直線電機基礎(chǔ)
直線電機也稱線性電機,，線性馬達，直線馬達,，推桿馬達 在實際工業(yè)應(yīng)用中的穩(wěn)定增長,證明直線電機可以放心的使用,。下面簡單介紹直線電機類型和他們與旋轉(zhuǎn)電機的不同. 最常用的直線電機類型是平板式和U 型槽式,和管式。 線圈的典型組成是三相,有霍爾元件實現(xiàn)無刷換相.圖示直線電機用HALL換相的相序和相電流. 該圖直線電機明確顯示動子(forcer, rotor)的內(nèi)部繞組.磁鉄和磁軌.動子是用環(huán)氧材料把線圈壓成的,。而且,磁軌是把磁鐵固定在鋼上,。 直線電機在過去的10年,經(jīng)實踐上引人注目的增長和工業(yè)應(yīng)用的顯著受益才真正成熟。 直線電機經(jīng)常簡單描述為旋轉(zhuǎn)電機被展平,，而工作原理相同,。動子（forcer, rotor) 是用環(huán)氧材料把線圈壓縮在一起制成的.而且,磁軌是把磁鐵（通常是高能量的稀土磁鐵）固定在鋼上.電機的動子包括線圈繞組，霍爾元件電路板,，電熱調(diào)節(jié)器（溫度傳感器監(jiān)控溫度）和電子接口,。在旋轉(zhuǎn)電機中，動子和定子需要旋轉(zhuǎn)軸承支撐動子以保證相對運動部分的氣隙（air gap）,。同樣的,，直線電機需要直線導(dǎo)軌來保持動子在磁軌產(chǎn)生的磁場中的位置。和旋轉(zhuǎn)伺服電機的編碼器安裝在軸上反饋位置一樣,，直線電機需要反饋直線位置的反饋裝置－－直線編碼器,，它可以直接測量負載的位置從而提高負載的位置精度。 直線電機的控制和旋轉(zhuǎn)電機一樣,。象無刷旋轉(zhuǎn)電機,，動子和定子無機械連接（無刷），不象旋轉(zhuǎn)電機的方面,，動子旋轉(zhuǎn)和定子位置保持固定,，直線電機系統(tǒng)可以是磁軌動或推力線圈動（大部分定位系統(tǒng)應(yīng)用是磁軌固定，推力線圈動）,。用推力線圈運動的電機,，推力線圈的重量和負載比很小。然而,，需要高柔性線纜及其管理系統(tǒng),。用磁軌運動的電機，不僅要承受負載,，還要承受磁軌質(zhì)量,，但無需線纜管理系統(tǒng)。 相似的機電原理用在直線和旋轉(zhuǎn)電機上,。相同的電磁力在旋轉(zhuǎn)電機上產(chǎn)生力矩在直線電機產(chǎn)生直線推力作用,。因此,，直線電機使用和旋轉(zhuǎn)電機相同的控制和可編程配置。直線電機的形狀可以是平板式和U 型槽式,和管式.哪種構(gòu)造最適合要看實際應(yīng)用的規(guī)格要求和工作環(huán)境,。 產(chǎn)品可參考大族電機科技有限公司生產(chǎn)的直線電機,，此公司生產(chǎn)的產(chǎn)品在大族數(shù)控上成熟應(yīng)用了5年。
編輯本段圓柱形動磁體直線電機
圓柱形動磁體直線電機動子是圓柱形結(jié)構(gòu),。沿固定著磁場的圓柱體運動,。這種電機是最初發(fā)現(xiàn)的商業(yè)應(yīng)用但是不能使用于要求節(jié)省空間的平板式和U 型槽式直線電機的場合。圓柱形動磁體直線電機的磁路與動磁執(zhí)行器相似,。區(qū)別在于線圈可以復(fù)制以增加行程。典型的線圈繞組是三相組成的,，使用霍爾裝置實現(xiàn)無刷換相,。推力線圈是圓柱形的，沿磁棒上下運動,。這種結(jié)構(gòu)不適合對磁通泄漏敏感的應(yīng)用,。必須小心操作保證手指不卡在磁棒和有吸引力的側(cè)面之間。 管狀直線電機設(shè)計的一個潛在的問題出現(xiàn)在,，當(dāng)行程增加,，由于電機是完全圓柱的而且沿著磁棒上下運動，唯一的支撐點在兩端,。保證磁棒的徑向偏差不至于導(dǎo)致磁體接觸推力線圈的長度總會有限制,。
編輯本段U 型槽式直線電機
U 型槽式直線電機有兩個介于金屬板之間且都對著線圈動子的平行磁軌。動子由導(dǎo)軌系統(tǒng)支撐在兩磁軌中間,。動子是非鋼的,，意味著無吸力且在磁軌和推力線圈之間無干擾力產(chǎn)生。非鋼線圈裝配具有慣量小,，允許非常高的加速度,。線圈一般是三相的，無刷換相,?？梢杂每諝饫鋮s法冷卻電機來獲得性能的增強。也有采用水冷方式的,。這種設(shè)計可以較好地減少磁通泄露因為磁體面對面安裝在U形導(dǎo)槽里,。這種設(shè)計也最小化了強大的磁力吸引帶來的傷害。 這種設(shè)計的磁軌允許組合以增加行程長度,，只局限于線纜管理系統(tǒng)可操作的長度,，編碼器的長度，和機械構(gòu)造的大而平的結(jié)構(gòu)的能力,。
編輯本段平板直線電機
有三種類型的平板式直線電機（均為無刷）：無槽無鐵芯,，無槽有鐵芯和有槽有鐵芯,。選擇時需要根據(jù)對應(yīng)用要求的理解。 無槽無鐵芯平板電機是一系列coils安裝在一個鋁板上,。由于FOCER 沒有鐵芯,，電機沒有吸力和接頭效應(yīng)（與U形槽電機同）。該設(shè)計在一定某些應(yīng)用中有助于延長軸承壽命,。動子可以從上面或側(cè)面安裝以適合大多數(shù)應(yīng)用,。這種電機對要求控制速度平穩(wěn)的應(yīng)用是理想的。如掃描應(yīng)用,，但是平板磁軌設(shè)計產(chǎn)生的推力輸出最低,。通常，平板磁軌具有高的磁通泄露,。所以需要謹慎操作以防操作者受他們之間和其他被吸材料之間的磁力吸引而受到傷害,。 無槽有鐵芯：無槽有鐵芯平板電機結(jié)構(gòu)上和無槽無鐵芯電機相似。除了鐵芯安裝在鋼疊片結(jié)構(gòu)然后再安裝到鋁背板上,，鐵疊片結(jié)構(gòu)用在指引磁場和增加推力,。磁軌和動子之間產(chǎn)生的吸力和電機產(chǎn)生的推力成正比，迭片結(jié)構(gòu)導(dǎo)致接頭力產(chǎn)生,。把動子安裝到磁軌上時必須小心以免他們之間的吸力造成傷害,。無槽有鐵芯比無槽無鐵芯電機有更大的推力。 有槽有鐵芯：這種類型的直線電機,，鐵心線圈被放進一個鋼結(jié)構(gòu)里以產(chǎn)生鐵芯線圈單元,。鐵芯有效增強電機的推力輸出通過聚焦線圈產(chǎn)生的磁場。鐵芯電樞和磁軌之間強大的吸引力可以被預(yù)先用作氣浮軸承系統(tǒng)的預(yù)加載荷,。這些力會增加軸承的磨損,，磁鐵的相位差可減少接頭力。
編輯本段小結(jié)
在實用的的和買的起的直線電機出現(xiàn)以前,，所有直線運動不得不從旋轉(zhuǎn)機械通過使用滾珠或滾柱絲杠或帶或滑輪轉(zhuǎn)換而來,。對許多應(yīng)用，如遇到大負載而且驅(qū)動軸是豎直面的,。這些方法仍然是最好的,。然而，直線電機比機械系統(tǒng)比有很多獨特的優(yōu)勢,，如非常高速和非常低速,，高加速度，幾乎零維護（無接觸零件）,，高精度,，無空回。完成直線運動只需電機無需齒輪，聯(lián)軸器或滑輪,，對很多應(yīng)用來說很有意義的,，把那些不必要的，減低性能和縮短機械壽命的零件去掉了,。
編輯本段優(yōu)點
?。?）結(jié)構(gòu)簡單。管型直線電機不需要經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運動,，使結(jié)構(gòu)大大簡化,，運動慣量減少，動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度大大提高,；同時也提高了可靠性,，節(jié)約了成本，使制造和維護更加簡便,。它的初次級可以直接成為機構(gòu)的一部分,，這種獨特的結(jié)合使得這種優(yōu)勢進一步體現(xiàn)出來。 ?。?）適合高速直線運動。因為不存在離心力的約束,，普通材料亦可以達到較高的速度,。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙,，運動時無機械接觸,，因而運動部分也就無摩擦和噪聲。這樣,，傳動零部件沒有磨損,，可大大減小機械損耗，避免拖纜,、鋼索,、齒輪與皮帶輪等所造成的噪聲，從而提高整體效率,。 ?。?）初級繞組利用率高。在管型直線感應(yīng)電機中,，初級繞組是餅式的,，沒有端部繞組，因而繞組利用率高,。 ?。?）無橫向邊緣效應(yīng)。橫向效應(yīng)是指由于橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱，而圓筒型直線電機橫向無開斷,，所以磁場沿周向均勻分布,。 （5）容易克服單邊磁拉力問題,。徑向拉力互相抵消,，基本不存在單邊磁拉力的問題。 ?。?）易于調(diào)節(jié)和控制,。通過調(diào)節(jié)電壓或頻率，或更換次級材料,，可以得到不同的速度,、電磁推力，適用于低速往復(fù)運行場合,。 ?。?）適應(yīng)性強。直線電機的初級鐵芯可以用環(huán)氧樹脂封成整體,，具有較好的防腐,、防潮性能，便于在潮濕,、粉塵和有害氣體的環(huán)境中使用,；而且可以設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式，滿足不同情況的需要,。
