介紹直線電機在高速和超高速加工、超精密加工和異形截面加工等方向的應用。
1 前言
隨著電子技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，高速度多功能的或?qū)Ｓ玫奈⑻幚砥骷靶盘柼幚砥鞯拇罅坑楷F(xiàn)（如DSP），直線電機在機床領(lǐng)域的應用迎來了它的高潮。從 1996年的美國芝加哥機床展覽會IMTS`96，日本第18屆國際機床展覽會，到1999年巴黎國際EMO博覽會等一系列國際有影響的展覽會上，美國的 Ingerell milling公司，德國的西門子（IFNI），日本三精公司，美國的Kollmorgen公司等國際知名企業(yè)向人們展示了直流電機應用于各類機床的強大的魅力，這預示著直線電機開辟的新時代已經(jīng)到來。
2 在機床領(lǐng)域的應用
2.1 在高速與超高速精密加工中的應用
為了提高生產(chǎn)效率和改善零件的加工質(zhì)量而發(fā)展起來的高速和超高速加工，現(xiàn)在已成為機床發(fā)展的一個重大趨勢。一個反應靈敏、高速輕便的驅(qū)動系統(tǒng)，速度要提高到40-50m/min以上，加減速也要求提高到25-50m/s2，傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機+滾軸絲杠”的傳動形式顯然是不行的，這是由它自身的弱點決定的，因為中間傳動環(huán)節(jié)的存在首先使剛度降低，彈性變形可使系統(tǒng)的階次變高，從而系統(tǒng)的魯棒性降低，伺服性能下降。彈性變形更是數(shù)控機床產(chǎn)生機機械諧振的根源。其次中間傳動環(huán)節(jié)的存在，增加了運動體的慣量，使得位移和速度響應變慢。另外諸如間隙死區(qū)、摩擦、誤差積累等因素，使得這種傳統(tǒng)的方式所能達到的最高進給速度為30m/min，加速度僅3m/s2。
而直流電機直接驅(qū)動所具有的優(yōu)點則恰恰可以彌補傳統(tǒng)傳動方式的不足，其速度是滾軸絲桿副的30倍；加速度是滾軸絲桿副的10倍，最大可達10g，剛度提高了7倍；另外，直線電機直接驅(qū)動工作臺，所以無反向工作死區(qū)；由于電樞慣量小，所以由其構(gòu)成的直線伺服系統(tǒng)可以達到較高的頻率響應（如100Hz）。
通過上述的比較，在高速和超高速精密加工中，直線電機的應用有著廣泛的前景。目前，滿足機床大推力進給部件要求的主要是交流直線電機，從勵磁方式分，可分為永磁（同步）式和感應（異步）式兩種。永磁式的次級（定子）是永久磁鋼，在機床上應用時，需在機床的床身上鋪設(shè)永久磁鋼，在工作臺下部反裝著三相通電繞組，形成直線電機的初級（動件）。而感應式初級與永磁式相同，但其次級是用電柵條來代替磁鋼，相當于把感應式旋轉(zhuǎn)電機的“鼠籠”沿其圓周展開。
永磁式直線電機在單位面積推力、功率因數(shù)、可控性等方面均要優(yōu)于感應式，但價格較昂貴，安裝調(diào)試、防塵等方面均不如感應式。美國Ingersoll銑床公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心HVM800的X、Y、Z軸均采用永磁式同步直線電機，最大進給速度為76.2m/min，加速度α=1~1.5g。
感應式直線電機在性能上已接近于永磁式電機的水平，再加上其自身的優(yōu)點，所以越來越受到歡迎。在應用方面典型例子是德國Ex-cell-o公司開發(fā)的 XHC240型高速臥式加工中心，三個進給軸均采用Indramat公司的感應式直線電機直接驅(qū)動進給部件，快速移動速度最高為60m/min，最大加速度為1g。
