摘要：介紹直線(xiàn)電機在高速和超高速加工、超精密加工和異形截面加工等方向的應用?！　? 前言　　隨著(zhù)電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，高速度多功能的或專(zhuān)用的微處理器及信號處理器的大量涌現（如DSP），直線(xiàn)電機在機床領(lǐng)域的應用迎來(lái)了它的高潮。從1996年的美國芝加哥機床展覽會(huì )IMTS`96，日本第18屆國際機床展覽會(huì )，到1999年巴黎國際EMO博覽會(huì )等一系列國際有影響的展覽會(huì )上，美國的Ingerell milling公司，德國的西門(mén)子（IFNI），日本三精公司，美國的Kollmorgen公司等國際知名企業(yè)向人們展示了直流電機應用于各類(lèi)機床的強大的魅力，這預示著(zhù)直線(xiàn)電機開(kāi)辟的新時(shí)代已經(jīng)到來(lái)?！　? 在機床領(lǐng)域的應用　　2.1 在高速與超高速精密加工中的應用　　為了提高生產(chǎn)效率和改善零件的加工質(zhì)量而發(fā)展起來(lái)的高速和超高速加工，現在已成為機床發(fā)展的一個(gè)重大趨勢。一個(gè)反應靈敏、高速輕便的驅動(dòng)系統，速度要提高到40-50m/min以上，加減速也要求提高到25-50m/s2，傳統的“旋轉電機+滾軸絲杠”的傳動(dòng)形式顯然是不行的，這是由它自身的弱點(diǎn)決定的，因為中間傳動(dòng)環(huán)節的存在首先使剛度降低，彈性變形可使系統的階次變高，從而系統的魯棒性降低，伺服性能下降。彈性變形更是數控機床產(chǎn)生機機械諧振的根源。其次中間傳動(dòng)環(huán)節的存在，增加了運動(dòng)體的慣量，使得位移和速度響應變慢。另外諸如間隙死區、摩擦、誤差積累等因素，使得這種傳統的方式所能達到的最高進(jìn)給速度為30m/min，加速度僅3m/s2?！　《绷麟姍C直接驅動(dòng)所具有的優(yōu)點(diǎn)則恰恰可以彌補傳統傳動(dòng)方式的不足，其速度是滾軸絲桿副的30倍；加速度是滾軸絲桿副的10倍，最大可達10g，剛度提高了7倍；另外，直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)工作臺，所以無(wú)反向工作死區；由于電樞慣量小，所以由其構成的直線(xiàn)伺服系統可以達到較高的頻率響應（如100Hz）?！　?通過(guò)上述的比較，在高速和超高速精密加工中，直線(xiàn)電機的應用有著(zhù)廣泛的前景。目前，滿(mǎn)足機床大推力進(jìn)給部件要求的主要是交流直線(xiàn)電機，從勵磁方式分，可分為永磁（同步）式和感應（異步）式兩種。永磁式的次級（定子）是永久磁鋼，在機床上應用時(shí)，需在機床的床身上鋪設永久磁鋼，在工作臺下部反裝著(zhù)三相通電繞組，形成直線(xiàn)電機的初級（動(dòng)件）。而感應式初級與永磁式相同，但其次級是用電柵條來(lái)代替磁鋼，相當于把感應式旋轉電機的“鼠籠”沿其圓周展開(kāi)?！　∮来攀街本€(xiàn)電機在單位面積推力、功率因數、可控性等方面均要優(yōu)于感應式，但價(jià)格較昂貴，安裝調試、防塵等方面均不如感應式。美國Ingersoll銑床公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心HVM800的X、Y、Z軸均采用永磁式同步直線(xiàn)電機，最大進(jìn)給速度為76.2m/min，加速度α=1~1.5g?！　「袘街本€(xiàn)電機在性能上已接近于永磁式電機的水平，再加上其自身的優(yōu)點(diǎn)，所以越來(lái)越受到歡迎。在應用方面典型例子是德國Ex-cell-o公司開(kāi)發(fā)的XHC240型高速臥式加工中心，三個(gè)進(jìn)給軸均采用Indramat公司的感應式直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)進(jìn)給部件，快速移動(dòng)速度最高為60m/min，最大加速度為1g?！　≡诟咚倥c超高速加工領(lǐng)域中，直線(xiàn)電機除廣泛應用于高速銑床、曲軸車(chē)床、超精車(chē)床、磨床、激光車(chē)床等外，現在比較熱門(mén)的研究是將它應用于高速化的并聯(lián)機構，即六軸、三軸并聯(lián)結構機床，通過(guò)多根滑動(dòng)柱塞的伸縮來(lái)控制刀具，實(shí)現對復雜型面的高速加工。