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精品驱动精灵驱动人生驱动之家声卡驱动万能 ,,, ,年全国直线电机、现代驱动及系统学术年会论文集 机床用直线电机驱动系统与测试平台研究 易倩颖,，金勇,，刘晓‟，叶云岳, ,(浙江大学电气工程学院，浙江杭州,,,,,, ,(浙江省技术监督研究院，浙江杭州,,,,,,摘要:本文针对直线电机直接驱动的机床进给系统，介绍了采用直线电机进给系统的优缺点、国内外应用现状以及机床用直线电机的特点，分析了直线电机直接驱动带来的主要问题，着重研究目前机床用直线电机驱动系统中实际运用的控制以及提高系统伺服性能的控制策略研究方向。最后，提出了两种永磁直线电机的测试平台，可以测量定位精度、重复定位精度、动态推力、反电动势波形以及连续堵动推力波动系数等直线电机参数。关键词:直线电机直接驱动数控机床机床进给系统测试平台,(引言 随着超高速切削、超精密加工等先进制造技术的发展，对数控加工性能指标的要求也不断提高。如今，高速度、高加速度、高定位精度已成为数控加工的重要发展趋势，而传统“旋转电机，滚珠丝杆”的传动方式由于自身限制，在这些性能指标上难有突破性提高。近年来，采用“零传动”的直线电机直接驱动方式，取消了一切中间传动环节，克服了传统传动方式的弊端，能够显著提高进给系统的响应能力和定位精度，为新一代数控机床的发展带来了勃勃生机。,(采用直线电机进给系统的优势与特点,。,应甬现状 在国外，直线电机进给系统已在多种机床上成功应用。,,,,年德国,,;,,,,公司推出了世界上第一台直线驱动机床，这台,,,(,,,高速卧式加工中心在,个坐标轴均采用，,,舳,,公司的直线感应电机，最高速度达,,，，,,,,,，最大加速度,,，进给速度为,,删,,,，,时，加工精度达到,啪，?。随后，美国，,,,,,,,,公司推出了,?以,,,加工中心，采用,,,,,公司生产的永磁直线电动机，最高进给速度,,(,删，,,，,，加速度可达,—,(,一?。在日本，直线电机在机床的应用正逐渐广泛，日趋成为机床生产商供应的主流实用机床,,,。,,,,年意大利举行的国际机床展上，德国【),，,公司展品多为直线电机驱动，且大批高速加工中心均采用直线电机驱动技术,,,，可见，直接驱动进一步成为了高性能机床的重要技术手段。 在国内，直线电机驱动在机床的应用尚处于样机的研发阶段，从,,年代开始，清华大学、浙江大学、沈阳工业大学等高校对直线电机在机床应用的技术作了相关研究，取得了一定成果。浙江大学与一些企业合作开发了由直线电机驱动的磨床、压力机、锯床、雕刻机、坐标测量机、线切割机床等,,,。清华大学制造工程研究所自,,,,年开始研究机床进给系统的永磁交流直线伺服系统，目前，已经研制出的样机最大推力,,,,,，最大运动速度,,删，,,,，加速度,,，全程范围内定位精度,啪，重复定位精度,,,【,】。广州工业大学超高速加工与机床研究室开发了由直线感应电机驱动的,胁,型高速数控机床进给单元，额定推力,,,,,，最高进给速度,,, ,，,,，,，定位精度,啪【,】。 目前，就国际市场看，直线电机进给技术在机床中实际应用主要为高性能加工中心，除此之外，还被应用在数控车床、铣床、磨床、锯床、等离子切割机、坐标测量仪、水喷射切割机、电火花机床以及激光加工机床等。