編輯本段工作原理
直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能,，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機按徑向剖開,，并展成平面而成,。 由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級,。在實際應(yīng)用時,，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變,。直線電機可以是短初級長次級,，也可以是長初級短次級?？紤]到制造成本,、運行費用，目前一般均采用短初級長次級,。 直線電動機的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機相似,。以直線感應(yīng)電動機為例：當(dāng)初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場，次級在行波磁場切割下,，將感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流,，該電流與氣隙中的磁場相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定,，則次級在推力作用下做直線運動,；反之，則初級做直線運動,。直線電機的驅(qū)動控制技術(shù)一個直線電機應(yīng)用系統(tǒng)不僅要有性能良好的直線電機,，還必須具有能在安全可靠的條件下實現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟要求的控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術(shù)與微計算機技術(shù)的發(fā)展,，直線電機的控制方法越來越多,。對直線電機控制技術(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),，具有較強的魯棒性,，是交流伺服電機驅(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，取長補短,，以獲得更好的控制性能,。 直線電機在數(shù)控機床中的應(yīng)用 一、引言 數(shù)控機床正在向精密,、高速,、復(fù)合、智能,、環(huán)保的方向發(fā)展,。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,，更高的進給速度和加速度,，更低的振動噪聲和更小的磨損。問題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動鏈從作為動力源的電動機到工作部件要通過齒輪,、蝸輪副,，皮帶、絲杠副,、聯(lián)軸器,、離合器等中間傳動環(huán)節(jié)，在些環(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使傳動性能有所提高,，但問題很難從根本上解決，于出現(xiàn)了“直接傳動”的概念,，即取消從電動機到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié),。隨著電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸,、直線電機,、力矩電機的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸,、直線和旋轉(zhuǎn)坐標運動的“直接傳動”概念變?yōu)楝F(xiàn)實,，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性,。直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)在機床進給驅(qū)動上的應(yīng)用，使機床的傳動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化,，并使機床性能有了新的飛躍,。 二、直線電機進給驅(qū)動的主要優(yōu)點 進給速度范圍寬,?？蓮?（1）m/s到20m/min以上，目前加工中心的快進速度已達208m/min,，而傳統(tǒng)機床快進速度<60m/min,，一般為20～30m/min。 速度特性好,。速度偏差可達（1）0.01%以下,。 加速度大。直線電機最大加速度可達30g,，目前加工中心的進給加速度已達3.24g,，激光加工機的進給加速度已達5g，而傳統(tǒng)機床進給加速度在1g以下,，一般為0.3g,。 定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制,，定位精度可達0.1～0.01（1）m,。應(yīng)用前饋控制的直線電機驅(qū)動系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態(tài)特性好,，響應(yīng)靈敏,，加上插補控制的精細化，可實現(xiàn)納米級控制,。 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4～6m,，更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40m以上,。 結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn),、噪聲小,，運動部件摩擦小,、磨損小、使用壽命長,、安全可靠,。 三、直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的進展 直線電機與普通電機在原理上類似,，它只是電機圓柱面的展開,，其種類與傳統(tǒng)電機相同，例如：直流直線電機,，交流永磁同步直線電機,，交流感應(yīng)異步直線電機，步進直線電機等,。 作為可控制運動精度的直線伺服電機在上世紀80年代末出現(xiàn)后,，隨著材料（如永磁材料）、功率器件,、控制技術(shù)及傳感技術(shù)的發(fā)展,，直線伺服電機的性能不斷提高，成本日益下降,，為其廣泛的應(yīng)用創(chuàng)造了條件,。 近年來，直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的進展表現(xiàn)在以下方面：（1）性能不斷提高（如推力,、速度,、加速度、分辨率等）,；（2）體積減小,，溫升降低；（3）品種覆蓋面廣,，可滿足不同類型機床的要求,；（4）成本大幅度下降；（5）安裝和防護簡便,；（6）可靠性好,；（7）包括數(shù)控系統(tǒng)在內(nèi)的配套技術(shù)日趨完善；（8）商品化程度高,。 目前世界上直線伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的知名供應(yīng)商主要有：德Siemens公司,，Indramat公司；日本FANUC,，三菱公司,；美國Anorad，科爾摩根公司,；瑞士ETEL公司等,。 具有代表性的直線電機產(chǎn)品的技術(shù)指標： FANUC L17000C3/2is,；最大推力17000N；連續(xù)推力3400N（自然冷）/4080N（氣冷）/6800（水冷）,；最大速度240m/min（4m/s）,；最大加速度30g；分辨率0.01（1）m,。 Siemens 1FN3：最大推力20700N,；連續(xù)推力8100N（水冷）；最大速度253m/min,。 在控制系統(tǒng)方面,，Siemens、FANUC等系統(tǒng)供應(yīng)商都可提供與直線電機控制相對應(yīng)的控制軟件和接口,。由于歐洲機床上應(yīng)用直線電機較多,，因此采用Siemens系統(tǒng)（如8l0D，840D）最多,。 中國科學(xué)院電工所,、浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等對直線電機開展了多年研究,，江蘇,、哈爾濱、廣東等一些公司已有小功率直線電機產(chǎn)品,。 清華大學(xué)在“十五”攻關(guān)項目中研制成功交流永磁同步直線電機及其伺服系統(tǒng),，其最大運動速度60m/min，最大加速度5g,，最大推力5000N,，目前已與江蘇瑞安特公司開始合作生產(chǎn)。 