直线电机在数控床中的应用及其控制算法与常见问题.docxVIP

直线电机在高速数控机床中的应用摘要:高速切削加工是伴随着生产发展和科技进步而出现的一项先进制造技术，快速进给系统是其重要组成部分。本文介绍了直线电机在高速进给机构中的巨大优势及其应用历史与现状，讨论了直线电机进给机构的伺服控制技术以及其常见问题。关键词：直线电机;控制算法;高速进给Abstract：High-speedmachining,whichappearswiththedevelopmentofindustryandtheimprovementoftechnology,isanadvancedmanufacturingtechnologyandhigh-speedfeedsystemisoneofthemostimportantcomponentsofit.Thearticlepresentsthepastandpresentapplicationsandthegreatadvantagesoflinearmotor,discussestheservocontroltechnologyandthecommonproblemsofthelinearmotorfeedingdevice.Keywords:Linearmotor;Controlalgorithm;Highspeed1 引言随着国防、航天、汽车、微电子等高技术行业不断发展，对制造加工业提出了更高的要求，超高速加工和超精密加工成为未来机床业发展的两个主题。传统的机床进给驱动系统是“旋转电机+滚珠丝杠”机构。这种驱动系统涉及的中间部件多，运动惯量大，而且滚珠丝杠本身具有物理局限性，因此产生的线性速度、加速度及定位精度均有限，不能满足超高速、高精密加工的需要；于是直线电机受到人们关注，它直接产生直线运动，结构简洁，运动惯量小，系统刚度高，快速响应特性好，高速情况下能实现精密定位，产生推力大，尤其运动速度、加速度高于滚珠丝杠的若干倍，工作行程可以无限长，维护少、寿命长。这些优点使它成为现代机床进给驱动的理想部件。2 直线电机原理图1直线电机原理直线电机从原理上讲，就是将普通的旋转电机沿过轴线的平面剖开，并展成一直线而成。与旋转交流电机的分类相对应，直线交流电机按照励磁方式可分为直线永磁(同步)式和直线感应(异步)式两类。特别是直线永磁同步电机(示意图1)，因采用高能永磁体，具有高推力强度、低损耗、电气时间常数小、响应快速、易于实现矢量控制等特点，成为高速数控设备伺服进给系统的最佳选择。直线电机驱动机构取消了一切中间传动环节，将电能直接转化为机床执行部件(工作台、溜板等)的直线运动，从根本上改变了以往“旋转电机+滚珠丝杠”进给系统中由于机械传动链引起的一系列问题，被称为“零传动”进给驱动，具有速度高、加速度大、刚度高、动态响应快、定位精度高等优点。另外，由于直线电机的次级是一段一段连续铺在机床床身上的，初级铺到哪里，次级(工作台)就可以运动到哪里，因此，行程不受限制，对整个进给系统的刚度没有任何影响。3直线电机应用于进给机构的历史与现状首先将直线电机应用在机床上的是德国人，1993年德国Ex-cell-O公司在汉诺威国际机床博览会上展出世界上第一台采用直线电动机驱动工作台的HSC-240型高速加工中心，其三个坐标方向上都采用了德国Indramat公司生产的交流感应式直线电机，该机床工作台行程630-710mm，进给速度达到60m／min，进给力2800N，进给速度多920m／min时的位置精度可达4µm。几乎与此同时，美国Ingersoll公司也研制成功HVM．800型高速加工中心，该机床采用美国Anorad公司生产的永磁式直线电机，工作台最大进给速度达到76．2m／min。直线电机在机床E的成功应用，拉开了高速进给的序幕，被同行专家评价为90年代国际机床工业一个新的技术高峰。在高速高精加工机床领域，直线电机驱动和滚珠丝杠驱动还会并存相当长一段时间，但总的趋势是直线电机驱动所占比重会越来越大，成为高速进给驱动的主流。现在世界知名的机床制造商几乎无一例外的都推出了直线电机驱动的机床产品，品种覆盖了绝大多数机床类型，直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。在我国，中国科学院电工所、清华大学、浙江大学、沈阳工业大学、广州工业大学、西安交通大学、国防科技大学等科研机构对直线电机开展了多年研究，并取得了重大成果。4直线电机伺服控制技术研究随着直线电机在高速加工中的优势日益明显，研究和发展高性能的直线电机伺服系统已成为数控加工及机器人控制等领域的研究热点之一．国内外众多学者在直线电机的伺服控制方面作出大量研究，多种先进的控制策略在直线电机伺服控制领域都有了成功的应用，大致可以归纳如下：4.1传统控制策略PID控制作为传统控制策略的代表，蕴涵了动态控制过程过去、现在和将