数控机床的进给系统（上）

数控机床的进给包括直线运动部件的进给和旋转运动部件的进给，不论是直线进给系统还是旋转进给系统，目前仍以“伺服电动机+机械传动链”为主导，但是这种传统的进给系统存在刚度低、传动误差大、传动链结构复杂、传动效率低等问题，已很难满足数控机床向高速加工方向发展的要求，因而近年来国内外在研究开发直接驱动运动部件直线运动的直线电机和直接驱动运动部件旋转运动的力矩电机，并已获得应用。如美国Cincinnati Milacron公司新近生产的一台HyperMach大型高速加工中心就采用了直线电机，工作台的进给速度可达60m/min。下面对采用直线电机和力矩电机的进给系统做简要介绍。

一、直线电机驱动的进给系统

1．直线电机的工作原理

直线电机的工作原理与旋转电机相比，并没有本质的区别，可将其看作为将旋转电机沿圆周方向拉开展平的产物。如图1所示，对应于旋转电机的定子部分，称为直线电机的初级，而对应于旋转电机的转子部分，称为直线电机的次级。当多相交变电流通入多相对称绕组时，会在直线电机初级和次级之间的气隙中产生一个行波磁场，从而使初级和次级之间产生相对移动。当然，在初级和次级之间还存在垂直力，它可以是吸引力，也可以是推斥力。

(a)旋转电机         (b)直线电机
图1 旋转电机展平为直线电机

直线电机有直流直线电机、步进直线电机和交流直线电机三大类，在机床上主要使用交流直线电机。在励磁方式上，交流直线电机又可分为永磁（同步）式和感应（异步）式两种。由于感应式直线电机在不通电时没有磁性，有利于机床的安装、使用和维护，其性能也已接近永磁式直线电机的水平，因而其在机械行业的应用受到欢迎。

在结构上，直线电机有如图2所示的短次级和短初级两种形式。为减小发热量和降低成本，一般采用图8-9b所示的短初级结构。

(a)短次级         (b)短初级
图2 直线电机的形式

2．直线电机驱动的进给系统特点

1—次级冷却板   2—滚动导轨   3—初级冷却板   4—工作台
5—位置测量系统   6—初级   7—次级   8—床身
图3 直线电机驱动的进给系统nextpage

图3为感应式直线电机驱动的进给系统，它具有如下主要特点：

1）速度高。由于工作台由电机直接驱动，没有中间的机械传动元件，因而可达到很高的进给速度，其值可达到80~180m/min；

2）加速度大。由于直线电机结构简单、重量轻、响应速度快，因而可灵敏实现加速和减速，其加速度可达2~10g(g为重力加速度)；

3）定位精度高。由于直线电机进给系统一般采用光栅尺作为工作台的位置测量元件，且为闭环控制，因而定位精度高，可达0.1~0.01μm；

4）行程不受限制。由于直线电机的次级是通过一段段连续拼接安装在机床床身上的，因而不论多长，初级(即工作台)都可到达，且对整个系统的刚度没有影响。

5）动态刚度高。由于系统在动力传动中没有低效率的中间传动部件，因而可获得很好的动态刚度。

当然，直线电机在机床上的应用也存在一些问题，比如：当负荷变化大时，需要重新整定系统；用于垂直进给轴时，由于没有机械连接或啮合，需外加平衡块或制动器；磁铁（或线圈）对电机部件的吸力很大，应注意选择导轨和设计滑架。

3．直线电机的基本参数

直线电机的基本参数包括：电机的长度、宽度、高度、连续力和峰值力。表8-2列出了瑞士ETEL公司生产的LMA系列直线电机的型号和基本参数。

表1 瑞士ETEL公司生产的LMA系列直线电机的型号和基本参数

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>型号

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>宽

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>/mm

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>连续力

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>（80^oC）

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>N

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>连续力

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>（130^oC）

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>/N

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>峰值力

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>2.2

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>200.2

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>81

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>747

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>1844

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>9.3

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>LMA-11-200

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>200

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>231

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>60

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>2459

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>12.3

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>LMA-22-030

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>61

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>54

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>552.2

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>56

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>13.2

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>552.2

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>58

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>1112

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>18.3

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二、力矩电机驱动的进给系统

1．力矩电机的结构

力矩电机类似于直线电机，是一种基于同步驱动技术的直接驱动器。如图4所示，它由定子、转子、水冷却系统等组成。转子为一镶有永久磁铁的钢环，为了防止腐蚀，其上镀有镍合金。定子由铝合金制成，上面绕有密实的多极线圈。水冷却通道直接加工在定子体上，通过循环水带走电机运转产生的热量。

1—转子   2—O型密封圈   3—定子   4—壳体   5—冷却水出入口
6—定子线圈   7—冷却水沟槽   8—电源线   9—磁铁
图4 力矩电机结构示意图