基于直線(xiàn)電機的數控機床驅動(dòng)控制技術(shù)

摘要：針對傳統傳動(dòng)鏈中作為動(dòng)力源的電動(dòng)機的不足，提出了直線(xiàn)電機。分析了直線(xiàn)電機原理、特點(diǎn)，介紹了基于直線(xiàn)電機的驅動(dòng)控制技術(shù)。通過(guò)對比傳統控制技術(shù)、現代控制技術(shù)、智能控制技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，提出了采用直線(xiàn)電機位置控制器解決在數控機床中活塞車(chē)削數控系統的響應和精度問(wèn)題。設計采用了PC機與開(kāi)放式可編程運動(dòng)控制器構成數控系統。結果表明，利用直線(xiàn)電機結構簡(jiǎn)單、運動(dòng)平穩、噪聲小，運動(dòng)部件摩擦小、磨損小、使用壽命長(cháng)、安全可靠等特性，采用直線(xiàn)電機的開(kāi)放式數控系統使數控機床驅動(dòng)控制技術(shù)獲得新發(fā)展。
關(guān)鍵詞：直線(xiàn)；電機；數控機床；驅動(dòng)；控制技術(shù)

0 引言
數控機床正在向高精密、高速、高復合、高智能和環(huán)保的方向發(fā)展。高精密和高速加工對傳動(dòng)及其控制提出了更高的要求：更高的動(dòng)態(tài)特性和控制精度，更高的進(jìn)給速度和加速度，更低的振動(dòng)噪聲和更小的磨損。在傳統的傳動(dòng)鏈中，作為動(dòng)力源的電動(dòng)機要通過(guò)齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動(dòng)環(huán)節才能將動(dòng)力送達工作部件。在這些環(huán)節中產(chǎn)生了較大的轉動(dòng)慣量、彈性變形、反向間隙、運動(dòng)滯后、摩擦、振動(dòng)、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過(guò)不斷的改進(jìn)使傳動(dòng)性能有所提高，但問(wèn)題很難從根本上解決，于是出現了“直接傳動(dòng)”的概念，即取消從電動(dòng)機到工作部件之間的各種中間環(huán)節。隨著(zhù)電機及其驅動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線(xiàn)電機、力矩電機的出現和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線(xiàn)和旋轉坐標運動(dòng)的“直接傳動(dòng)”概念變?yōu)楝F實(shí)，并日益顯示出巨大的優(yōu)越性。直線(xiàn)電機及其驅動(dòng)控制技術(shù)在機床進(jìn)給驅動(dòng)上的應用，使機床的傳動(dòng)結構出現了重大變化，并使機床性能有了新的飛躍。

1 直線(xiàn)電機
1．1 直線(xiàn)電機工作原理
所謂線(xiàn)性馬達又稱(chēng)為直線(xiàn)電機，是一種將傳統的旋轉電機沿軸線(xiàn)方向切開(kāi)后，將旋轉電機的初級展開(kāi)作為直線(xiàn)電機(線(xiàn)性馬達)的定子，次級通電后在電磁力的作用下沿著(zhù)初級做直線(xiàn)運動(dòng)，稱(chēng)為直線(xiàn)電機(線(xiàn)性馬達)的轉子，如圖1所示。直線(xiàn)電機作為一種傳動(dòng)裝置，能夠將電能直接轉換成直線(xiàn)運動(dòng)機械能，而不需要任何中間轉換機構。

1．2 直線(xiàn)電機的特點(diǎn)
根據直線(xiàn)電機概念、原理，認識直線(xiàn)電機應把握以下特點(diǎn)：
(1)進(jìn)給速度范圍寬?？筛采w從1 mm／s～20 m／min以上的速度范圍，目前加工中心的快進(jìn)速度已達208 m／min，而傳統機床快進(jìn)速度小于60 m／min，一般為20～30 m／min。
(2)速度特性好。速度偏差可達0．01％以下，加速度大，直線(xiàn)電機最大加速度可達30 g，目前加工中心的進(jìn)給加速度已達3．24 g，激光加工機給加速度已達5 g，而傳統機床進(jìn)給加速度在1 g以下，一般為0．3 g。
(3)定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達0．1～0．01 mm。應用前饋控制的直線(xiàn)電機驅動(dòng)系統可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性好，響應靈敏，加上插補控制的精細化，可實(shí)現納米級控制。
(4)行程不受限制。傳統的絲杠傳動(dòng)受絲杠制造工藝限制，一般為4～6 m，更長(cháng)的行程需要接長(cháng)絲杠，無(wú)論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線(xiàn)電機驅動(dòng)，定子可無(wú)限加長(cháng)，且制造工藝簡(jiǎn)單，已有大型高速加工中心x軸長(cháng)達40 m以上。另外，直線(xiàn)電機還具有結構簡(jiǎn)單、運動(dòng)平穩、噪聲小、運動(dòng)部件摩擦小、磨損小、使用壽命長(cháng)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。