蘇黎世高等工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)出了具有新型結構的六滑塊機床，它將直線(xiàn)驅動(dòng)技術(shù)應用在該機床的高效銑削中。另外，俄羅斯的Lapik公司和美國的Ingersoll公司等均在這方面開(kāi)展了研究，并且形成了產(chǎn)品?！　?.2 在超精密加工中的應用　　超精密加工是制造業(yè)中的前沿科學(xué)，在工作尤其是國防工業(yè)中起著(zhù)舉足輕重的作用，巡航導彈的慣性制導裝置陀螺儀，雷達的關(guān)鍵器件波導管，衛星儀表上的精密軸承、大型集成電路等無(wú)不涉及到超精加工。在超精機床中，為進(jìn)行機床加工誤差的在線(xiàn)補償，以提高加工的形狀精度；為進(jìn)行某些特殊的非軸對稱(chēng)表面的加工，都需要微量進(jìn)給裝置，高精度微量進(jìn)給裝置現已成為超精機床的重要關(guān)鍵裝置?！　∧壳?，壓電陶瓷直線(xiàn)電機在精密微進(jìn)給裝置中有著(zhù)廣泛的應用，其原理就是利用電致伸縮效應。電致伸縮效應的變形量和電場(chǎng)強度的平方成正比。它能實(shí)現高剛度的無(wú)間隙位移；分辨力可達1.0~2.5nm；且變形系數大；有很高頻率，其響應時(shí)間達100μs。為增大行程，一般電機都是由多片晶體串疊在一起粘合使用，尺蠖式壓電陶瓷電機則是通過(guò)三個(gè)單獨控制的管狀陶瓷壓電器件組成，其中A、B作徑向伸縮，以便夾緊和松開(kāi)電機軸，而器件C作軸向伸縮，使電機軸產(chǎn)生軸向位移，實(shí)現步進(jìn)直線(xiàn)運動(dòng)?！　∶绹鳯LL國家實(shí)驗室的DTM-3大型金剛石車(chē)床和LODTM大型光學(xué)金剛石車(chē)床、英國Cranfieid公司的OAGM2500大型精密機床都已采用了電致伸縮式微量進(jìn)給裝置?！　〕暡妱?dòng)機（USM）是國內外日益受到重視的一種新型直接驅動(dòng)電機，廣義地說(shuō)也是一種壓電陶瓷電動(dòng)機，它利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將材料的微觀(guān)變形通過(guò)共振放大和摩擦耦合轉換成轉子或者滑塊的宏觀(guān)運動(dòng)，壓電陶瓷在適當的電壓作用下可以形成單一方向的運動(dòng)的行波。轉子以適當的壓力作用于彈性體表面上，則將在質(zhì)點(diǎn)摩擦力的驅動(dòng)下產(chǎn)生運動(dòng)。改變行波方向，則轉子反向?！　≡诔芗庸ぶ?，為了要加工出形狀精度高的非球曲面，要求超精機床的進(jìn)給驅動(dòng)系統有很高的分辨力，達到每脈沖移動(dòng)量為0.01μm，國外已有幾家著(zhù)名大公司擁有該產(chǎn)品，但對我國禁運。目前國內國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等正開(kāi)展此方面的研究。超聲波電動(dòng)機具有小型輕量、響應速度快、無(wú)電磁干擾以及低速大轉矩等特點(diǎn)，行程在10cm范圍內可取代傳統的電磁電機。帶有反饋閉環(huán)控制的步進(jìn)驅動(dòng)超聲電動(dòng)機，其步進(jìn)分辨率約0.01μm，有望代替機械式摩擦驅動(dòng)方式。日本東京大學(xué)研制的聲表面波式直線(xiàn)USM，步進(jìn)分辨力高達5nm?！　?.3 在異形截面加工領(lǐng)域中的應用　　采用直線(xiàn)電機的直線(xiàn)運動(dòng)，運動(dòng)機構由于具有響應快、精度高的特點(diǎn)，已成功地用于異型截面工件（汽車(chē)發(fā)動(dòng)機活塞、波瓣形軸承外環(huán)滾道、活塞環(huán)及凸輪等）的計算機控制的精密車(chē)削和磨削加工。與傳統的采用“靠?！奔庸ぎ愋蛢韧鈭A輪廓的方法相比，具有編程修改靈活、加工精度高的特點(diǎn)，十分適合多品種、小批量產(chǎn)品的加工?！　? 直線(xiàn)電機在機床上的應用實(shí)例　　下面以加工發(fā)動(dòng)機活塞為例來(lái)說(shuō)明?！　』钊前l(fā)動(dòng)機最關(guān)鍵部件之一，它在往復工作狀態(tài)下頭部和裙部各處溫升不同，變形嚴重不均勻。因此在常溫下把活塞截面設計成異型（近似橢圓）。