直线电机试验台综合性能测试

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.96MB 72 页 15积分

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摘要

随着数控机床向精密、高速、复合、智能、环保方向的不断发展，其对机床

传动系统提出了更高的要求，而单纯的依靠提高滚珠丝杠副的性能已经很难满足

高速化、高精密化数控机床的需要。相比之下，直线电机作为一种全新的驱动装

置取消了从伺服电机到工作台之间的中间传动环节，把运动单元的传动链缩减为

零，即实现“直接传动”。另外直线电机具有高速度、高加速度的优点，这使得直

线电机代替滚珠丝杠副作为机床驱动装置成为未来高精密数控机床的一个发展方

向。

本文首先分析了直线电机的原理和应用特点，并对直线电机试验台进行了安

装调试以及学习西门子 840D 数控系统。在此基础上，进一步分析了直线电机试验

台的测试项目，深入研究了位移、速度、直线度、角度、定位精度、圆度、同步

性能、温升等性能测试原理和方法，并且制定了项目测试方案。以直线电机性能

试验台为平台，设计了基于激光干涉仪的数据采集系统和温度采集系统，以 840D

数控系统为控制平台编写了数控控制程序，最后设计了基于定位精度分析的数据

分析处理系统。

最后针对直线电机试验台的性能进行了实验测试，并获得大量的实验数据，

利用 Matlab、 Labview 和专业分析软件 POLARANA 等对实验数据做了深入的分析，

进而分析直线电机试验台的综合性能，这为进一步研究直线电机在机床上的应用

了提供数据依据，也为机床设计者提供准确可靠的数据。

关键词：直线电机数控机床定位精度同步性能圆度温度

ABSTRACT

With the development of CNC machine for high-precision, high-speed, complex,

intelligence and it put forward higher requirements for mechanical drive system,

Meanwhile, It is difficulty to satisfy the high –speed, high precision of the CNC

machine that rely on improving the Ball screw assembly. By contrast., As a new driving

equipment, linear motor cancel the driving medium links between the servo-actuator

and the table, then the motion unit transmission chain can be cut down to zero, namely "

direct transmission". In addition, as linear motor have many advantages such as

high-speed, high acceleration etc. The advantages of linear motor instead of a ball screw

machine drives would to be a trend of high precision CNC machine in the near future.

First, the paper analyzes the principle and application of linear motor, and then

study the installation and debugging of linear motor, as well as studying the Siemens

840D CNC system. On this basis, I analysis the linear motor test-bed of the test items

further and study the testing principle and method of the displacement velocity,

straightness, angle, positioning accuracy, roundness, synchronization performance,

temperature and so on, and formulate a test strategy. Based on the platform of linear

motor test-bed, I designed the data acquisition system based on the laser interferometer

and temperature. Then I wrote the NC control program on 840D CNC system platform.

Finally, I designed an analysis processing system to the positioning accuracy.

At last, the performance of the linear motor was measured, and it have got amount

of experimental data which were analyzed by using MATLAB, LABVIEW or

professional POLARANA. And then to analyze the integrative performance of the linear

motor, In a word, it will supply the data for further research to research the linear motor

in machine tool, and provide accurate and reliable data to the designers of the machine

tool.

Key word: Linear Motor, CNC Machine, Positioning Accuracy,

Synchronization Performance, Roundness，Temperature

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 课题背景及研究意义 ....................................... 1

