基于直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床驅(qū)動控制技術(shù)

摘要：針對傳統(tǒng)傳動鏈中作為動力源的電動機(jī)的不足，提出了直線電機(jī)。分析了直線電機(jī)原理、特點(diǎn)，介紹了基于直線電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)。通過對比傳統(tǒng)控制技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、智能控制技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，提出了采用直線電機(jī)位置控制器解決在數(shù)控機(jī)床中活塞車削數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)和精度問題。設(shè)計采用了PC機(jī)與開放式可編程運(yùn)動控制器構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)。結(jié)果表明，利用直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動平穩(wěn)、噪聲小，運(yùn)動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠等特性，采用直線電機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)使數(shù)控機(jī)床驅(qū)動控制技術(shù)獲得新發(fā)展。
關(guān)鍵詞：直線；電機(jī)；數(shù)控機(jī)床；驅(qū)動；控制技術(shù)

0 引言
    數(shù)控機(jī)床正在向高精密、高速、高復(fù)合、高智能和環(huán)保的方向發(fā)展。高精密和高速加工對傳動及其控制提出了更高的要求：更高的動態(tài)特性和控制精度，更高的進(jìn)給速度和加速度，更低的振動噪聲和更小的磨損。在傳統(tǒng)的傳動鏈中，作為動力源的電動機(jī)要通過齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動環(huán)節(jié)才能將動力送達(dá)工作部件。在這些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動慣量、彈性變形、反向間隙、運(yùn)動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過不斷的改進(jìn)使傳動性能有所提高，但問題很難從根本上解決，于是出現(xiàn)了“直接傳動”的概念，即取消從電動機(jī)到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線電機(jī)、力矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動的“直接傳動”概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并日益顯示出巨大的優(yōu)越性。直線電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動上的應(yīng)用，使機(jī)床的傳動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機(jī)床性能有了新的飛躍。

1 直線電機(jī)
1．1 直線電機(jī)工作原理
    所謂線性馬達(dá)又稱為直線電機(jī)，是一種將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿軸線方向切開后，將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的初級展開作為直線電機(jī)(線性馬達(dá))的定子，次級通電后在電磁力的作用下沿著初級做直線運(yùn)動，稱為直線電機(jī)(線性馬達(dá))的轉(zhuǎn)子，如圖1所示。直線電機(jī)作為一種傳動裝置，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

1．2 直線電機(jī)的特點(diǎn)
    根據(jù)直線電機(jī)概念、原理，認(rèn)識直線電機(jī)應(yīng)把握以下特點(diǎn)：
    (1)進(jìn)給速度范圍寬。可覆蓋從1 mm／s～20 m／min以上的速度范圍，目前加工中心的快進(jìn)速度已達(dá)208 m／min，而傳統(tǒng)機(jī)床快進(jìn)速度小于60 m／min，一般為20～30 m／min。
    (2)速度特性好。速度偏差可達(dá)0．01％以下，加速度大，直線電機(jī)最大加速度可達(dá)30 g，目前加工中心的進(jìn)給加速度已達(dá)3．24 g，激光加工機(jī)給加速度已達(dá)5 g，而傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給加速度在1 g以下，一般為0．3 g。
    (3)定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達(dá)0．1～0．01 mm。應(yīng)用前饋控制的直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運(yùn)動部件的動態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補(bǔ)控制的精細(xì)化，可實(shí)現(xiàn)納米級控制。
    (4)行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動受絲杠制造工藝限制，一般為4～6 m，更長的行程需要接長絲杠，無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機(jī)驅(qū)動，定子可無限加長，且制造工藝簡單，已有大型高速加工中心x軸長達(dá)40 m以上。另外，直線電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動平穩(wěn)、噪聲小、運(yùn)動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2 直線電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)
    一個直線電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不僅是性能良好的直線電機(jī)，還必須是能在安全可靠的條件下實(shí)現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)要求的控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術(shù)與微計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)的控制方法越來越多。對直線電機(jī)控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統(tǒng)控制技術(shù)，二是現(xiàn)代控制技術(shù)，三是智能控制技術(shù)。
    傳統(tǒng)的控制技術(shù)如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中PID控制蘊(yùn)涵動態(tài)控制過程中的過去、現(xiàn)在和未來的信息，而且配置幾乎為最優(yōu)，具有較強(qiáng)的魯棒性，是交流伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術(shù)。
    在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運(yùn)行環(huán)境是確定不變的條件下，采用傳統(tǒng)控制技術(shù)是簡單有效的。但是在高精度微進(jìn)給的高性能場合，就必須考慮對象結(jié)構(gòu)與參數(shù)的變化。各種非線性的影響，運(yùn)行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時變和不確定因數(shù)，才能得到滿意的控制效果。因此，現(xiàn)代控制技術(shù)在直線伺服電機(jī)控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制及智能控制。
    近年來模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法也被引入直線電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID、H∞控制等現(xiàn)有的成熟的控制方法相結(jié)合，取長補(bǔ)短，以獲得更好的控制性能。