由于采用直线电机直接驱动的机床造价仍然比较昂贵，所以直线电机的应用应着眼于 第,,,页,共,,,页 ,,,,年全国直线电机、现代驱动及系统学术年会论文集高性能机床【,,，特别是精密高速加工机床、特种加工机床、复合加工机床，以有效克服传统传动方式的弊端，取得在速度、加速度以及定位精度等性能指标上的突破。 一般来说，直线电机进给技术适用的加工场合主要有: ,)要求高速、超高速、高加速度以及生产批量大、定位运动多的加工场合，如汽车零部件生产、，,产业生产线和精密、复杂的模具制造等【,,。直线电机直接驱动是实现高速切削技术的途径，能有效提高加工精度和效率，降低大批量产品生产的成本，实现高精度、高动态特性的快速定位运动。克莱斯勒汽车公司购买了,台美国,,,,,,,,公司的酊,,，?,卧式加工中心，)?汜坐标轴进给系统均为直线电机驱动，主轴转速,,,,,,,,,,,，这,台加工中心每天能够生产,,,个高级汽车发动机汽缸盖，相当于,,台非直线电机驱动的加工中心的生产量【引。 ,)超长行程、高速加工以及特殊加工场合，例如航空航天制造业中的轻合金、薄壁和金属去除率大的整体构件加工【,】。对于采用永磁直线电机的直线进给系统，需要在整个超长行程范围内铺上永磁体，造价昂贵。美国,,,,;,，,,,, ,,, ,;〕唧,公司的,,,,,,订,;,高速加工中心，,轴行程长达,,,，能将整体铝块镂空成大型薄壁飞机零件,,】，仅需,,分钟，若用一般高速铣床加工需,小时，用普通数控铣床加工则需要,小时。至,,,,年，意大利,,,,公司的,,,,系列直线驱动产品已占全公司总产量的,,,，该公司为航宇和模具制造业生产的大型高速铣床产品【,,，可使加工时间减少一半。 ,)精密、超精密加工场合，例如电火花加工机床、激光加工机床、数控非圆车床、数控纳米机床、曲轴磨床、凸轮磨床等。在高精密加工场合中，不仅要求高速、高加速度特性，对进给系统分辨率的要求也很高，例如单脉冲移动量达到,(,,啪，这样才能加工出成形精度很高的非球面零件。,陀;,,,;,公司生产的超精密机床,,,,,,咖,,, ,,舰，加工的表面粗糙度达到,衄，面形精度达到,(,,,,,,。,(,直线电机直接驱动的优缺点 应用直线电机直接驱动的机床进给系统，避免了丝杆传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点【,】，其优点主要表现在以下几个方面: ,)动态响应快。滚珠丝杆等机械传动机构的取消，使得系统弹性形变和运动惯量大大减小，整个闭环伺服系统的动态响应性能大大提高。应用于机床进给系统的直线电机，最大进给速度可达,,之,,删，,,,，加速度可达,,, ,,。 ,)定位精度高。直线进给系统中，一般以高精度光栅为定位元件，采用闭环控制策略，使得工作台的定位精度高达,(,—,(,,啪。而传统丝杆由于工艺限制，精度一般为,,,啪，还可能会因为摩擦磨损引起精度渐变。此外，由于取消了丝杆等机械传动机构，能够减少传动系统滞后所带来的跟踪误差【,,。 ,)传动刚度高、推力平稳。中间传动环节的取消，大大提高了系统的传动刚度。直线电动机的布局，可根据机床导轨的形面结构及其工作台运动时的受力情况来布置，通常设计为均布对称结构,,,。 ,)行程长度不受限制。直线电动机的定子是分段安装在导轨上的，可以通过增加定子段数来加长动子的行程范围。直线电机的动子和定子一般都是独立封装、分开订货的，模块化程度很高。 ,)运动噪声低，加工效率高。采用直线电机直接驱动，减少了丝杆传动的运行噪声和机械传动损耗，改善了机床的加工环境，提高整个系统的加工效率。 