§1.1.1 课题的背景 .......................................... 1

§1.1.2 课题研究的意义 ...................................... 1

§1.2 课题研究的内容 ........................................... 2

第二章直线电机性能试验台介绍 ...................................... 3

§2.1 直线电机概述 ............................................. 3

§2.2 直线电机在机床上的应用概述 ............................... 6

§2.3 直线电机试验台介绍 ....................................... 9

§2.3.1 机床结构 ............................................ 9

§2.3.2 西门子数控系统简介 ................................. 10

§2.4 直线电机安装调试 ........................................ 12

§2.4.1 直线电机的选型 ..................................... 12

§2.4.2 直线电机试验台调试 ................................. 13

第三章直线电机试验台测试项目与检测方法 ........................... 15

§3.1 试验台测量项目整体分析 ................................... 15

§3.2 实验项目检测方法研究 .................................... 16

§3.2.1 位移测量方法分析 ................................... 16

§3.2.2 定位精度测试原理及方法研究 ......................... 18

§3.2.3 直线度、角偏测量测试原理及方法研究 ................. 21

§3.2.4 圆度测试原理及方法分析 ............................. 22

§3.2.5 温度测量方法研究 ................................... 23

第四章直线电机性能试验台测试系统开发 ............................. 24

§4.1 系统总体设计 ............................................ 24

§4.2 基于激光干涉仪的采集系统设计 ............................ 24

§4.2.1 激光干涉仪的选型和测量原理 ......................... 25

§4.2.2 位移、速度测量 ..................................... 27

§4.2.3 定位精度测量 ....................................... 28

§4.2.4 直线度、角度测量 ................................... 29

vii

§4.2.5 同步性能测量 ....................................... 30

§4.2.6 圆度性能测量 ....................................... 30

§4.2.7 激光干涉仪采集系统的安装调试 ....................... 31

§4.3 温度采集系统设计 ........................................ 32

§4.3.1 温度测试系统硬件设计 ............................... 32

§4.3.2 温度测试系统软件设计 ............................... 35

§4.3.3 温度测量系统安装调试 ............................... 38

§4.4 基于 840D 数控系统的运动控制设计 ......................... 40

§4.5 数据分析处理设计 ........................................ 44

第五章直线电机性能试验台测试实验 ................................. 46

§5.1 位移、速度实验及数据分析 ................................ 46

§5.2 定位精度实验及数据分析 .................................. 47

§5.3 直线度、角偏实验及数据分析 .............................. 52

§5.4 同步性能实验及数据分析 .................................. 54

§5.5 圆度实验及数据分析 ...................................... 56

§5.6 温度实验及数据分析 ...................................... 58

第六章总结与展望 ................................................. 62

附录 ............................................................ 64

参考文献 .......................................................... 64

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 69

致谢 ............................................................ 70

第一章绪论

§1.1 课题背景及研究意义

§1.1.1 课题的背景

进入 21 世纪，数控机床及各类机电一体化自动机械正向高精度、高速度、

高可靠性以及智能化、数字化、绿色环保方向发展，这就对数控机床提出了更高

的要求。同时为了提高产品的加工质量，发展先进制造业，也需要研究高精密的

数控机床。

而数控机床中传动装置是数控机床的最关键部件之一，一直以来 “滚珠丝杠

+传动链”作为传动装置，但随着发展，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。然而使用滚珠丝杠作为传动装置问题在于传统的传动链从

作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、

离合器等中间传动环节，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[1]。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。

后来出现了“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，并日益显示其巨大的优越性[2]。直线电机及其驱动控制技术在机床上的应用，

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。

直线电机在上世纪 80 年代末出现后，随着材料(如永磁材料)、功率器件、控

制技术及传感技术的发展，直线伺服电机的性能不断提高，成本日益下降，为其

广泛的应用创造了条件。首先是在国外得到了快速的发展并应用到实际的工业领

域内，像目前世界上直线伺服电机及其驱动系统的知名供应商主要有：德国

Siemens 公司，Indramat 公司；日本 FANUC，三菱公司；美国 Anorad，科尔摩根

公司；瑞士 ETEL 公司等[4]。而在国内，从 1972 年国内出版《直线感应电动机》

译文集后，一些大专院校科研单位和工厂积极开展了各类直线电机的基本理论和

开发应用的研究，随后一些大学和工厂也相继已研制了一些直线电机驱动的机床

样机，但与国外相比其推广应用方面尚存很大差距。

§1.1.2 课题研究的意义

进入 21 世纪后，面对着国际大市场的竞争，我们必须要加快产品创新、提高

工艺水平、提高产品质量。与此同时，今年来直线电机系统成本不断下降，在机

直线电机试验台综合性能测试

床成本中的比重明显下降，以及直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，

已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，已不再是大问题。在加上直线电机的优点，使得对直线电机的应用范

