新型线性电机及其在直线运动系统中应用

    摘  要：针对传统直线运动系统在某些场合下存在体积大、安装调试难度高、系统动态性不好的问题，提出了用一种新型线性电机控制直线运动的方法。该电机的特点是电机轴中空，丝杠可以直接穿过电机轴，在该电机控制的直线运动系统中，丝杠一般不动，电机在丝杠上平动，从而使运动系统具有安装调试方便、体积小、动态响应特性好等特点。

关键词：线性电机；  直线运动；  转动惯量

0  引言

直线运动控制系统被广泛地应用于各类数控机床、加工中心、电动执行机构、医疗仪器、舞台灯光等自动控制场合，具有很大的市场潜力。目前，能进行直线运动控制的方式通常包括两类：一类是直接用直线电机产生直线运动，另一类是通过转换机构将旋转电机的旋转运动转化为直线运动，转换机构一般包括丝杠螺母、齿轮齿条、蜗杆蜗母等。其中，直线电机具有运动惯量小、系统刚度大、高速度、高精度等特点，但它“除控制难度大(中间没有缓冲环节和存在端部效应)外，还必须解决散热、隔磁、足够的推力、自锁和移动部件轻量化等方面的问题，才能在机床上实际应用，同时成本较高也影响其推广应用”，因此，直线电机目前在普通自动控制设备中运用还不是很广泛。后者在各类自动控制设备中运用很广泛，但在某些场合下却存在运动系统体积大、安装调试难度高、系统动态性不好的问题。因此，对直线运动控制系统的研究是非常重要的。本文在对直线运动控制系统进行了深入的研究以后，提出了用一种新型电机进行直线运动控制的方法，并以实例详细介绍了这种直线运动控制系统的应用。

1  直线运动控制系统的基本要求

对直线运动控制系统的要求一般包括高速度、高精度、高刚度、无间隙、低摩擦、低惯量、传动系统机械结构简化等。例如，毕承恩的《现代数控机床》一书中指出，“数控机床的特点是自动化、大功率、高精度、高速度、高刚度、传动系统机械结构简化”。对数控机床运动控制系统的要求对于其他运动控制系统一般也是适用的，这些要求在直线运动控制系统的设计中应予以充分考虑。

2传统直线运动控制系统

传统直线运动控制系统一般由旋转电机、联轴节、丝杠、丝杠轴承、丝杠螺母、运动部件(如工作台、主轴箱、立柱等)等部分组成。

可以看出，改进后的电机是在旋转式电机的基础上，把电机轴做成空心，使用时丝杠穿过电机轴，丝杠螺母固定在电机轴上并随之一起转动，而丝杠两端与机架完全固定。当电机轴转动时，丝杠螺母将在丝杠上平动，并由此带动电机及负载一起运动。

丝杠螺母和电机轴之间的固定有两种方式：一种是直接将电机轴做成丝杠螺母；另一种是将电机轴两端伸出端盖，然后将丝杠螺母固定在伸出的电机轴两端。前者一般做成滑动丝杠螺母副，其突出特点是结构非常紧凑，具有停电自锁特性，适用于小体积设备，如电动执行机构中。后者一般做成滚动丝杠螺母副，其特点是当丝杠长度较长时，系统的转动惯量相对较小，适用于长丝杠运动系统中。

减少了联轴节以及若干轴承，结构大为简化，成本大幅度降低，丝杠穿过电机轴中心，不用调节二者同心，安装方便，结构紧凑；同时，由于系统中丝杠不转动，当丝杠长度较长时，系统转动惯量将大大减小。下面以110BYG五相混合式步进电机、200kg负载、公称直径32mm、导程5mm、长度2000mm的丝杠构成的直线运动控制系统为例对改进前后系统转动惯量作一比较。

改进前系统转动惯量主要包括转子、联轴节、丝杠、轴承的转动惯量和负载平动折合的转动惯量。改进后系统转动惯量主要包括转子、丝杠螺母转动惯量和负载平动折合的转动惯量。

改进后的系统转动惯量为改进前的60％，根据负载加速度

因此，系统动态响应特性大大提高。

4 系统在数控机床中的应用

在数控机床中，有的进给系统的丝杠很长，丝杠转动时其惯量非常大，严重影响系统的动态响应特性。此时可选用本改进型电机控制系统。

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