直线电机直接驱动的机床进给系统在具有传统丝杆传动方式所无法比拟的某些高性能指标的同时，也存在不少需要解决的问题: 第,,,页,共,,,页 ,,,,年全国直线电机、现代驱动及系统学术年会论文集 ,)增加了控制上的难度。负载侧的扰动以及系统参数变化等不确定因素将毫无缓冲地作用于直线伺服系统，对控制系统鲁棒性提出 了更高的要求。 ,)散热问题。直线电动机在进行电磁能量转换的过程中将产生温升，而直线电机一般位于机床的腹部，散热条件较差，尤其采用感应式直线电机时，发热向题就更为严重。同时床身导轨问安装有直线电动机的定子部件，温升严重时会引起导轨的热变形，影响电机的性能和机床的工作精度。因此，冷却系统的设计也十分重要。 ,)隔磁问题。直线电机的磁场是敞开式的，尤其永磁直线电动机的定子为一排磁性很强的永磁体。加工过程中，铁屑和刀具等磁性材料容易被磁场吸引，若磁性碎屑被吸入到直线电机的气隙中，将使电机无法正常工作。对于直线电机必须安装在加工区内的机床系统【,,，防磁问题是必须要考虑的。 ,)垂直进给时的自重问题。当,轴也使用直线电机进给时，加工时必须要考虑重力加速度影响，此外还需解决好直线电动机的断电自锁问题。,(机床进给系统采用的直线电机 目前，在数控机床上应用的直线电机主要为直线感应电动机和永磁直线电动机，在结构上通常为平面型和圆筒型两种，平面型结构又有单边、双边之分。采用双边型结构可以有效解决单边磁拉力问题，但是结构更为复杂。具体选择哪一种电动机作为机床的驱动部件，需综合考虑最大速度、最大加速度、额定推力、峰值推力等性能指标，根据实际加工要求来决定。 直线感应电动机次级结构简单、制造成本低、安装和除屑容易，相对适用于较长行程的加工场合。其缺点在于发热问题严重、效率低、推力密度小。通常采用平面型结构，将安装有三相绕组的初级作为动子，次级板为定子。 近代永磁体材料的突破性进展大大促进了永磁体在电动机中的应用，永磁直线电动机利用高能永磁体，具有推力密度高、损耗低、发热少、时间常数小、响应快速等优点，十分适合要求大推力、高加速度的应用场合。通常将该电动机的初级作为动子，次级永磁体作为定子。但由于定子为磁性很强的永磁体，容易吸引铁屑，必须采取可靠的隔磁防护措施。此外，永磁体也存在装配困难和退磁的问题。相比于直线感应电动机和直线步进电机，永磁同步直线电机在推力、速度、定位精度、效率?确矫婢哂懈嗟挠攀疲诘退傧氯阅芷轿仍硕荆福欤且恢直冉侠硐氲闹毕咚欧缍壳耙殉晌灿弥毕叩缁闹髁鳌,矗灿弥毕叩缁低车目刂撇呗裕矗敝毕叩缁苯忧吹模橐盘?机床直线进给系统中的直线电动机，是运动控制执行部件，并且作为位置或者速度伺服来使用的【,,。直线电机的定子铁心在两边端部断开，具有“端部效应”，是引起推力波动的因素之一。另外，由于去除了中间传动结构，控制模型的摄动、负载扰动等不确定因素将无缓冲地反映到直线电机的运动控制中，影响了控制系统的伺服性能，增加了控制上的困难。此外，散热、制动、防尘以及隔磁等问题也需要妥善处理。 直线电机运动部件在加工过程中受到负载力、滚动摩擦力、粘滞阻力以及各种不可测因素引起的干 第,,,页,共,,,页 ,,,,年全国直线电机、现代驱动及系统学术年会论文集扰力„,,,，导致推力波动的因素有很多，主要可以分为系统外部扰动和内部扰动,,,,。系统外部扰动主要包括负载阻力扰动和摩擦扰动【,,,，负载扰动具有很大的不确定性，工作台负载的变化对稳定中的系统而言相当于扰动，摩擦扰动具有非线性特征，随着速度变化而变化。