綜述用直線電動(dòng)機(jī)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)
| 非可從結(jié)構(gòu)和控制兩方面著手。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 直線電動(dòng)機(jī)包括初、次級(jí)磁路結(jié)構(gòu)以及支撐、傳感測量、冷卻、防塵、防護(hù)等機(jī)械結(jié)構(gòu)。 磁路設(shè)計(jì) 磁路設(shè)計(jì)最重要的任務(wù)是使電動(dòng)機(jī)的推力和推力波動(dòng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場分布的計(jì)算是磁路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，使得直線電動(dòng)機(jī)存在端部效應(yīng)，引起磁場的畸變，同時(shí)使用硅鋼片等軟磁材料來聚合磁路，媒質(zhì)邊界曲折交錯(cuò)、磁路復(fù)雜、非線性強(qiáng)。如果采用傳統(tǒng)的等效磁路法或圖解法進(jìn)行計(jì)算，將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，甚至是不可能的。因此目前普遍采用數(shù)值解法—主要是用有限元法（FEM）來計(jì)算直線電動(dòng)機(jī)的磁場分布，從而進(jìn)一步計(jì)算推力及其波動(dòng)以及垂直力等性能。目前市場上已經(jīng)有很多優(yōu)秀的電磁場FEM軟件可供選用，所以用FEM計(jì)算直線電動(dòng)機(jī)電磁場的關(guān)鍵點(diǎn)在于建立精確的有限元模型。 減少推力波動(dòng)是磁路設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)也是難點(diǎn)。推力波動(dòng)產(chǎn)生的原因有：初級(jí)電流和反電動(dòng)勢存在高次諧波、氣隙磁密波形非正弦、齒槽效應(yīng)、端部效應(yīng)等。通過優(yōu)化永磁鐵的形狀和排列方式、降低永磁勵(lì)磁磁密、初級(jí)采用無鐵心和多極結(jié)構(gòu)、增加槽的數(shù)目、加大氣隙等措施可以減小推力波動(dòng)，但某些措施會(huì)造成其它性能的減弱，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)要求，達(dá)到******效果。 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)涉及的問題很多，在這里我們只強(qiáng)調(diào)一下對冷卻系統(tǒng)的研究，因?yàn)檫@個(gè)問題很容易被忽略。其實(shí)熱特性是直線電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要特性，同一型號(hào)的電動(dòng)機(jī)有冷卻時(shí)的推力峰值是無冷卻時(shí)的兩倍，所以電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的好壞對電動(dòng)機(jī)的性能有很大的影響，從冷卻系統(tǒng)著手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高電動(dòng)機(jī)性能的一條捷徑。電動(dòng)機(jī)熱特性的分析一般也采用有限元法，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上對冷卻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 控制技術(shù)的研究 控制技術(shù)是直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。 直線伺服系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，這樣負(fù)載的變化就直接反作用于電動(dòng)機(jī)：外界擾動(dòng)，如工件或刀具質(zhì)量、切削力的變化等，也未經(jīng)衰減就直接作用于電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化也直接影響著電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行：直線導(dǎo)軌存在摩擦力：直線電動(dòng)機(jī)還存在齒槽效應(yīng)和端部效應(yīng)。這些因素都給直線電動(dòng)機(jī)的控制帶來困難。控制算法中必須要對這些擾動(dòng)予以抑制或補(bǔ)償，否則容易造成控制系統(tǒng)的失穩(wěn)。 總體來說，控制器的設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求：穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好。不同的直線電動(dòng)機(jī)或不同的應(yīng)用場合對控制算法會(huì)提出不同的要求，所以要根據(jù)具體情況采用合適的控制方法。目前直線伺服電動(dòng)機(jī)采用的控制策略主要有傳統(tǒng)的PID控制、解耦控制，現(xiàn)代控制方法如非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制、智能控制如模糊控制、人工智能（如人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）控制等。 可以看出，直線電動(dòng)機(jī)的控制算法運(yùn)算量大，而且在高速加工進(jìn)給系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，因此對整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)提出了很高的要求。要滿足這種要求，在優(yōu)化控制算法的同時(shí)，還應(yīng)采用高性能的硬件。在高速加工中心進(jìn)給系統(tǒng)中通常采用全數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以PC作為基本平臺(tái)，DSP實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)和伺服控制。 雖然直線電動(dòng)機(jī)的控制比旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)難度大得多，但他們的電磁特性和運(yùn)行原理基本相似，而旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的伺服控制技術(shù)已發(fā)展得比較成熟。所以在實(shí)驗(yàn)研究階段，為了盡快建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，我們也可以將旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的伺服控制器改造成直線電動(dòng)機(jī)的伺服控制器，這樣可以降低研制的成本和周期，對開發(fā)專用的直線電動(dòng)機(jī)伺服控制器也有指導(dǎo)意義。 試驗(yàn)研究理論研究是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但要確定電動(dòng)機(jī)的性能，歸根到底還要靠具體的試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)很成熟，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，但直線電動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)還沒有統(tǒng)一的方法。因此研究高效精確的直線電動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法也是一個(gè)很重要的課題，對理論研究也有促進(jìn)作用。試驗(yàn)研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于各項(xiàng)參數(shù)如速度、加速度、靜態(tài)力、動(dòng)態(tài)力、位移、溫度等的準(zhǔn)確測量，如果需要還要設(shè)計(jì)專門的試驗(yàn)臺(tái)。根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上制造出樣機(jī)，然后通過對樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。一臺(tái)性能優(yōu)良的直線電動(dòng)機(jī)往往要經(jīng)過多次反復(fù)計(jì)算、試驗(yàn)才能制造出來。 |
