺设直线电机非常的规整，布局简单，这就使机床空间设计可以更加合理。

（2）高动态响应，高精度。丝杠丝母等数控机床应用的常规传动形式，由于传动结构复杂，其动态相应时间较长，从而拖累了系统的整体反应时间。驱动形式如采用直线电机，其传动的响应时间理论上就是电气元件的动态响应时间，它非常短，从而进一步提高了系统的整体反应速度。整体动态相应的提升使系统滞后引起的误差变小，因此机床可具有更出色的动态精度。

（3）无摩擦。机械传动部结构，零件与零件之间相互接触，产生摩擦，同时会伴随着噪音。直线电机初级与次级两级之间不直接接触，无磨擦、噪声小[3]。直线电机减小了数控机床因为传动摩擦带来的能量损耗，提高了能量利用率，对噪声污染的降低更有利于机床操作者的身体健康。

（4）行程长。采用丝杠丝母传动形式的数控机床，由于丝杠长度有限，行程不可能很长。直线电机可以像齿轮齿条结构一样，使机床行程理论上不受限制。以西门子1FN3系列直线电机为例，它的次级由正负磁极永磁体交替排列的极板一节一节拼接而成，可不断地加长，从而使机床行程延伸。

3 直线电机应用上的问题

一切事物总是有两面性，直线电机在使用过程中也暴露出一些问题，限制了它的应用。

（1）发热问题。直线电机运行过程中初级的线圈和铁芯会发热。基于机床结构的紧凑和防护，直线电机往往安装在较密闭的空间里，不利于其自然散热。累积的热量会使附近的机床导轨受热变形，影响机床精度。目前的解决方案是采用水冷散热。

西门子开发的1FN3系列直线电机，通过安装初级部件主冷却器、初级部件精密冷却器、次级部件主冷却器，再加上绝热层的分隔，可将直线电机表面温升控制在2K之内。

（2）法向磁吸力问题。直线电机初级与次级之间存在法向磁吸力，法向力一方面会引起机床机械结构发生变形，另一方面会造成进给系统产生额外摩擦力。法向力的变化会影响进给系统摩擦力的大小，进而使机床进给力产生波动，使机床的加工精度降低。目前解决法向磁吸力影响的途径主要是采用双边型结构设计，还有些单位将直线电机和导轨副综合考虑来设计机床进给系统，也取得了较好的效果。

（3）直线电机边端效应问题。直线电机是平直的，铁心和缠绕在其槽中的绕组在初级两端不连续，这就使各相之间的互感不相等，造成边端效应[4]。直线电机产生的推力会因为边端效应发生波动。为减小推力波动，可优化初级结构，让槽的数目增加、气隙增大或直接采用无铁芯结构。

（4）隔磁。直线电机会对其周围的磁性材料产生吸力，一旦吸附的杂物影响到气隙的大小，磁场力会发生改变，机床推力会产生波动。因此，设计机床时应采取必要的隔磁措施。

（5）紧急制动和防护。安装直线电机的机床可具有较大的速度和加速度，由于电磁传动环节几乎没有传动阻力，机床的运动部分本身惯性又比较大，一旦控制出现问题，运行中的机床很难立即停车，所以必须采取必要的紧急制动和防护措施。用于紧急制动，力求缩短制动距离的办法主要有三种：1）使用电容模块，储存足够的能量，当电网出现故障时，通过直流母线对直线电机进行电磁制动。2）对直线电机初级进行短接实现制动。3）通过加装组件进行机械制动。实际操作上往往同时应用以上三种方法。第1种方法失效时，第2种和第3种作为补充。为防止机床在失控时造成直接的碰撞冲击，在行程两端必须加装缓冲器或减震器。

4 直线电机的应用

直线电机可应用于机床进给的各种场合，工作台移动、龙门架移动或桥式龙门轴控制都可以实现。当负载较大时，可增加直线电机初级以提高推力。西门子1FN3系列直线电机，初级可串联，如图3。两初级的对应孔距必须是极对宽的整数倍[5]。

1FN3常用的初级控制连接如图。直接测量系统（WMS），霍尔元件（HSB），初级中的温度检测元件通过SME93连接至西门子611D驱动系统。

直线电机与伺服电机不同，它不具有电机编码器，只有一个测量系统。因此在西门子840D系统，实施全闭环控制时，MD30200编码器数量应为1，MD30240编码器类型只需对第[0]位进行设置。

5 总结

本文介绍了直线电机的原理、优点，使用中出现的问题和应对措施，以及在实际机床上的应用。直线電机虽说在使用上还有一些问题，但是瑕不掩瑜，它是高速机床发展的趋势，必将有力地助推机械制造业向前发展。

参考文献：

[1]宋书中，胡业发，周祖德.直线电机的发展及应用概况[J].控制工程，2006，13（03）：199-201.

[2]唐振宇.直线电机进给驱动技术在数控机床上的应用[J].机床与液压，2009，37（03）：69-70.

[3]张伟.直线电机驱动技术在高速机床上的应用[J].机械工程师，2012（08）：148-149.

[4]张倩，万里冰，赵彤.直线电机在高档数控机床上的应用现状[J].航空制造技术，2013（05）：53-54.

[5]Siemens.持续负载电机1FN3产品系列设计手册[Z].2006（06）.