四,、直線電機進給驅(qū)動在機床上的應(yīng)用情況 表1 直線電機驅(qū)動的國產(chǎn)機床部分典型產(chǎn)品 機床類型 型號 廠商 主要特點 電火花成形機床 GV754L 北京機床研究所 快進速度24m/min 加速度1.5g 立式加工中心 VS1250 北京機電院高技術(shù) 股份公司 X/Y軸直線電機,， 快進80/120m/min 加速度0.8/1.5g 立式加工中心 XH716/5X-SM 江蘇多棱數(shù)控機床有限責(zé)任公司 X軸直線電機 車銑中心 沈陽機床集團 X軸直線電機， 快進60m/min 活塞車床 G-CNCP200 清華大學(xué) X軸直線電機 凸輪磨床 北京航空航天大學(xué) 頭架驅(qū)動用直線電機,， 精度提高,，無振紋 自1993年德國Ex-Cell-O公司研發(fā)出世界上第一臺直線電機驅(qū)動工作臺的加工中心以來，直線電機已在不同種類的機床上得到應(yīng)用,。2001年,、2003年歐洲機床展，2002年,、2004年日本機床展及美國機床展上每次都有幾十家公司的展品采用直線電機驅(qū)動系統(tǒng)。以2002年日本機床展JIMTOF為例,，在展的524臺數(shù)控機床中,，有25家公司41臺機床采用直線電機進給驅(qū)動【3>,，其中，加工中心11臺（立式8臺,，臥式3臺）,，電加工機床7臺（線切割4臺，成形機2臺,，小孔機1臺）,，磨床6臺（一般磨床4臺，齒輪磨床1臺,，坐標磨床1臺）,，非球面加工機和微型微細加工機5臺，車床4臺,，專用機床3臺,，激光加工機2臺，車磨復(fù)合機床1臺,，銑削加工單元（FMC）l臺,。 目前，世界上最知名的機床廠家?guī)缀鯚o一例外地都推出了直線電機驅(qū)動的機床產(chǎn)品,，品種覆蓋了絕大多數(shù)機床類型,。此外，在壓力機,、坐標測量機,、水切割機、等離子切割機,、快速原型機及半導(dǎo)體設(shè)備的X-Y工作臺上直線電機都有應(yīng)用,。 此外，浙江大學(xué)直線電機與現(xiàn)代驅(qū)動研究所開發(fā)了直線電機驅(qū)動的壓力機,、鋸床,、雕刻機、線切割機床,。 北京機電院高技術(shù)股份有限公司承擔(dān)的“十五”攻關(guān)項目《直線電機驅(qū)動的高速立式加工中心》,，于2003年研制成功國內(nèi)第一臺直線電機驅(qū)動的加工中心，并在2003年北京國際機床展覽會展出,。該機床X/Y軸采用直線電機驅(qū)動,，行程分別為1250/630mm，最大快移速度80/120m/min,，最大加速度O.8/1.5g,。機床在設(shè)計中對減輕運動部件質(zhì)量、加強機床剛性,、解決高速高加速運動下的抗沖擊性,、直線電機的防護,，以及控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)與直線電機的匹配和優(yōu)化調(diào)試等方面做了有益的探索并取得了成功,。為解決處于工作臺下方的Y軸直線電機的防護問題,，設(shè)計了密封的直線驅(qū)動軸部件，并獲得了國家專利,。經(jīng)測定,，該機床精度達到精密級加工中心標準，并有充分裕量,。一年多來該機床工作穩(wěn)定可靠,。課題組還對直線電機初級線圈與次級磁鐵（定子）的溫升進行了試驗。以X軸為例：X軸運動部件質(zhì)量>1000kg,，加速度設(shè)定為O.8g,，快移速度設(shè)定為70m/min，連續(xù)往復(fù)運動1小時以上,。試驗結(jié)果：10分鐘后初級線圈（水冷）溫升趨于平衡,，工作溫度穩(wěn)定在69℃左右，遠遠低于允許工作溫度（12℃）,。電機次級磁鐵溫升約2℃,。可見直線電機初級線圈與次級磁鐵（定子）的溫升對機床的熱影響有限,，可通過補償消除,。 五、發(fā)展趨勢 技術(shù)日益成熟 直線電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟,，已具有傳統(tǒng)傳動裝置無法比擬的優(yōu)越性能,。過去們所擔(dān)心的直線電機推力小、體積大,、溫升高,、可靠性差、不安全,、難安裝,、難防護等問題，隨著電機制造技術(shù)的改進,，已不再是大問題,。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及驅(qū)動控制系統(tǒng),，配以合理的機床設(shè)計,，完全可以生產(chǎn)出高性能、高可靠性的機床。現(xiàn)在直線電機驅(qū)動進給速度100m/min,，加速度1～2g的機床已很普遍,，已有機床達到快進240m/min，加速度5g的指標（日本AMADA激光切割機）,。日本Mazak公司宣稱，該公司將在近期推出快移速度500m/min,，加速度6g,，主軸速度80000r/min切削速度8馬赫的超音速加工中心。高速度高加速度的傳動已在加工中心,、數(shù)控銑床,、車床、磨床,、復(fù)合加工機床,、激光加工機床及重型機床上得到廣泛應(yīng)用，這類機床在航空,、汽車,、模具、能源,、通用機械等領(lǐng)域發(fā)揮著特殊的作用,。在電加工機床上采用直線電機驅(qū)動可實現(xiàn)0.1（1）m的精密平穩(wěn)移動,。在微細加工及精密磨削中,，可實現(xiàn)10um進給分辨率及20m/min的快移速度，加工表面粗糙度<1nm,。在重型機床上采用直線電機驅(qū)數(shù)噸重的運動部件已不成問題,。同步雙驅(qū)動控制技術(shù)已成熟應(yīng)用,。這些都說明直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)在機床上的應(yīng)用已經(jīng)成熟，并在不斷向前發(fā)展,，會給人們帶來更多的驚喜,。此外，在國際上已有不同類型,、不同規(guī)格的直線電機商品可提供,，配套的驅(qū)動控制系統(tǒng)、檢測裝置及高速導(dǎo)軌,、高速防護也都有相應(yīng)產(chǎn)品供貨,。 成本不斷下降，性能價格比更好 近年來,，直線電機系統(tǒng)成本不斷下降,，在機床成本中的比重明顯下降。DMG公司的DMC64V linear加工中心 （X軸采用直線電機驅(qū)動），國內(nèi)報價僅61.4萬元人民幣,。但目前采用直線電機驅(qū)動仍比傳統(tǒng)的傳動裝置價格要高,。因此，直線電機的應(yīng)用應(yīng)著眼于高性能機床,，特別是精密高速加工機床,、特種加工機床、大型機床,，解決傳統(tǒng)傳動方法不能解決的問題,。另外，提高加工精度和加工效率也會提升機床的價值,。例如,，美國Gincin－nati公司的HYPCR MACH高速加工中心，X軸長達46m,，采用直線電機驅(qū)動后,，加工大型薄壁飛機零件，用傳統(tǒng)方法加工一件要8小時,，而用該機床只需30分鐘,。DMG公司介紹其采用直線電機驅(qū)動的DMC、CTX,、GMC,、GMX系列產(chǎn)品生產(chǎn)效率可提高20%。據(jù)意大利JOBS公司介紹,，該公司生產(chǎn)的LinX系列產(chǎn)品保證了龍門加工中心在長距離移動上的超高性能【4>,，最大程度減少軸轉(zhuǎn)換操作的無效時間，其德國用戶采用LinX龍門加工中心（三軸均為直線電機驅(qū)動）加工模具,，由于無效時間大為縮短等因素,，加工效率比未采用直線電機的同類機床效率提高40%，而且由于傳動部件無磨損,，使用更可靠,，運行費用更低。JOBS在生產(chǎn)LinX產(chǎn)品時采用直線電機的成本只增加百分之幾,，但由于性能提高,，售價可增加15%～20%，機床利潤率明顯增加,。 產(chǎn)業(yè)化趨勢明顯 直線電機在機床上的應(yīng)用已不是樣品,，不是個例。近幾年已在幾十家著名企業(yè)的幾十類產(chǎn)品上推廣應(yīng)用,。據(jù)有關(guān)資料介紹,，1997年直線電機驅(qū)動的機床銷售量已達300臺,。2001年，德國DMG公司已在28種機型上采用直線電機,，年產(chǎn)量達1500臺（約3000多根直線電機驅(qū)動軸）,，占其總產(chǎn)量的1/3。意大利JOBS公司自1999年開發(fā)出LinX直線電機驅(qū)動的龍門加工中心后,，2003年該公司LinX系列產(chǎn)品已占全公司總產(chǎn)量的60%（年產(chǎn)50臺大型龍門加工中心和龍門銑床）,，并成為公司的主要利潤來源。有專家預(yù)測,，2005年直線電機驅(qū)動的機床將達到3000臺,，到2010年世界上將有20%的數(shù)控機床采用直線電機進給驅(qū)動，而這些機床都是高檔機床,，因此其產(chǎn)業(yè)化前景是不言而喻的。 