围不断扩大。直线电机的本身的发展以及国际大环境的需要使得对直线电机研究

越来越多起来。

在国外直线电机已经成功的应用于机床行业中，比如 2002 年日本机床展

JIMTOF 为例，在参展的 524 台数控机床中，有 25 家公司 41 台机床采用直线电机

进给驱动，其中，加工中心 11 台，电加工机床 7 台，磨床 6 台，非球面加工机和

微型微细加工机 5 台，车床 4 台，专用机床 3 台，激光加工机 2 台，车磨复合机

床 1 台，铣削加工单元 l 台[3]。直线电机在国外的很好应用，但在国内，大都停留

在对直线电机的研究，而对直线电机在机床上的应用研究的还比较少，但是随着

国际化和直线电机成本使得国内一些企业和高校开始研究并尝试直线电机的的应

用，并取得了一些进展。但是在技术还不成熟，与国外相比还有很大差距。

直线电机应用在机床上也会出现很多的问题，比如机床上各直线电机驱动系

统的联动性能、直线电机在加工零件中定位精度情况，直线电机发热引起的热位

移等都影响着数控机床的加工性能。所以研究直线电机在机床上的应用性能具有

重要的意义。

§1.2 课题研究的内容

本论文以直线电机试验台为研究对象，在直线电机取代滚珠丝杠作为机床的

驱动装置后，其各项性能将发生哪些变化，而针对这些变化又如何改进，以适应

不断高速化发展的要求，所以本论文通过对直线电机的各项性能测量研究，提供

一套测量方案以及可靠的测量数据，为直线电机数控机床提供数据依据。主要研

究内容包含以下几方面：

1、首先对直线电机的工作原理和结构分析研究，了解直线电机的特点和性能，

分析直线电机性能参数检测方法。

2、直线电机综合性能试验台的设计开发，熟悉数控 840D 系统，对直线电机

综合性能参数（速度、位移、定位精度、圆度、直线度、温升等）进行测试。

3、开发直线电机试验台性能测量控制系统软件，提高系统的可操作性以及

系统的测量精度和可靠性，通过大量试验，完善试验台测量控制系统。

4、通过试验，分析测量数据，评价直线电机试验台的综合性能，为用户提

供可靠的测试报告。

第二章直线电机性能试验台介绍

直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动的机械装

置，而不需要任何中间转换机构。它是 20 世纪下半叶电工领域出现的具有新原理、

新理论的新技术。本文研究的平台就是直线电机驱动的 5 轴联动数控机床—直线

电机性能试验台。

§2.1 直线电机概述

一、直线电机的结构

直线电机是旋转电机在结构方面的一种演变，其可看作是将一台旋转电机沿

径向抛开，然后将电机的圆周展成直线，如下图2.1.1所示。此时，转子的旋转运

动变成了直线运动。旋转电机的径向、周向及轴向在直线电机里分别称为法向、

纵向和横向。旋转电机的定子和转子在直线电机分别为初级和次级[2]。

图 2.1.1 从旋转电机到直线电机的演化

直线电机在工作过程中初级和次级具有空间上的相对运动，因此需要将电机

的初级（或次级）固定在基础设施上，而将与之对应的次级（或初级）安装在可

移动装置上。为了保持直线电机工作时初级和次级的耦合关系不变，必须把其中

一个级做得长一些，另一个级做得短一些,故直线电机又有“短初级、长次级”和

“短次级、长初级”之分。

所谓短初级、长次级，即带通电绕组的部分短，而不带通电绕组的部分长，

如图 2.1.2（a）所示。这种形式的直线电机次级结构简单，比较容易加长，带绕

组的初级较短，成本也较低。但由于初级为动件，则需拖动带电导线一起运动，

还需要加导管防护拖链。而“长初级、短次级”直线电机带电绕组部分长，而不

带电部分短，图 2.1.2（b）所示。这种形式的动件次级虽然不用拖动导线，但长

初级的制作费用高，损耗也大，而且维护也不方便.因此，一般多采用短初级、长

次级的形式，以节约成本[3]。

直线电机的基本结构为扁平形。对于这种结构，如果仅在次级的一侧安装初

级，称为单边结构或单边直线电机，如图 2.1.2（a, b）所示；如果在次级的两侧

直线电机试验台综合性能测试

各安装一个初级则称为双边结构或双边直线电机，如图 2.1.2（c）所示。双边结

构的优点是可以消除法向力并提高次级的利用率。除了上述扁平型直线电机的结

构形式外，如果把平板形结构沿法向弯曲则可得到弧形结构，如图 2.1.2（d）所

示。如果沿横向弯曲则可得到盘形结构,沿横向卷曲并闭合则可得到管形（或叫圆

筒形）结构。

图 2.1.2 直线电机的形式

二、直线电机的原理

直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也

与旋转电机相似。遵循电机学的一些基本原理[5]，以下以直线异步电机为例讨论直

线电机的原理。从旋转电机的原理出发，引出直线电机的原理。

图 2.1.3 旋转电机的旋转磁场

图2.1.3 表示一台简单的二级旋转电机。图中绕组AX、BY、CZ 为定子A、B、

C、三相绕组。当在其中通入三相对称正弦电流后，便在气隙中产生了一个磁场，

这个磁场可看成沿气隙周围呈正弦分布。电流随时间变化，磁场波幅就按A,B, C 相

序沿圆周旋转。电流变化一个周期，磁场转过一对极。这种磁场称为旋转磁场，

其旋转速度称为同步速度（r/min），用

表示，它与电流的频率f（Hz）成正比，

而与电机的极对数P成反比，如下式所示:



（2-1）

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摘要：

iv摘要随着数控机床向精密、高速、复合、智能、环保方向的不断发展，其对机床传动系统提出了更高的要求，而单纯的依靠提高滚珠丝杠副的性能已经很难满足高速化、高精密化数控机床的需要。相比之下，直线电机作为一种全新的驱动装置取消了从伺服电机到工作台之间的中间传动环节，把运动单元的传动链缩减为零，即实现“直接传动”。另外直线电机具有高速度、高加速度的优点，这使得直线电机代替滚珠丝杠副作为机床驱动装置成为未来高精密数控机床的一个发展方向。本文首先分析了直线电机的原理和应用特点，并对直线电机试验台进行了安装调试以及学习西门子840D数控系统。在此基础上，进一步分析了直线电机试验台的测试项目，深入研究了位移、...

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