直线电机在数控机床中的应用

第 5卷 第 1期 2006年 3月 南通航运职业技术学院学报 JOURNAL OF NANTONG VOCATIONAL＆TECHNICAL SHIPPING COLLEGE VoI．5 No．1 Mar．2OO6 直线电机在数控机床中的应用 蒋 薏，庄丽阳，唐通鸣 (南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226007) 摘 要：文章介绍了直线电机的发展，直线电机的工作原理及控制技术，并就其特点和优势作了论述，最后介绍了直 线电机在数控机床中的应用实例． 关键词：直线电机；数控机床；控制技术；应用 中图分类号：TG-659 文献 标识 采样口标识规范化 下载危险废物标识 下载医疗器械外包装标识图下载科目一标识图大全免费下载产品包装标识下载 码：A 文章编号：1671-9891(2006)01-0038-04 直线电机的历史可以追溯到1840年惠斯登制作的并不成功的略现雏形的直线电机，其后的160多年 中直线电机经历了探索实验、开发应用和使用商品化三个时期。 1971年至今，直线电机终于进入独立应用的时期，各类直线电机得到了迅速的推广，制成了许多有实 用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、各种电动门、电动窗等。利用直线电机驱 动的磁悬浮列车，速度已超过 500km／la，接近了航空飞行的速度。 我国直线电机的研究和应用是从20世纪 70年代初开始的，目前主要成果有工厂行车、电磁锤、冲压 机等。我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但在推广应用方面与国外相比尚存在很大的差距。目前， 国内不少研究单位已注意到这一点【l1。 1 直线电机在数控机床上应用的现状 为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展的高速和超高速加工现已成为机床发展的一个重大 趋势，一个反应灵敏、高速、轻便的驱动系统，速度要提高到40--50m／rain以上。传统的“旋转电机 +滚珠丝 杠”的传动形式所能达到的最高进给速度为30m／min，加速度仅为3m／s 。直线电机驱动工作台，其速度是 传统传动方式的3O倍，加速度是传统传动方式的 l0倍，最大可达 10g；刚度提高了7倍；直线电机直接驱 动的工作台无反向工作死区；由于电机惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应。 1993年，德国ZxCeU-O公司推出了世界上第一个由直线电机驱动的工作台 HSC-240型高速加工中 心，机床主轴最高速达到24000r／min，最大进给速度为60m／min，加速度达到 lg，当进给速度为20m／rain 时，其轮廓精度可达0．004mm。1996年开始，日本相继研制成功采用直线电机的卧式加工中心、高速机床、 超高速小型加工中心、超精密镜面加工机床、高速成形机床等【l1。 我国浙江大学研制了一种由直线电机驱动的冲压机，浙江大学生产工程研究所 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了用圆筒型直线 电机驱动的并联机构坐标测量机[21。2001年南京四开公司推出了自行开发的采用直线电机直接驱动的数 控直线电机车床，2003年第 8届中国国际机床展览会上，展出了北京电院高技术股份公司推出的VS1250 直线电机取得的加工中心，该机床主轴最高转速达 15000r／min。 2 直线电机的工作原理 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以 看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，如图 l所示。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子 收稿 日期：2005-04-06 作者简介：蒋薏 (1947一 )，女，江苏南通人，南通大学机械工程学院副教授。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 蒋慧，庄丽阳等：直线电机在数控机床中的应用 39 演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初 级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、 运行费用，目前一般均采用短初级长次级。 定千 ( ) 初级 次级 a)沿径向割开 b)把圆周晨成直线 图 1 直线电机的转变过程 直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便 在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相 作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。 3 直线电机的驱动控制技术 一 个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术 与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。对直 线电机控制技术的研究可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。 传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴 涵动态控制过程中的过去、现在和未来的信息，而且配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机 驱动系统中最基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。 在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技 术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象结构与参数的变化。各种非线性的 影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因素，才能得到满意的控制效果。因此，现代控制技术在 直线伺服电机控制的研究中引起了高度重视。常用控制方法有：自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及 智能控制。 近年来模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法也被引入直线电动机驱动系统的控制中。目前主 要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H 控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控 制性能例。 4 直线电机在数控机床中的应用实例 4．1 活塞车削数控系统 采用直线电机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点，已成功地应用于异型截面工件的 CNC车削和磨削加工中。