六,、建議 我國在直線電機及驅(qū)動控制技術(shù)的研發(fā),、應(yīng)用與世界水平相差甚遠，至少有十年的差距,。無論產(chǎn)品的性能,、品種，還是在機床上的應(yīng)用僅處于起步階段,，甚至大量是空白,。如果我們不能抓住當(dāng)前宏觀經(jīng)濟形勢大好，市場需求旺盛的機遇,，在“十一五”期間加大投入,，在直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用上奮起直追，我國的高檔數(shù)控機床會更加落后,，這將不利于我國的國家安全和產(chǎn)業(yè)安全,。為此，建議在“十一五”規(guī)劃中對直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用予以充分考慮,。 在機床基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究中,，研究直接傳動技術(shù)應(yīng)用 1）直線電機驅(qū)動的直線運動部件和力矩電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計研究；2）高速,、高加速度運動下機床剛性及抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計,；3）吸振、抗振,、隔熱材料的應(yīng)用（如聚合物混凝土）,；4）輕型材料（如碳素纖維）在運動部件中的應(yīng)用；5）直線電機的安裝工藝及防護,；6）控制系統(tǒng),、直線電機驅(qū)動系統(tǒng)與機械部件的匹配及合理配置，運動部件的加速度、速度調(diào)整及運動特性的優(yōu)化,。 開發(fā)應(yīng)用直線電機驅(qū)動的高檔數(shù)控機床 在基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究基礎(chǔ)上,，開發(fā)應(yīng)用直線電機驅(qū)動控制的高檔數(shù)控機床及工藝裝備，以滿足高速精密復(fù)合加工的需求,。鼓勵機床企業(yè)將這類機床做為自己的工作母機,，在實際應(yīng)用中不斷改進設(shè)計，探索加工工藝,，向用戶提供展示和服務(wù),，并推向市場，逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,。 以上工作為少走彎路,，可完全選購國際上先進、成熟的直線電機功能部件及其控制系統(tǒng),，以使整機盡快達到國際同類產(chǎn)品水平,。 開發(fā)直線電機產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù) 在數(shù)控技術(shù)及關(guān)鍵功能部件中，開發(fā)直線電機產(chǎn)品（包括相應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)）,。數(shù)控技術(shù)中應(yīng)開發(fā)與直線電機驅(qū)動控制相匹配的軟件技術(shù),，例如高速及高加速條件下的伺服控制及其調(diào)整，高速,、高精度的插補技術(shù),，復(fù)雜加工程序的前瞻控制能力，機床動態(tài)特性參數(shù)優(yōu)化模型,，故障診斷與保證功能等,。同時，相應(yīng)開發(fā)與高速高加速運動相配套的高速導(dǎo)軌,、高速防護,、高速位置檢測裝置等。 七,、結(jié)束語 2006年即將開始“十一五”規(guī)劃,，從企業(yè)到行業(yè)，從地方到中央都在制定新的規(guī)劃,。就機床的發(fā)展而言,，直線電機無論作為功能部件還是其相關(guān)技術(shù)在機床中的應(yīng)用，都應(yīng)該得到足夠重視,。企業(yè)和研究部門應(yīng)根據(jù)自己的客觀條件選擇相關(guān)課題開展研究,，從戰(zhàn)略高度考慮發(fā)展直線電機及其驅(qū)動控制的機床產(chǎn)品，并逐步形成產(chǎn)業(yè),，占領(lǐng)高檔數(shù)控機床的重要制高點,。建議行業(yè)和政府相關(guān)規(guī)劃中予以大力支持,。
編輯本段應(yīng)用結(jié)構(gòu)
直線電機可以認為是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)方面的一種變形,它可以看作是一臺旋轉(zhuǎn)電機沿其徑向剖開,然后拉平演變而成。近年來,隨著自動控制技術(shù)和微型計算機的高速發(fā)展,對各類自動控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求,在這種情況下,傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機再加上一套變換機構(gòu)組成的直線運動驅(qū)動裝置,已經(jīng)遠不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求,為此,近年來世界許多國家都在研究,、發(fā)展和應(yīng)用直線電機,使得直線電機的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,。 直線電機與旋轉(zhuǎn)電機相比,主要有如下幾個特點：一是結(jié)構(gòu)簡單,由于直線電機不需要把旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的附加裝置,因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡化,重量和體積大大地下降；二是定位精度高,在需要直線運動的地方,直線電機可以實現(xiàn)直接傳動,因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差,故定位精度高,如采用微機控制,則還可以大大地提高整個系統(tǒng)的定位精度,；三是反應(yīng)速度快,、靈敏度高,隨動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐,因而使得動子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸,這就消除了定,、動子間的接觸摩擦阻力,因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度,、快速性和隨動性；四是工作安全可靠,、壽命長,。直線電機可以實現(xiàn)無接觸傳遞力,機械摩擦損耗幾乎為零,所以故障少,免維修,因而工作安全可靠、壽命長,。 直線電機主要應(yīng)用于三個方面：一是應(yīng)用于自動控制系統(tǒng),這類應(yīng)用場合比較多,；其次是作為長期連續(xù)運行的驅(qū)動電機；三是應(yīng)用在需要短時間,、短距離內(nèi)提供巨大的直線運動能的裝置中。 高速磁懸浮列車 磁懸浮列車是直線電機實際應(yīng)用的最典型的例子,目前,美,、英,、日、法,、德,、加拿大等國都在研制直線懸浮列車,其中日本進展最快。 直線電機驅(qū)動的電梯 世界上第一臺使用直線電機驅(qū)動的電梯是1990年4月安裝于日本東京都關(guān)島區(qū)萬世大樓,該電梯載重600kg,速度為105m/min,提升高度為22.9m,。由于直線電機驅(qū)動的電梯沒有曳引機組,因而建筑物頂?shù)臋C房可省略,。如果建筑物的高度增至1000米左右,就必須使用無鋼絲繩電梯,這種電梯采用高溫超導(dǎo)技術(shù)的直線電機驅(qū)動,線圈裝在井道中,轎廂外裝有高性能永磁材料,就如磁懸浮列車一樣,采用無線電波或光控技術(shù)控制。 超高速電動機 在旋轉(zhuǎn)超過某一極限時,采用滾動軸承的電動機就會產(chǎn)生燒結(jié),、損壞現(xiàn)象,。為此近年來,國外研制了一種直線懸浮電動機(電磁軸承),采用懸浮技術(shù)使電機的動子懸浮在空中,消除了動子和定子之間的機械接觸和摩擦阻力,其轉(zhuǎn)速可達25000～100000r/min以上,因而在高速電動機和高速主軸部件上得到廣泛的應(yīng)用。如日本安川公司新近研制的多工序自動數(shù)控車床用5軸可控式電磁高速主軸采用兩個經(jīng)向電磁軸承和一個軸向推力電磁軸承,可在任意方向上承受機床的負載,。在軸的中間,除配有高速電動機以外,還配有與多工序自動數(shù)控車床相適應(yīng)的工具自動交換機構(gòu),。