内部扰动主要是由系统结构、参数变化等造成的，包括端部效应、齿槽效应等。这些扰动量都将直接影响系统的伺服性能，引起推力波动，对控制系统的鲁棒性提出更高的要求。,(,控钠策略 鉴于直线电机进给系统受系统参数摄动、负载扰动等多种不确定因素直接影响，传统,，,控制已不能满足控制需求，需要采用一些强鲁棒性的控制策略?蛘卟扇?恍?钩ゴ胧 荆臁浚蕴岣呦低车奈榷ㄐ院涂垢扇拍芰Α,送猓刂葡低郴剐枰焖俚馗俑 虼嗽谘?】刂撇呗允保枰酆峡悸窍低车母倌芰投酝獠咳哦?低巢问愣目垢扇拍芰Α?国内外就直线电机控制策略的研究成果很多，例如滑模变结构控制、自适应控制、,?鲁棒控制、模糊控制等，但很多控制策略还只停留在理论研究阶段。目前，以零极点配置的,，,和前馈控制为基础的控制方法仍然是实际产品中应用最为广泛的，形式完备的现代控制和智能控制尚未在实际产品中应用吲。现代控制的理论研究成果很多，但是算法复杂，实用性不强。智能控制作为新一代控制策略，自适应性和鲁棒性强，但实现起来较为复杂，并且控制效果很大程度取决于专家。 目前，在大部分直线电机直接驱动的机床中，均采用以肋为基础的控制策略。控制器包含有控制速度的,，环节、控制位置的,环节、阶式滤波器、摩擦补偿器以及前馈补偿【,,,。摩擦补偿和前馈补偿的引入，使得控制器对模型的非线性及不确定性的适应能力增强，提高了控制系统的鲁棒性。基于经典控制的控制策略具有结构简单、适用范围广以及参数易于调整等优点【,,,，在工业应用中仍然具有重要地位。 在高精度微进给的加工场合，非线性因素、负载扰动以及模型参数变化将更显著地反映到运动部件的运动中，对伺服系统鲁棒性的要求更高。现代控制方法因具有高鲁棒性，受到了很大的重视。近年来，引入干扰观测器和摩擦补偿的鲁棒控制器设计成为了重要的研究方向【,,,。目前研究较多的鲁棒控制有滑模变结构控制、自适应控制和,?鲁棒控制: 滑模变结构控制是一种特殊的不连续的非线性控制，最大的优点在于其可以实现滑动模态与系统的外部干扰和参数摄动完全无关，非常适合直线电机进给系统控制。但是，由于现实的滑模变结构控制系统在“结构”切换过程中存在时间和空间的滞后以及惯性影响，会产生抖振【,?。抖振不仅影响控制精度，增加能耗，而且系统中的高频未建模动态很容易被激发，降低系统性能，甚至使系统产生振荡和失稳，消除抖振是不可能的，只能考虑在一定程度上削弱它【,,】。外界干扰和不确定因素是抖振的主要来源，因此引入干扰观测器可以有效削弱抖振。付子义等提出了一种基于神经网络推力观测器的滑模控制器【,,】，控制框图如图,所示。它在传统线性推力观测器的基础上并联一个神经网络观测器，对系统进行扰动补偿，仿真结果表明，可以有效消除抖振，大大提高伺服系统对系统参数摄动和外部扰动的鲁棒性，保证了系统的伺服精度。 ,?鲁棒控制是根据系统模型以及扰动的范围来进行鲁棒设计，使得闭环系统稳定且扰动对输出的影响最小或小于某一给定值。,?控制是基于结构不确定性的鲁棒理论，对模型参数不确定性不具有抗干扰能力，因此一般将,?鲁棒控制与其他控制策略相结合，使得系统具有抗干扰性强以及对模型摄动 第,,,页,共,,,页 ,,,,年全国直线电机、现代驱动及系统学术年会论文集具有较强适应力等特点。例如，郭庆鼎等将变增益零相位误差跟踪控制与,?鲁棒控制相结合，利用零相位误差跟踪控制克服建模误差、系统参数变化等扰动，同时,?鲁棒控制能够克服负载扰动等不确定影响，大大提高了整个控制系统的鲁棒性„,,,。 