3 直線電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)應(yīng)用
3．1 活塞車削數(shù)控系統(tǒng)
    在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動機(jī)直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(拖板)之間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為“零傳動”。正是由于這種“零傳動”方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。其一，高速響應(yīng)。由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機(jī)械傳動件(如絲杠等)，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。其二，精度高。直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減少了插補(bǔ)運(yùn)動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機(jī)床的定位精度。采用直線電機(jī)的直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)由于具有響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于異型截面工件的CNC車削和磨削加工中。針對產(chǎn)量最大的非圓截面零件，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)非圓切削研究中心開發(fā)了基于直線電機(jī)的高頻響大行程數(shù)控進(jìn)給單元。當(dāng)用于數(shù)控活塞機(jī)床時，工作臺尺寸為600 mm×320 mm，行程為100 mm，最大推力為160 N，最大加速度可達(dá)13 g。由于直線電機(jī)動子和工作臺已固定在一起，所以只能采用閉環(huán)控制，該單元的控制系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

    這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。采用高精度光柵尺作為位置檢測元件。定位精度取決于光柵的分辨率，系統(tǒng)的機(jī)械誤差可以由反饋消除，獲得較高的精度。
3．2 采用直線電機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)
    采用PC機(jī)與開放式可編程運(yùn)動控制器構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，以通用微機(jī)及Windows操作系統(tǒng)為平臺，用PC機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)插件形式的運(yùn)動控制器為控制核心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放?；谥本€電機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖3所示。

    系統(tǒng)采用在PC機(jī)的擴(kuò)展槽中插入PCI-8132型運(yùn)動控制卡的方案，由PC機(jī)、運(yùn)動控制卡、伺服驅(qū)動器、直線電機(jī)、數(shù)控工作臺等部分組成。其中，數(shù)控工作臺由直線電機(jī)驅(qū)動，伺服控制和機(jī)床邏輯控制均由運(yùn)動控制器完成，運(yùn)動控制器可編程，以運(yùn)動子程序的方式解釋執(zhí)行數(shù)控程序(G代碼等，支持用戶擴(kuò)展)。PCI-8132是具有PCI接口的2軸運(yùn)動控制卡。它能產(chǎn)生高頻脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，控制2個軸的電機(jī)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)直線和圓弧插補(bǔ)。在數(shù)控加工中，提供位置反饋。當(dāng)今的工業(yè)控制技術(shù)中PCI總線漸漸地取代了ISA總線，成為主流總線形式，它有很多優(yōu)點(diǎn)，如即插即用(Plug and Play)、中斷共享等，為用戶提供了極大的方便，是目前PC機(jī)上最先進(jìn)、最通用的一種總線。

4 采用直線電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件
    系統(tǒng)軟件在Windows平臺上開發(fā)。采用模塊化程序設(shè)計，由用戶輸入輸出界面、預(yù)處理模塊等組成。用戶輸入輸出界面實(shí)現(xiàn)用戶的輸入、系統(tǒng)的輸出。用戶輸入的主要功能是讓用戶輸入數(shù)控代碼，發(fā)出控制命令，進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)配置，生成數(shù)控機(jī)床零件加工程序(G代碼指令)。預(yù)處理模塊讀取G代碼指令后，通過編譯生成能夠讓PCI-8132運(yùn)動控制卡運(yùn)行的程序，從而驅(qū)動直線電機(jī)，完成直線或圓弧插補(bǔ)。讀取G代碼的過程是首先進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，然后讀取G代碼，程序流程如圖4所示。

    系統(tǒng)選用PARKER406LXR系列直線電機(jī)。對于兩坐標(biāo)數(shù)控工作臺，x向選用406T07型直線電機(jī)，行程為550 mm，y向選用406T05型直線電機(jī)，行程為450mm。

5 結(jié)論
    采用直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)已在不同種類的機(jī)床上得到應(yīng)用。直線電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟，具有傳統(tǒng)傳動裝置無法比擬的優(yōu)越性能。過去人們所擔(dān)心的直線電機(jī)推力小、體積大、溫升高、可靠性差、不安全、難安裝、難防護(hù)等問題，隨著電機(jī)制造技術(shù)的改進(jìn)，有關(guān)問題相應(yīng)解決。而驅(qū)動與控制技術(shù)的發(fā)展又為其性能拓展和安全性提供了保證。選擇合適的直線電機(jī)及驅(qū)動控制系統(tǒng)，配以合理的機(jī)床設(shè)計，完全可以設(shè)計制造出高性能、高可靠性的數(shù)控機(jī)床。