针对产量最大的非圆截面零件，国防科学技术大学非圆切削研究中心开发了基 于直线电机的高频响大行程数控进给单元。当用于数控活塞机床时，工作台尺寸为 600mmx20mm，行程 100 mm，最大推力为 160N，最大加速度可达 13g。由于直线电机动子和工作台已固定在一起，所以只能采 用闭环控制，图2所示为该单元的控制系统简图。这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。采 用高精度光栅尺作为位置检测元件。定位精度取决于光栅的分辨率，系统的机械误差可以由反馈消除，获 得较高的精度 。 图 2 直线电机位置控制器的原理框图 出 一⑧ 维普资讯 http://www.cqvip.com 南通航运职业技术学院学报 2006年 4．2 采用直线电机的开放式数控系统 采用PC机与开放式可编程运功控制器构成数控系统，这种系统以通用微机及Windows为平台，以 PC机上的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 插件形式的运动控制器为控制核心，实现了数控系统的开放。 基于直线电机的开放式数控系统的总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 如图3所示。该系统采用在PC机的扩展槽中插入 运动控制卡的方案组成，系统由PC机、运动控制卡、伺服驱动器、直线电机、数控工作台等部分组成。数控 工作台由直线电机驱动，伺服控制和机床逻辑控制均由运动控制器完成，运动控制器可编程，以运动子程 序的方式解释执行数控程序 (G代码等，支持用户扩展)。运动控制卡型号为 PCI-8132。 图 3 基于直线电机的开放式数控系统原理图 当今的工业控制技术中PCI总线渐渐地取代了ISA总线，成为主流总线形式，它有很多优点，如即插 即用(Plug and Play)、中断共享等。PCI总线具有严格的标准和规范，这就保证了它具有良好的兼容性，可靠 性高；传送数据速率高 (132Ⅷ ／s或 264Mb／s)；PCI总线与 CPU无关，与时钟频率无关，适用于各种平台， 支持多处理器和并行工作；PCI总线还具有良好的扩展性，通过PCI—PCI桥路，可进行多级扩展。PCI总线 为用户提供了极大的方便，是目前PC机上最先进、最通用的一种总线。PCI-8132是具有PCI接口的2轴运 动控制卡。它能产生高频脉冲驱动步进电机和伺服电机，控制2个轴的电机运动，实现直线和圆弧插补。在数 控加工中，提供位置反馈。 系统软件在Windows平台上开发。该软件采用模块化程序设计，由用户输入输出界面、预处理模块等 组成。用户输入输出界面实现用户的输入、系统的输出。用户输入的主要功能是让用户输入数控代码，发出 控制命令，进行系统的参数配置，生成数控机床零件加工程序 (G代码指令)。预处理模块读取G代码指 令后，通过编译生成能够让PCI-8132运动控制卡运行的程序，从而驱动直线电机，完成直线或圆弧插补。 读取G代码的过程是首先进行参数的设定，然后读取G代码，该程序流程如下： 图4 渎取G代码程序流程图 (下转第70页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 70 南通航运职业技术学院学报 ． 2006年 和解决的。我国在IMO事务中所起的作用越来越重要，随着我国政府的全面履约和国际交流的日渐频繁， 我国海事事业的蓬勃发展，涉外海事调查 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 也会日渐完善和不断创新发展。 Probe into M arine Investigation Relative to Foreign Ships BIAN Zhi-yong (Jiangsu Maritime Bureau，Nanjing Jiangsu 210008) Abstract：At present，our countr~s marine investigation relative to foreign ships hasn't met requirements of IM O to a certain extent．The paper indicates that in terms oflegislation there are some issues existing concerning the connotation of”marine”，the standard of classification，the purpose of investigation，the function in practice， the qualification ofmarine investigators，its working process and SO on，which the paper makes attempt to probe into． Key words：Foreign ships；Marine investigation；International rules；Domestic regulation (上接第4O页) 在这一系统中选用PARKER406LXR系列直线电机。对于两坐标数控工作台，x向选用406T07型直线 电机，行程 550mm，Y向选用 406T05型直线电机，行程450ram。 5 结束语 ． 采用直线伺服电机的高速加工中心，已成为国际上各大机床制造商竞相研究和开发的关键技术和产 品，并已在汽车工业和航空工业中取得初步应用和成效，作为高速加工中心的新一代直接驱动伺服执行元 件，直线伺服电机技术在国内外也已经进入工业化应用阶段。但是，国内在这方面的研究仍处于起步阶段， 差距还很大，本文在直线电机的应用方面作了一些探讨，许多技术问题还有待于今后的努力。 参考文献： [1】叶云岳．国内外直线电机发展与应用综述[J】．电器工业，2003，(1)． [2】张春良，陈子辰，梅得庆．圆筒型直线电机及其在机床上的应用[J】．机床与液压，2000，(10)、 [3】郭庆鼎，孙艳娜，刘惠严．数控机床用直线式交流伺服电机及其控制策略[J】．组合机床与自动化加工技术，2000，(5)． [4】郜业猛等．直线电机在数控机床进给系统中的应用现状与趋势[J】．合肥工业大学学报，2002，(10)． Application of Linear M otor to Numerical Control M achine Tools JIANG Yi，ZHUANG Li-yan g，TANG Tong-ruing (College of Mechanical Engineering，Nantong University,Nantong Jiangsu 226007) Abstract： The development an d principle oflinear motor are introduced in this paper． Th e prope rty an d advantage of line motor are also discussed in details． A concrete application of linear motor to numerical controlled machine tools is given in the end． Key words：Linear motor；Num erical controlled machine tool；Control；Application 维普资讯 http://www.cqvip.com