图,基于神经网络推力观测器的滑模控制系统结构图,。机床用永磁直线电动机测试平台,(,基于旋转电机暗酒的永磁直线电动机溺试 为了得到机床用直线电机进给系统的性能指标，需要开发测试平台，以对直线电动机的各项性能进行测试。由于目前机床上采用的直线电机大部分为永磁直线电机，本文仅以永磁直线电动机为例。图,是一个基于旋转电机陪测的永磁直线电机测试系统【,,,，整个系统组成为: 上位机、测试台、永磁直线电机及加载装置、测量装置、数据采集系统、各接口电路、驱动电路以及冷却系统等。该测试系统可以测量绕组电感、电气时间常数、最大静摩擦力、反电动势波形、额定电流、额定推力以及额定数据时冷却系统压力和流量、额定负载下初级线圈温升与冷却流量关系曲线、连续堵动推力波动系数(自然冷却)、峰值推力以及最大持续时间掣,,】。下面简述最大静摩擦力、反电动势波形和连续堵动推力波动系数的测量: 为测量行程范围内任一点上电机恰好开始运动所需克服的阻力，首先利用旋转电机位置闭环经丝杆带动直线电机运动到指定位置并停止，然后重新起动旋转电机，利用光栅检测直线电机恰好开始运动的瞬间，这一瞬间压力传感器的推力信号其实就是这一点上的最大静摩擦力与磁阻力的和。 反电动势波形中的谐波成分会引起推力波动，可以通过测量反电势波形判断电机磁路设计是否合理【,,,。在实验中，给定旋转电机的转速使得直线电机在一定的速度下运行，利用电压传感器测量线反电势，上位机利用数据采集系统对电压信号进行采样，描绘反电势波形，并且对其进行谐波分析。 在测量连续堵动推力波动系数时，需将直线电机一个极距分割成若干等距点。旋转电机工作在位置环，经丝杠带动直线电机在各个分割点定位并锁定【,,。在位置锁定期间，直线电机通过电流闭环使电机的电流跟踪给定值，读取该电流作用下各个分割点的推力，得到一个极距范围内的位置一推力曲线。这条曲线可以反映了电机和伺服驱动器之间的匹配性能和直线电机推力的平稳性【,,】。 第,,,页,共,,,页 ,,,,年全国直线电机、现代驱动及系统学术年会论文集 图,基于旋转电机陪测的永磁直线电机测试系统 (,(丝杆;,,压力传感器;,,直线电机初级; 尴杆螺母;,,光栅读数头;,直线光栅;,(旋转电动机;,(旋转编码器),, , ,线电祝动态箍力和定位糖凌溉试 图,所示的测试平台只能测蕾静态推力，若要进行动态推力涮量需利用图,的实验装置。直线电动机的动子上安装有钢丝绳，钢丝绳经滑轮与重物连接，是直线电动机的负载。在直线电机带动负载动态运动的过程中，忽略滑轮摩擦和导轨摩擦时，动子受钢丝绳拉力以及推力作用，负载受重力和钢丝绳拉力作用，钢丝绳拉力可以通过力传感器获得，动子的加速度可由负载侧的受力计算得到，为: ,,一,球。,:, (” ,:一，,,:, (,)其中，,】为电机推力，,,为钢丝绳拉力，,,为动子质量，,,为重物质量。 (卜滑轮;,(负载;,(力传感器;舢直线电机初级, ,(光栅读数头;,直线光栅) 周,直线电机动态推力测量装置 另外，利用直线光栅和激光干涉仪可以测量直线电机进给系统的定位精度。以图,所示装置为例，利用直线电机驱动系统，以光栅澜,量的位移量为反馈。使壹线电机运动到目标位置后停止，同时利用激光干涉仪读取实际位移，就可以得到进给系统的定位精度。,结论 采片,直线电机直接驱动的机床进给系统，具有传统丝杆传动所不可比拟的一些优势，是实现高性能 第, ,，页腆,,,页 ,,,,年全国直线电机、现代驱动及系统学术年会论文集机床加工的有效途径，具有广阔的发展前景。