直線電機也稱線性電機,，線性馬達，直線馬達,，推桿馬達 在實際工業(yè)應(yīng)用中的穩(wěn)定增長,證明直線電機可以放心的使用,。下面簡單介紹直線電機類型和他們與旋轉(zhuǎn)電機的不同. 最常用的直線電機類型是平板式和U 型槽式,和管式。 線圈的典型組成是三相,有霍爾元件實現(xiàn)無刷換相.圖示直線電機用HALL換相的相序和相電流. 該圖直線電機明確顯示動子(forcer, rotor)的內(nèi)部繞組.磁鉄和磁軌.動子是用環(huán)氧材料把線圈壓成的,。而且,磁軌是把磁鐵固定在鋼上,。 直線電機在過去的10年,經(jīng)實踐上引人注目的增長和工業(yè)應(yīng)用的顯著受益才真正成熟。 直線電機經(jīng)常簡單描述為旋轉(zhuǎn)電機被展平,，而工作原理相同,。動子（forcer, rotor) 是用環(huán)氧材料把線圈壓縮在一起制成的.而且,磁軌是把磁鐵（通常是高能量的稀土磁鐵）固定在鋼上.電機的動子包括線圈繞組，霍爾元件電路板,，電熱調(diào)節(jié)器（溫度傳感器監(jiān)控溫度）和電子接口,。在旋轉(zhuǎn)電機中，動子和定子需要旋轉(zhuǎn)軸承支撐動子以保證相對運動部分的氣隙（air gap）,。同樣的,，直線電機需要直線導(dǎo)軌來保持動子在磁軌產(chǎn)生的磁場中的位置。和旋轉(zhuǎn)伺服電機的編碼器安裝在軸上反饋位置一樣,，直線電機需要反饋直線位置的反饋裝置－－直線編碼器,，它可以直接測量負載的位置從而提高負載的位置精度。 直線電機的控制和旋轉(zhuǎn)電機一樣,。象無刷旋轉(zhuǎn)電機,，動子和定子無機械連接（無刷），不象旋轉(zhuǎn)電機的方面,，動子旋轉(zhuǎn)和定子位置保持固定,，直線電機系統(tǒng)可以是磁軌動或推力線圈動（大部分定位系統(tǒng)應(yīng)用是磁軌固定，推力線圈動）,。用推力線圈運動的電機,，推力線圈的重量和負載比很小。然而,，需要高柔性線纜及其管理系統(tǒng),。用磁軌運動的電機，不僅要承受負載,，還要承受磁軌質(zhì)量,，但無需線纜管理系統(tǒng)。 相似的機電原理用在直線和旋轉(zhuǎn)電機上,。相同的電磁力在旋轉(zhuǎn)電機上產(chǎn)生力矩在直線電機產(chǎn)生直線推力作用,。因此,，直線電機使用和旋轉(zhuǎn)電機相同的控制和可編程配置。直線電機的形狀可以是平板式和U 型槽式,和管式.哪種構(gòu)造最適合要看實際應(yīng)用的規(guī)格要求和工作環(huán)境,。 產(chǎn)品可參考大族電機科技有限公司生產(chǎn)的直線電機,，此公司生產(chǎn)的產(chǎn)品在大族數(shù)控上成熟應(yīng)用了5年。
編輯本段圓柱形動磁體直線電機
圓柱形動磁體直線電機動子是圓柱形結(jié)構(gòu),。沿固定著磁場的圓柱體運動,。這種電機是最初發(fā)現(xiàn)的商業(yè)應(yīng)用但是不能使用于要求節(jié)省空間的平板式和U 型槽式直線電機的場合。圓柱形動磁體直線電機的磁路與動磁執(zhí)行器相似,。區(qū)別在于線圈可以復(fù)制以增加行程。典型的線圈繞組是三相組成的,，使用霍爾裝置實現(xiàn)無刷換相,。推力線圈是圓柱形的，沿磁棒上下運動,。這種結(jié)構(gòu)不適合對磁通泄漏敏感的應(yīng)用,。必須小心操作保證手指不卡在磁棒和有吸引力的側(cè)面之間。 管狀直線電機設(shè)計的一個潛在的問題出現(xiàn)在,，當(dāng)行程增加,，由于電機是完全圓柱的而且沿著磁棒上下運動，唯一的支撐點在兩端,。保證磁棒的徑向偏差不至于導(dǎo)致磁體接觸推力線圈的長度總會有限制,。
編輯本段U 型槽式直線電機
U 型槽式直線電機有兩個介于金屬板之間且都對著線圈動子的平行磁軌。動子由導(dǎo)軌系統(tǒng)支撐在兩磁軌中間,。動子是非鋼的,，意味著無吸力且在磁軌和推力線圈之間無干擾力產(chǎn)生。非鋼線圈裝配具有慣量小,，允許非常高的加速度,。線圈一般是三相的，無刷換相,?？梢杂每諝饫鋮s法冷卻電機來獲得性能的增強。也有采用水冷方式的,。這種設(shè)計可以較好地減少磁通泄露因為磁體面對面安裝在U形導(dǎo)槽里,。這種設(shè)計也最小化了強大的磁力吸引帶來的傷害。 這種設(shè)計的磁軌允許組合以增加行程長度,，只局限于線纜管理系統(tǒng)可操作的長度,，編碼器的長度，和機械構(gòu)造的大而平的結(jié)構(gòu)的能力,。
編輯本段平板直線電機
有三種類型的平板式直線電機（均為無刷）：無槽無鐵芯,，無槽有鐵芯和有槽有鐵芯,。選擇時需要根據(jù)對應(yīng)用要求的理解。 無槽無鐵芯平板電機是一系列coils安裝在一個鋁板上,。由于FOCER 沒有鐵芯,，電機沒有吸力和接頭效應(yīng)（與U形槽電機同）。該設(shè)計在一定某些應(yīng)用中有助于延長軸承壽命,。動子可以從上面或側(cè)面安裝以適合大多數(shù)應(yīng)用,。這種電機對要求控制速度平穩(wěn)的應(yīng)用是理想的。如掃描應(yīng)用,，但是平板磁軌設(shè)計產(chǎn)生的推力輸出最低,。通常，平板磁軌具有高的磁通泄露,。所以需要謹慎操作以防操作者受他們之間和其他被吸材料之間的磁力吸引而受到傷害,。 無槽有鐵芯：無槽有鐵芯平板電機結(jié)構(gòu)上和無槽無鐵芯電機相似。除了鐵芯安裝在鋼疊片結(jié)構(gòu)然后再安裝到鋁背板上,，鐵疊片結(jié)構(gòu)用在指引磁場和增加推力,。磁軌和動子之間產(chǎn)生的吸力和電機產(chǎn)生的推力成正比，迭片結(jié)構(gòu)導(dǎo)致接頭力產(chǎn)生,。把動子安裝到磁軌上時必須小心以免他們之間的吸力造成傷害,。無槽有鐵芯比無槽無鐵芯電機有更大的推力。 有槽有鐵芯：這種類型的直線電機,，鐵心線圈被放進一個鋼結(jié)構(gòu)里以產(chǎn)生鐵芯線圈單元,。鐵芯有效增強電機的推力輸出通過聚焦線圈產(chǎn)生的磁場。鐵芯電樞和磁軌之間強大的吸引力可以被預(yù)先用作氣浮軸承系統(tǒng)的預(yù)加載荷,。這些力會增加軸承的磨損,，磁鐵的相位差可減少接頭力。
編輯本段小結(jié)
在實用的的和買的起的直線電機出現(xiàn)以前,，所有直線運動不得不從旋轉(zhuǎn)機械通過使用滾珠或滾柱絲杠或帶或滑輪轉(zhuǎn)換而來,。對許多應(yīng)用，如遇到大負載而且驅(qū)動軸是豎直面的,。這些方法仍然是最好的,。然而，直線電機比機械系統(tǒng)比有很多獨特的優(yōu)勢,，如非常高速和非常低速,，高加速度，幾乎零維護（無接觸零件）,，高精度,，無空回。完成直線運動只需電機無需齒輪，聯(lián)軸器或滑輪,，對很多應(yīng)用來說很有意義的,，把那些不必要的，減低性能和縮短機械壽命的零件去掉了,。
編輯本段優(yōu)點
?。?）結(jié)構(gòu)簡單。管型直線電機不需要經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)而直接產(chǎn)生直線運動,，使結(jié)構(gòu)大大簡化,，運動慣量減少，動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度大大提高,；同時也提高了可靠性,，節(jié)約了成本，使制造和維護更加簡便,。它的初次級可以直接成為機構(gòu)的一部分,，這種獨特的結(jié)合使得這種優(yōu)勢進一步體現(xiàn)出來。 ?。?）適合高速直線運動。因為不存在離心力的約束,，普通材料亦可以達到較高的速度,。而且如果初、次級間用氣墊或磁墊保存間隙,，運動時無機械接觸,，因而運動部分也就無摩擦和噪聲。這樣,，傳動零部件沒有磨損,，可大大減小機械損耗，避免拖纜,、鋼索,、齒輪與皮帶輪等所造成的噪聲，從而提高整體效率,。 ?。?）初級繞組利用率高。在管型直線感應(yīng)電機中,，初級繞組是餅式的,，沒有端部繞組，因而繞組利用率高,。 ?。?）無橫向邊緣效應(yīng)。橫向效應(yīng)是指由于橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱，而圓筒型直線電機橫向無開斷,，所以磁場沿周向均勻分布,。 （5）容易克服單邊磁拉力問題,。徑向拉力互相抵消,，基本不存在單邊磁拉力的問題。 ?。?）易于調(diào)節(jié)和控制,。通過調(diào)節(jié)電壓或頻率，或更換次級材料,，可以得到不同的速度,、電磁推力，適用于低速往復(fù)運行場合,。 ?。?）適應(yīng)性強。直線電機的初級鐵芯可以用環(huán)氧樹脂封成整體,，具有較好的防腐,、防潮性能，便于在潮濕,、粉塵和有害氣體的環(huán)境中使用,；而且可以設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式，滿足不同情況的需要,。
