基于直线电机的数控机床驱动控制技术

摘要：针对传统传动链中作为动力源的电动机的不足，提出了直线电机。分析了直线电机原理、特点，介绍了基于直线电机的驱动控制技术。通过对比传统控制技术、现代控制技术、智能控制技术优缺点，提出了采用直线电机位置控制器解决在数控机床中活塞车削数控系统的响应和精度问题。设计采用了PC机与开放式可编程运动控制器构成数控系统。结果表明，利用直线电机结构简单、运动平稳、噪声小，运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠等特性，采用直线电机的开放式数控系统使数控机床驱动控制技术获得新发展。
关键词：直线；电机；数控机床；驱动；控制技术

0 引言
    数控机床正在向高精密、高速、高复合、高智能和环保的方向发展。高精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求：更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。在传统的传动链中，作为动力源的电动机要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节才能将动力送达工作部件。在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于是出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示出巨大的优越性。直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机床性能有了新的飞跃。

1 直线电机
1．1 直线电机工作原理
    所谓线性马达又称为直线电机，是一种将传统的旋转电机沿轴线方向切开后，将旋转电机的初级展开作为直线电机(线性马达)的定子，次级通电后在电磁力的作用下沿着初级做直线运动，称为直线电机(线性马达)的转子，如图1所示。直线电机作为一种传动装置，能够将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构。

1．2 直线电机的特点
    根据直线电机概念、原理，认识直线电机应把握以下特点：
    (1)进给速度范围宽。可覆盖从1 mm／s～20 m／min以上的速度范围，目前加工中心的快进速度已达208 m／min，而传统机床快进速度小于60 m／min，一般为20～30 m／min。
    (2)速度特性好。速度偏差可达0．01％以下，加速度大，直线电机最大加速度可达30 g，目前加工中心的进给加速度已达3．24 g，激光加工机给加速度已达5 g，而传统机床进给加速度在1 g以下，一般为0．3 g。
    (3)定位精度高。采用光栅闭环控制，定位精度可达0．1～0．01 mm。应用前馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。由于运动部件的动态特性好，响应灵敏，加上插补控制的精细化，可实现纳米级控制。
    (4)行程不受限制。传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制，一般为4～6 m，更长的行程需要接长丝杠，无论从制造工艺还是在性能上都不理想。而采用直线电机驱动，定子可无限加长，且制造工艺简单，已有大型高速加工中心x轴长达40 m以上。另外，直线电机还具有结构简单、运动平稳、噪声小、运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠等优点。

2 直线电机的驱动控制技术
    一个直线电机应用系统不仅是性能良好的直线电机，还必须是能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。
    传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制过程中的过去、现在和未来的信息，而且配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机驱动系统中最基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。
    在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象结构与参数的变化。各种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数，才能得到满意的控制效果。因此，现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。常用控制方法有自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。
    近年来模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法也被引入直线电动机驱动系统的控制中。目前主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H∞控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控制性能。

3 直线电机的驱动控制技术应用
3．1 活塞车削数控系统
    在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台(拖板)之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为“零传动”。正是由于这种“零传动”方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。其一，高速响应。由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等)，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。其二，精度高。直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。采用直线电机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点，已成功地应用于异型截面工件的CNC车削和磨削加工中。针对产量最大的非圆截面零件，国防科学技术大学非圆切削研究中心开发了基于直线电机的高频响大行程数控进给单元。当用于数控活塞机床时，工作台尺寸为600 mm×320 mm，行程为100 mm，最大推力为160 N，最大加速度可达13 g。由于直线电机动子和工作台已固定在一起，所以只能采用闭环控制，该单元的控制系统简图如图2所示。

    这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。采用高精度光栅尺作为位置检测元件。定位精度取决于光栅的分辨率，系统的机械误差可以由反馈消除，获得较高的精度。
3．2 采用直线电机的开放式数控系统
    采用PC机与开放式可编程运动控制器构成数控系统，以通用微机及Windows操作系统为平台，用PC机上的标准插件形式的运动控制器为控制核心，实现了数控系统的开放。基于直线电机的开放式数控系统的总体设计方案如图3所示。

    系统采用在PC机的扩展槽中插入PCI-8132型运动控制卡的方案，由PC机、运动控制卡、伺服驱动器、直线电机、数控工作台等部分组成。其中，数控工作台由直线电机驱动，伺服控制和机床逻辑控制均由运动控制器完成，运动控制器可编程，以运动子程序的方式解释执行数控程序(G代码等，支持用户扩展)。PCI-8132是具有PCI接口的2轴运动控制卡。它能产生高频脉冲驱动步进电机和伺服电机，控制2个轴的电机运动，实现直线和圆弧插补。在数控加工中，提供位置反馈。当今的工业控制技术中PCI总线渐渐地取代了ISA总线，成为主流总线形式，它有很多优点，如即插即用(Plug and Play)、中断共享等，为用户提供了极大的方便，是目前PC机上最先进、最通用的一种总线。

4 采用直线电机数控系统软件
    系统软件在Windows平台上开发。采用模块化程序设计，由用户输入输出界面、预处理模块等组成。用户输入输出界面实现用户的输入、系统的输出。用户输入的主要功能是让用户输入数控代码，发出控制命令，进行系统的参数配置，生成数控机床零件加工程序(G代码指令)。预处理模块读取G代码指令后，通过编译生成能够让PCI-8132运动控制卡运行的程序，从而驱动直线电机，完成直线或圆弧插补。读取G代码的过程是首先进行参数的设定，然后读取G代码，程序流程如图4所示。

    系统选用PARKER406LXR系列直线电机。对于两坐标数控工作台，x向选用406T07型直线电机，行程为550 mm，y向选用406T05型直线电机，行程为450mm。

5 结论
    采用直线电机的数控机床控制技术已在不同种类的机床上得到应用。直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，具有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去人们所担心的直线电机推力小、体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安装、难防护等问题，随着电机制造技术的改进，有关问题相应解决。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全性提供了保证。选择合适的直线电机及驱动控制系统，配以合理的机床设计，完全可以设计制造出高性能、高可靠性的数控机床。