在高速與超高速加工領(lǐng)域中，直線電機除廣泛應用于高速銑床、曲軸車床、超精車床、磨床、激光車床等外，現(xiàn)在比較熱門的研究是將它應用于高速化的并聯(lián)機構(gòu)，即六軸、三軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床，通過多根滑動柱塞的伸縮來控制刀具，實現(xiàn)對復雜型面的高速加工。蘇黎世高等工業(yè)大學開發(fā)出了具有新型結(jié)構(gòu)的六滑塊機床，它將直線驅(qū)動技術(shù)應用在該機床的高效銑削中。另外，俄羅斯的Lapik公司和美國的Ingersoll公司等均在這方面開展了研究，并且形成了產(chǎn)品。
2.2 在超精密加工中的應用 超精密加工是制造業(yè)中的前沿科學，在工作尤其是國防工業(yè)中起著舉足輕重的作用，巡航導彈的慣性制導裝置陀螺儀，雷達的關(guān)鍵器件波導管，衛(wèi)星儀表上的精密軸承、大型集成電路等無不涉及到超精加工。在超精機床中，為進行機床加工誤差的在線補償，以提高加工的形狀精度；為進行某些特殊的非軸對稱表面的加工，都需要微量進給裝置，高精度微量進給裝置現(xiàn)已成為超精機床的重要關(guān)鍵裝置。
目前，壓電陶瓷直線電機在精密微進給裝置中有著廣泛的應用，其原理就是利用電致伸縮效應。電致伸縮效應的變形量和電場強度的平方成正比。它能實現(xiàn)高剛度的無間隙位移；分辨力可達1.0~2.5nm；且變形系數(shù)大；有很高頻率，其響應時間達100μs。為增大行程，一般電機都是由多片晶體串疊在一起粘合使用，尺蠖式壓電陶瓷電機則是通過三個單獨控制的管狀陶瓷壓電器件組成，其中A、B作徑向伸縮，以便夾緊和松開電機軸，而器件C作軸向伸縮，使電機軸產(chǎn)生軸向位移，實現(xiàn)步進直線運動。
美國LLL國家實驗室的DTM-3大型金剛石車床和LODTM大型光學金剛石車床、英國Cranfieid公司的OAGM2500大型精密機床都已采用了電致伸縮式微量進給裝置。
超聲波電動機（USM）是國內(nèi)外日益受到重視的一種新型直接驅(qū)動電機，廣義地說也是一種壓電陶瓷電動機，它利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將材料的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或者滑塊的宏觀運動，壓電陶瓷在適當?shù)碾妷鹤饔孟驴梢孕纬蓡我环较虻倪\動的行波。轉(zhuǎn)子以適當?shù)膲毫ψ饔糜趶椥泽w表面上，則將在質(zhì)點摩擦力的驅(qū)動下產(chǎn)生運動。改變行波方向，則轉(zhuǎn)子反向。
在超精密加工中，為了要加工出形狀精度高的非球曲面，要求超精機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)有很高的分辨力，達到每脈沖移動量為0.01μm，國外已有幾家著名大公司擁有該產(chǎn)品，但對我國禁運。目前國內(nèi)國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學等正開展此方面的研究。超聲波電動機具有小型輕量、響應速度快、無電磁干擾以及低速大轉(zhuǎn)矩等特點，行程在10cm范圍內(nèi)可取代傳統(tǒng)的電磁電機。帶有反饋閉環(huán)控制的步進驅(qū)動超聲電動機，其步進分辨率約0.01μm，有望代替機械式摩擦驅(qū)動方式。日本東京大學研制的聲表面波式直線USM，步進分辨力高達5nm。 2.3 在異形截面加工領(lǐng)域中的應用
采用直線電機的直線運動，運動機構(gòu)由于具有響應快、精度高的特點，已成功地用于異型截面工件（汽車發(fā)動機活塞、波瓣形軸承外環(huán)滾道、活塞環(huán)及凸輪等）的計算機控制的精密車削和磨削加工。與傳統(tǒng)的采用“靠模”加工異型內(nèi)外圓輪廓的方法相比，具有編程修改靈活、加工精度高的特點，十分適合多品種、小批量產(chǎn)品的加工。
3 直線電機在機床上的應用實例
下面以加工發(fā)動機活塞為例來說明。
活塞是發(fā)動機最關(guān)鍵部件之一，它在往復工作狀態(tài)下頭部和裙部各處溫升不同，變形嚴重不均勻。因此在常溫下把活塞截面設(shè)計成異型（近似橢圓）。 |