編輯本段工作原理
直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能,，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機按徑向剖開,，并展成平面而成,。 由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級,。在實際應(yīng)用時,，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變,。直線電機可以是短初級長次級,，也可以是長初級短次級?？紤]到制造成本,、運行費用，目前一般均采用短初級長次級,。 直線電動機的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機相似,。以直線感應(yīng)電動機為例：當(dāng)初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場，次級在行波磁場切割下,，將感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流,，該電流與氣隙中的磁場相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定,，則次級在推力作用下做直線運動,；反之，則初級做直線運動,。直線電機的驅(qū)動控制技術(shù)一個直線電機應(yīng)用系統(tǒng)不僅要有性能良好的直線電機,，還必須具有能在安全可靠的條件下實現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟要求的控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術(shù)與微計算機技術(shù)的發(fā)展,，直線電機的控制方法越來越多,。對直線電機控制技術(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),，具有較強的魯棒性,，是交流伺服電機驅(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，取長補短,，以獲得更好的控制性能,。 直線電機在數(shù)控機床中的應(yīng)用 一、引言 數(shù)控機床正在向精密,、高速,、復(fù)合、智能,、環(huán)保的方向發(fā)展,。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,，更高的進給速度和加速度,，更低的振動噪聲和更小的磨損。問題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動鏈從作為動力源的電動機到工作部件要通過齒輪,、蝸輪副,，皮帶、絲杠副,、聯(lián)軸器,、離合器等中間傳動環(huán)節(jié)，在些環(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使傳動性能有所提高,，但問題很難從根本上解決，于出現(xiàn)了“直接傳動”的概念,，即取消從電動機到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié),。隨著電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸,、直線電機,、力矩電機的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸,、直線和旋轉(zhuǎn)坐標運動的“直接傳動”概念變?yōu)楝F(xiàn)實,，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性,。直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)在機床進給驅(qū)動上的應(yīng)用，使機床的傳動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化,，并使機床性能有了新的飛躍,。 二、直線電機進給驅(qū)動的主要優(yōu)點 進給速度范圍寬,?？蓮?（1）m/s到20m/min以上，目前加工中心的快進速度已達208m/min,，而傳統(tǒng)機床快進速度<60m/min,，一般為20～30m/min。 速度特性好,。速度偏差可達（1）0.01%以下,。 加速度大。直線電機最大加速度可達30g,，目前加工中心的進給加速度已達3.24g,，激光加工機的進給加速度已達5g，而傳統(tǒng)機床進給加速度在1g以下,，一般為0.3g,。 定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制,，定位精度可達0.1～0.01（1）m,。應(yīng)用前饋控制的直線電機驅(qū)動系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態(tài)特性好,，響應(yīng)靈敏,，加上插補控制的精細化，可實現(xiàn)納米級控制,。 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4～6m,，更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40m以上,。 結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn),、噪聲小,，運動部件摩擦小,、磨損小、使用壽命長,、安全可靠,。 三、直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的進展 直線電機與普通電機在原理上類似,，它只是電機圓柱面的展開,，其種類與傳統(tǒng)電機相同，例如：直流直線電機,，交流永磁同步直線電機,，交流感應(yīng)異步直線電機，步進直線電機等,。 作為可控制運動精度的直線伺服電機在上世紀80年代末出現(xiàn)后,，隨著材料（如永磁材料）、功率器件,、控制技術(shù)及傳感技術(shù)的發(fā)展,，直線伺服電機的性能不斷提高，成本日益下降,，為其廣泛的應(yīng)用創(chuàng)造了條件,。 近年來，直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的進展表現(xiàn)在以下方面：（1）性能不斷提高（如推力,、速度,、加速度、分辨率等）,；（2）體積減小,，溫升降低；（3）品種覆蓋面廣,，可滿足不同類型機床的要求,；（4）成本大幅度下降；（5）安裝和防護簡便,；（6）可靠性好,；（7）包括數(shù)控系統(tǒng)在內(nèi)的配套技術(shù)日趨完善；（8）商品化程度高,。 目前世界上直線伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的知名供應(yīng)商主要有：德Siemens公司,，Indramat公司；日本FANUC,，三菱公司,；美國Anorad，科爾摩根公司,；瑞士ETEL公司等,。 具有代表性的直線電機產(chǎn)品的技術(shù)指標： FANUC L17000C3/2is,；最大推力17000N；連續(xù)推力3400N（自然冷）/4080N（氣冷）/6800（水冷）,；最大速度240m/min（4m/s）,；最大加速度30g；分辨率0.01（1）m,。 Siemens 1FN3：最大推力20700N,；連續(xù)推力8100N（水冷）；最大速度253m/min,。 在控制系統(tǒng)方面,，Siemens、FANUC等系統(tǒng)供應(yīng)商都可提供與直線電機控制相對應(yīng)的控制軟件和接口,。由于歐洲機床上應(yīng)用直線電機較多,，因此采用Siemens系統(tǒng)（如8l0D，840D）最多,。 中國科學(xué)院電工所,、浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等對直線電機開展了多年研究,，江蘇,、哈爾濱、廣東等一些公司已有小功率直線電機產(chǎn)品,。 清華大學(xué)在“十五”攻關(guān)項目中研制成功交流永磁同步直線電機及其伺服系統(tǒng),，其最大運動速度60m/min，最大加速度5g,，最大推力5000N,，目前已與江蘇瑞安特公司開始合作生產(chǎn)。 