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隨著航空航天、汽車制造、模具加工、電子制造行業(yè)等領域?qū)Ω咝实剡M行加工的要求越來越高，需要大量高速數(shù)控機床。機床進給系統(tǒng)是高速機床的主要功能部件。而直線電機進給系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動方式存在的彈性變形大、響應速度慢、存在反向間隙、易磨損等先天性的缺點，并具有速度高、加速度大、定位精度高、行程長度不受限制等優(yōu)點，令其在數(shù)控機床高速進給系統(tǒng)領域逐漸發(fā)展為主導方向。
1 直線電機及其驅(qū)動技術
　　現(xiàn)代先進的驅(qū)動技術主要分為兩大類：一類為電磁式的，另一類則為非電磁式的。
　　電磁類的現(xiàn)代先進的驅(qū)動技術主要由現(xiàn)代電磁類驅(qū)動器與現(xiàn)代控制系統(tǒng)組成，它的驅(qū)動器包括傳統(tǒng)改進型的電磁驅(qū)動器與新發(fā)展型的電磁驅(qū)動器。它們中有旋轉(zhuǎn)的、直線的、磁浮的、電磁發(fā)射的等等。除了在一般通用電機技術基礎上改進獲得的電機技術外，還有更多的是在通用電機技術基礎上進一步發(fā)展的新型電機技術，如直線電機技術、無刷直流電機技術、開關磁阻電機技術和各種新型永磁電機技術等。
　　直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能而不需通過中問任何轉(zhuǎn)換裝置的新穎電機，它具有系統(tǒng)結(jié)構簡單、磨損少、噪聲低、組合性強、維護方便等優(yōu)點。旋轉(zhuǎn)電機所具有的品種，直線電機幾乎都有相對應的品種，其應用范圍正在不斷擴大，并在一些它所能獨特發(fā)揮作用的地方取得了令人滿意的效果。
　　直線電機結(jié)構示意圖如下圖所示。直線電機是將傳統(tǒng)圓筒型電機的初級展開拉直，變初級的封閉磁場為開放磁場，而旋轉(zhuǎn)電機的定子部分變?yōu)橹本€電機的初級，旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子部分變?yōu)橹本€電機的次級。在電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，在初級和次級間產(chǎn)生氣隙磁場，氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機相似，沿展開的直線方向呈正弦分布。當三相電流隨時問變化時，使氣隙磁場按定向相序沿直線移動，這個氣隙磁場稱為行波磁場。當次級的感應電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生了電磁推力，如果初級是固定不動的，次級就能沿著行波磁場運動的方向做直線運動。即可實現(xiàn)高速機床的直線電機直接驅(qū)動的進給方式，把直線電機的初級和次級分別直接安裝在高速機床的工作臺與床身上。由于這種進給傳動方式的傳動鏈縮短為0，被稱為機床進給系統(tǒng)的“零傳動”。
與“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”傳動方式相比較，直線電機直接驅(qū)動有以下優(yōu)點：（1）高速度，目前最大進給速度可達100～200m／min。（2）高加速度，可高達2g～10g。（3）定位精度高，由于只能采用閉環(huán)控制，其理論定位精度可以為0，但由于存在檢測元件安裝、測量誤差，實際定位精度不可能為0。最高定位精度可達0．1～0．01m。（4）行程不受限制，由于直線電機的次級（定子）可以一段一段地鋪在機床床身上，不論有多遠，對系統(tǒng)的剛度不會產(chǎn)生影響。例如，美國CincinnatiMilacron公司為航空工業(yè)生產(chǎn)了一臺HyperMach大型高速加工中心，主軸轉(zhuǎn)速為60000r／min，主電機功率為80kW。直線進給采用了直線電機，其軸行程長達46m，工作臺快速行程為100m／min，加速度達2g。在這種機床上加工一個大型薄壁飛機零件只需30min；而同樣的零件在一般高速銑床上加工，費時3h；在普通數(shù)控銑床上加工，則需8h，優(yōu)勢相當明顯[1]。
2 直線電機在數(shù)控機床的應用
　　現(xiàn)代數(shù)控機床經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，其加工速度和加工精度得到極大提高。其加工精度從最初的0．01mm到現(xiàn)在的1μm，提高了10000倍，加工速度則從每分鐘幾十毫米提高到每分鐘幾十米，提高了1000倍。機床技術水平的高速發(fā)展是機床自動化技術發(fā)展的結(jié)果，也是以CNC為代表的先進制造技術對傳統(tǒng)機械制造業(yè)的滲透，從而形成的機電一體化產(chǎn)品的結(jié)果[2]。
　　數(shù)控機床采用直線電機驅(qū)動技術，克服了傳統(tǒng)驅(qū)動方式的許多缺陷，獲得了極高的性能指標和優(yōu)點。國外在高速加工中心上已廣泛應用直線電機驅(qū)動，同時也應用到機床裝備的各個領域，使機床的各項性能大為提高。1993年德國Ex—cell—O公司在漢諾威國際機床博覽會上展出了世界上第一臺應用直線電機驅(qū)動技術的HSC一240型超高速加工中心，該機床最大快移速度為60m／min。日本機床裝備發(fā)展迅猛，高檔機床大量采用直線電機驅(qū)動技術。早在1998年第十九屆JIMTOF上，就展出了8臺直線電機作進給驅(qū)動的機床。在2002年日本東京第二十一屆JIMTOF機床展上23家公司展出了41臺裝有直線電機的數(shù)控機床，包括加工中心11臺[3]。目前，采用直線電機驅(qū)動技術的機床是日本機床生產(chǎn)商供應的主流實用機床。歐美西方工業(yè)大國的機床制造廠商也大量應用直線電機驅(qū)動技術，著名的有DMG、Sodiek、Kings—bury、Anorad、Jobs和ForestLine等公司。在2003年的意大利米蘭EMO2003國際機床展上，直接驅(qū)動已經(jīng)成為高性能機床的重要技術手段，會展中德國DMG公司展品多為直線電機驅(qū)動。大批高性能加工中心采用了直線電機直接驅(qū)動技術。使用直線電機比用滾珠絲桿傳動的成本已從l0年前的高30％，降低到目前只高15％～20％，而且參展商普遍認為用戶可以節(jié)省運行成本20％以上，從而可以及時收回附加投資。JOBS公司認為有一半以上的機床采用直線電機在技術上和經(jīng)濟上都是值得的[4]。

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