随着直线电机理论研究的不断深入和实践，采用直线电机直接驱动技术的机床性能也在不断提升，伺服系统的控制器设计也有很大发展，目前在直线电机直接驱动进给系统中，采用,，,与补偿相结合的控制方法已经能够达到较好的控制效果，控制系统的伺服性能可以满足较高精度的加工要求。如何通过优化控制器设计来提高进给系统的伺服性能，仍将是直线电机在高速、高精密机床进给系统中应用的主要热点和难点。 参考文献 夏加宽，刘晓霞等(机床进给 用直接驱动直线伺服电动机(制造技术与机床，,,,,年第,期:,,,,?, 唐振宇，李锻能(高速加工与直线电机在数控机床的应用(机电工程技术，,,,,年第,,卷第,,期:,,(,,(, 叶云岳(直线电机在现代机床业中的应用与发展(电机技术‟,,,,年第,期:,,,(, 李绪成(直线电机在数控机床中的应用及发展趋势(、,—,,，,,,,年第,期:,,,,,(, 郭彬(同台亮相各显亮点—谈高速滚珠丝杠副和直线电机的互补与应用(数控机床市场，,,,,年第,期:,,,,,(, 徐昌语，刘勇，张建明，罗松保(直线电机在超精密加工技术中的应用和发展(航空精密制造技术，,,,,年第,,卷第, 期:,,(,,(, 蒋朝霞(直线电机在数控车床上的应用(电机与控制应用，,,,,年第,,卷第,,期:,,,,,(, 潘超，左健民，汪木兰(直线电动机在数控机床中应用的特殊性问题研究(机床与液压，,,,,年第,,卷第,,期:,,(,,(, 郭庆鼎，赵希梅(直线电动机在机床伺服驱动应用中的若干问题与展望(电气应用，,,,,年第,,卷第,期:,,,(,,,( , 石彦华(高速加工机床直接驱动进给系统动态分析及关键技术(机械工程师，,,,,年第,期:,,,,,( 刘坤，左健民，汪木兰(高速机床中直线进给系统控制策略综述(组合机床与自动化加工技术，,,,,年第,期:,,,( ,屹 ,删, ,咖( ,,;,, ,, ,,,;,,,,, ,,,,,,?岖,;;,,,,,醪 ,鼬，,,锄,,,,,,, ,,,掣懈,, ,,;,,，,,;,, ,,,,,硎,辱 ,,,即,;, ,,, ,，,,,,。,,,, ,劬,‟,, ,,付子义李华群，王振锋(基于神经网络推力观测器的永磁直线电机滑模控制(电气传动，,,,,年第,,卷第,,期:,,(,,( ,,赵希梅，郭庆鼎(永磁直线同步电动机的变增益零相位,?鲁棒跟踪控制(中国电机工程学报，,,,,，,,(,,):,,,(,,,( ,,李志慧，胡文海，杨雷，李富平(基于虚拟仪器的直线电机测试系统及其应用(电机与控制应用，,,,,，,,(,):,,掣( ,,杨树国，石忠东，穆欣(直线电机测试系统开发及性能分析(微特电机，,,,,第,期:,,(,,( 、 ,, ,,(脏,,,, ,,(,,,,,,， ,(,，,锄, ,(,,, ,,(,,,,,;伽由,,, ,, ,,;,,，,,(,如,,:, ,;,,,,(,砒,，, ,,,,,;锄 ,,,,,,, ,;?,,咄,,:,,(,,(,,,,)( ,, ,,删, ,,,,,,，,,;,?, ,(,,,,,?,;,,,,,,,眦,, , ,,,,,,,,;;, ,,, ;珊曲, ,?,,舱,,,，,, ,,，,,盯,,,,培(,,啪,, ,, ,,,;,,,,, ,,,;,豁,，,, ,,,,，,,,,留,,,(,,,,),,,,,,,( 作者简介: 易倩颖，女，浙江大学电气工程学院，,,？,锄,吨,,,,,,,(;啪(? 第,,,页,共,,,页.