四,、直線電機進給驅(qū)動在機床上的應(yīng)用情況 表1 直線電機驅(qū)動的國產(chǎn)機床部分典型產(chǎn)品 機床類型 型號 廠商 主要特點 電火花成形機床 GV754L 北京機床研究所 快進速度24m/min 加速度1.5g 立式加工中心 VS1250 北京機電院高技術(shù) 股份公司 X/Y軸直線電機,， 快進80/120m/min 加速度0.8/1.5g 立式加工中心 XH716/5X-SM 江蘇多棱數(shù)控機床有限責(zé)任公司 X軸直線電機 車銑中心 沈陽機床集團 X軸直線電機， 快進60m/min 活塞車床 G-CNCP200 清華大學(xué) X軸直線電機 凸輪磨床 北京航空航天大學(xué) 頭架驅(qū)動用直線電機,， 精度提高,，無振紋 自1993年德國Ex-Cell-O公司研發(fā)出世界上第一臺直線電機驅(qū)動工作臺的加工中心以來，直線電機已在不同種類的機床上得到應(yīng)用,。2001年,、2003年歐洲機床展，2002年,、2004年日本機床展及美國機床展上每次都有幾十家公司的展品采用直線電機驅(qū)動系統(tǒng)。以2002年日本機床展JIMTOF為例,，在展的524臺數(shù)控機床中,，有25家公司41臺機床采用直線電機進給驅(qū)動【3>,，其中，加工中心11臺（立式8臺,，臥式3臺）,，電加工機床7臺（線切割4臺，成形機2臺,，小孔機1臺）,，磨床6臺（一般磨床4臺，齒輪磨床1臺,，坐標磨床1臺）,，非球面加工機和微型微細加工機5臺，車床4臺,，專用機床3臺,，激光加工機2臺，車磨復(fù)合機床1臺,，銑削加工單元（FMC）l臺,。 目前，世界上最知名的機床廠家?guī)缀鯚o一例外地都推出了直線電機驅(qū)動的機床產(chǎn)品,，品種覆蓋了絕大多數(shù)機床類型,。此外，在壓力機,、坐標測量機,、水切割機、等離子切割機,、快速原型機及半導(dǎo)體設(shè)備的X-Y工作臺上直線電機都有應(yīng)用,。 此外，浙江大學(xué)直線電機與現(xiàn)代驅(qū)動研究所開發(fā)了直線電機驅(qū)動的壓力機,、鋸床,、雕刻機、線切割機床,。 北京機電院高技術(shù)股份有限公司承擔(dān)的“十五”攻關(guān)項目《直線電機驅(qū)動的高速立式加工中心》,，于2003年研制成功國內(nèi)第一臺直線電機驅(qū)動的加工中心，并在2003年北京國際機床展覽會展出,。該機床X/Y軸采用直線電機驅(qū)動,，行程分別為1250/630mm，最大快移速度80/120m/min,，最大加速度O.8/1.5g,。機床在設(shè)計中對減輕運動部件質(zhì)量、加強機床剛性,、解決高速高加速運動下的抗沖擊性,、直線電機的防護,，以及控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)與直線電機的匹配和優(yōu)化調(diào)試等方面做了有益的探索并取得了成功,。為解決處于工作臺下方的Y軸直線電機的防護問題,，設(shè)計了密封的直線驅(qū)動軸部件，并獲得了國家專利,。經(jīng)測定,，該機床精度達到精密級加工中心標準，并有充分裕量,。一年多來該機床工作穩(wěn)定可靠,。課題組還對直線電機初級線圈與次級磁鐵（定子）的溫升進行了試驗。以X軸為例：X軸運動部件質(zhì)量>1000kg,，加速度設(shè)定為O.8g,，快移速度設(shè)定為70m/min，連續(xù)往復(fù)運動1小時以上,。試驗結(jié)果：10分鐘后初級線圈（水冷）溫升趨于平衡,，工作溫度穩(wěn)定在69℃左右，遠遠低于允許工作溫度（12℃）,。電機次級磁鐵溫升約2℃,。可見直線電機初級線圈與次級磁鐵（定子）的溫升對機床的熱影響有限,，可通過補償消除,。 五、發(fā)展趨勢 技術(shù)日益成熟 直線電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟,，已具有傳統(tǒng)傳動裝置無法比擬的優(yōu)越性能,。過去們所擔(dān)心的直線電機推力小、體積大,、溫升高,、可靠性差、不安全,、難安裝,、難防護等問題，隨著電機制造技術(shù)的改進,，已不再是大問題,。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及驅(qū)動控制系統(tǒng),，配以合理的機床設(shè)計,，完全可以生產(chǎn)出高性能、高可靠性的機床。現(xiàn)在直線電機驅(qū)動進給速度100m/min,，加速度1～2g的機床已很普遍,，已有機床達到快進240m/min，加速度5g的指標（日本AMADA激光切割機）,。日本Mazak公司宣稱，該公司將在近期推出快移速度500m/min,，加速度6g,，主軸速度80000r/min切削速度8馬赫的超音速加工中心。高速度高加速度的傳動已在加工中心,、數(shù)控銑床,、車床、磨床,、復(fù)合加工機床,、激光加工機床及重型機床上得到廣泛應(yīng)用，這類機床在航空,、汽車,、模具、能源,、通用機械等領(lǐng)域發(fā)揮著特殊的作用,。在電加工機床上采用直線電機驅(qū)動可實現(xiàn)0.1（1）m的精密平穩(wěn)移動,。在微細加工及精密磨削中,，可實現(xiàn)10um進給分辨率及20m/min的快移速度，加工表面粗糙度<1nm,。在重型機床上采用直線電機驅(qū)數(shù)噸重的運動部件已不成問題,。同步雙驅(qū)動控制技術(shù)已成熟應(yīng)用,。這些都說明直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)在機床上的應(yīng)用已經(jīng)成熟，并在不斷向前發(fā)展,，會給人們帶來更多的驚喜,。此外，在國際上已有不同類型,、不同規(guī)格的直線電機商品可提供,，配套的驅(qū)動控制系統(tǒng)、檢測裝置及高速導(dǎo)軌,、高速防護也都有相應(yīng)產(chǎn)品供貨,。 成本不斷下降，性能價格比更好 近年來,，直線電機系統(tǒng)成本不斷下降,，在機床成本中的比重明顯下降。DMG公司的DMC64V linear加工中心 （X軸采用直線電機驅(qū)動），國內(nèi)報價僅61.4萬元人民幣,。但目前采用直線電機驅(qū)動仍比傳統(tǒng)的傳動裝置價格要高,。因此，直線電機的應(yīng)用應(yīng)著眼于高性能機床,，特別是精密高速加工機床,、特種加工機床、大型機床,，解決傳統(tǒng)傳動方法不能解決的問題,。另外，提高加工精度和加工效率也會提升機床的價值,。例如,，美國Gincin－nati公司的HYPCR MACH高速加工中心，X軸長達46m,，采用直線電機驅(qū)動后,，加工大型薄壁飛機零件，用傳統(tǒng)方法加工一件要8小時,，而用該機床只需30分鐘,。DMG公司介紹其采用直線電機驅(qū)動的DMC、CTX,、GMC,、GMX系列產(chǎn)品生產(chǎn)效率可提高20%。據(jù)意大利JOBS公司介紹,，該公司生產(chǎn)的LinX系列產(chǎn)品保證了龍門加工中心在長距離移動上的超高性能【4>,，最大程度減少軸轉(zhuǎn)換操作的無效時間，其德國用戶采用LinX龍門加工中心（三軸均為直線電機驅(qū)動）加工模具,，由于無效時間大為縮短等因素,，加工效率比未采用直線電機的同類機床效率提高40%，而且由于傳動部件無磨損,，使用更可靠,，運行費用更低。JOBS在生產(chǎn)LinX產(chǎn)品時采用直線電機的成本只增加百分之幾,，但由于性能提高,，售價可增加15%～20%，機床利潤率明顯增加,。 產(chǎn)業(yè)化趨勢明顯 直線電機在機床上的應(yīng)用已不是樣品,，不是個例。近幾年已在幾十家著名企業(yè)的幾十類產(chǎn)品上推廣應(yīng)用,。據(jù)有關(guān)資料介紹,，1997年直線電機驅(qū)動的機床銷售量已達300臺,。2001年，德國DMG公司已在28種機型上采用直線電機,，年產(chǎn)量達1500臺（約3000多根直線電機驅(qū)動軸）,，占其總產(chǎn)量的1/3。意大利JOBS公司自1999年開發(fā)出LinX直線電機驅(qū)動的龍門加工中心后,，2003年該公司LinX系列產(chǎn)品已占全公司總產(chǎn)量的60%（年產(chǎn)50臺大型龍門加工中心和龍門銑床）,，并成為公司的主要利潤來源。有專家預(yù)測,，2005年直線電機驅(qū)動的機床將達到3000臺,，到2010年世界上將有20%的數(shù)控機床采用直線電機進給驅(qū)動，而這些機床都是高檔機床,，因此其產(chǎn)業(yè)化前景是不言而喻的。 六,、建議 我國在直線電機及驅(qū)動控制技術(shù)的研發(fā),、應(yīng)用與世界水平相差甚遠，至少有十年的差距,。無論產(chǎn)品的性能,、品種，還是在機床上的應(yīng)用僅處于起步階段,，甚至大量是空白,。如果我們不能抓住當(dāng)前宏觀經(jīng)濟形勢大好，市場需求旺盛的機遇,，在“十一五”期間加大投入,，在直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用上奮起直追，我國的高檔數(shù)控機床會更加落后,，這將不利于我國的國家安全和產(chǎn)業(yè)安全,。為此，建議在“十一五”規(guī)劃中對直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用予以充分考慮,。 在機床基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究中,，研究直接傳動技術(shù)應(yīng)用 1）直線電機驅(qū)動的直線運動部件和力矩電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計研究；2）高速,、高加速度運動下機床剛性及抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計,；3）吸振、抗振,、隔熱材料的應(yīng)用（如聚合物混凝土）,；4）輕型材料（如碳素纖維）在運動部件中的應(yīng)用；5）直線電機的安裝工藝及防護,；6）控制系統(tǒng),、直線電機驅(qū)動系統(tǒng)與機械部件的匹配及合理配置，運動部件的加速度、速度調(diào)整及運動特性的優(yōu)化,。 開發(fā)應(yīng)用直線電機驅(qū)動的高檔數(shù)控機床 在基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究基礎(chǔ)上,，開發(fā)應(yīng)用直線電機驅(qū)動控制的高檔數(shù)控機床及工藝裝備，以滿足高速精密復(fù)合加工的需求,。鼓勵機床企業(yè)將這類機床做為自己的工作母機,，在實際應(yīng)用中不斷改進設(shè)計，探索加工工藝,，向用戶提供展示和服務(wù),，并推向市場，逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,。 以上工作為少走彎路,，可完全選購國際上先進、成熟的直線電機功能部件及其控制系統(tǒng),，以使整機盡快達到國際同類產(chǎn)品水平,。 開發(fā)直線電機產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù) 在數(shù)控技術(shù)及關(guān)鍵功能部件中，開發(fā)直線電機產(chǎn)品（包括相應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)）,。數(shù)控技術(shù)中應(yīng)開發(fā)與直線電機驅(qū)動控制相匹配的軟件技術(shù),，例如高速及高加速條件下的伺服控制及其調(diào)整，高速,、高精度的插補技術(shù),，復(fù)雜加工程序的前瞻控制能力，機床動態(tài)特性參數(shù)優(yōu)化模型,，故障診斷與保證功能等,。同時，相應(yīng)開發(fā)與高速高加速運動相配套的高速導(dǎo)軌,、高速防護,、高速位置檢測裝置等。 七,、結(jié)束語 2006年即將開始“十一五”規(guī)劃,，從企業(yè)到行業(yè)，從地方到中央都在制定新的規(guī)劃,。就機床的發(fā)展而言,，直線電機無論作為功能部件還是其相關(guān)技術(shù)在機床中的應(yīng)用，都應(yīng)該得到足夠重視,。企業(yè)和研究部門應(yīng)根據(jù)自己的客觀條件選擇相關(guān)課題開展研究,，從戰(zhàn)略高度考慮發(fā)展直線電機及其驅(qū)動控制的機床產(chǎn)品，并逐步形成產(chǎn)業(yè),，占領(lǐng)高檔數(shù)控機床的重要制高點,。建議行業(yè)和政府相關(guān)規(guī)劃中予以大力支持,。
編輯本段應(yīng)用結(jié)構(gòu)
直線電機可以認為是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)方面的一種變形,它可以看作是一臺旋轉(zhuǎn)電機沿其徑向剖開,然后拉平演變而成。近年來,隨著自動控制技術(shù)和微型計算機的高速發(fā)展,對各類自動控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求,在這種情況下,傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機再加上一套變換機構(gòu)組成的直線運動驅(qū)動裝置,已經(jīng)遠不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求,為此,近年來世界許多國家都在研究,、發(fā)展和應(yīng)用直線電機,使得直線電機的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,。 直線電機與旋轉(zhuǎn)電機相比,主要有如下幾個特點：一是結(jié)構(gòu)簡單,由于直線電機不需要把旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的附加裝置,因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡化,重量和體積大大地下降；二是定位精度高,在需要直線運動的地方,直線電機可以實現(xiàn)直接傳動,因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差,故定位精度高,如采用微機控制,則還可以大大地提高整個系統(tǒng)的定位精度,；三是反應(yīng)速度快,、靈敏度高,隨動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐,因而使得動子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸,這就消除了定,、動子間的接觸摩擦阻力,因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度,、快速性和隨動性；四是工作安全可靠,、壽命長,。直線電機可以實現(xiàn)無接觸傳遞力,機械摩擦損耗幾乎為零,所以故障少,免維修,因而工作安全可靠、壽命長,。 直線電機主要應(yīng)用于三個方面：一是應(yīng)用于自動控制系統(tǒng),這類應(yīng)用場合比較多,；其次是作為長期連續(xù)運行的驅(qū)動電機；三是應(yīng)用在需要短時間,、短距離內(nèi)提供巨大的直線運動能的裝置中。 高速磁懸浮列車 磁懸浮列車是直線電機實際應(yīng)用的最典型的例子,目前,美,、英,、日、法,、德,、加拿大等國都在研制直線懸浮列車,其中日本進展最快。 直線電機驅(qū)動的電梯 世界上第一臺使用直線電機驅(qū)動的電梯是1990年4月安裝于日本東京都關(guān)島區(qū)萬世大樓,該電梯載重600kg,速度為105m/min,提升高度為22.9m,。由于直線電機驅(qū)動的電梯沒有曳引機組,因而建筑物頂?shù)臋C房可省略,。如果建筑物的高度增至1000米左右,就必須使用無鋼絲繩電梯,這種電梯采用高溫超導(dǎo)技術(shù)的直線電機驅(qū)動,線圈裝在井道中,轎廂外裝有高性能永磁材料,就如磁懸浮列車一樣,采用無線電波或光控技術(shù)控制。 超高速電動機 在旋轉(zhuǎn)超過某一極限時,采用滾動軸承的電動機就會產(chǎn)生燒結(jié),、損壞現(xiàn)象,。為此近年來,國外研制了一種直線懸浮電動機(電磁軸承),采用懸浮技術(shù)使電機的動子懸浮在空中,消除了動子和定子之間的機械接觸和摩擦阻力,其轉(zhuǎn)速可達25000～100000r/min以上,因而在高速電動機和高速主軸部件上得到廣泛的應(yīng)用。如日本安川公司新近研制的多工序自動數(shù)控車床用5軸可控式電磁高速主軸采用兩個經(jīng)向電磁軸承和一個軸向推力電磁軸承,可在任意方向上承受機床的負載,。在軸的中間,除配有高速電動機以外,還配有與多工序自動數(shù)控車床相適應(yīng)的工具自動交換機構(gòu),。
