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　　摘要：簡述了直線電機工作原理及其驅動技術，并且舉例說明了直線電機直接驅動與傳統數控機床“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”的傳動方式對比具有的巨大優勢。介紹了直線電機進給驅動技術在數控機床上的幾個應用實例，指出直線電機進給驅動技術將是高速數控機床未來發展的方向。

　　引言

　　隨著航空航天、汽車制造、模具加工、電子制造行業等領域對高效率地進行加工的要求越來越高，需要大量高速數控機床。機床進給系統是高速機床的主要功能部件。而直線電機進給系統徹底改變了傳統的滾珠絲杠傳動方式存在的彈性變形大、響應速度慢、存在反向間隙、易磨損等先天性的缺點，并具有速度高、加速度大、定位精度高、行程長度不受限制等優點，令其在數控機床高速進給系統領域逐漸發展為主導方向。

　　1 直線電機及其驅動技術

　　現代先進的驅動技術主要分為兩大類：一類為電磁式的，另一類則為非電磁式的。

　　電磁類的現代先進的驅動技術主要由現代電磁類驅動器與現代控制系統組成，它的驅動器包括傳統改進型的電磁驅動器與新發展型的電磁驅動器。它們中有旋轉的、直線的、磁浮的、電磁發射的等等。除了在一般通用電機技術基礎上改進獲得的電機技術外，還有更多的是在通用電機技術基礎上進一步發展的新型電機技術，如直線電機技術、無刷直流電機技術、開關磁阻電機技術和各種新型永磁電機技術等。

　　直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能而不需通過中問任何轉換裝置的新穎電機，它具有系統結構簡單、磨損少、噪聲低、組合性強、維護方便等優點。旋轉電機所具有的品種，直線電機幾乎都有相對應的品種，其應用范圍正在不斷擴大，并在一些它所能獨特發揮作用的地方取得了令人滿意的效果。

　　直線電機結構示意圖如下圖所示。直線電機是將傳統圓筒型電機的初級展開拉直，變初級的封閉磁場為開放磁場，而旋轉電機的定子部分變為直線電機的初級，旋轉電機的轉子部分變為直線電機的次級。在電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，在初級和次級間產生氣隙磁場，氣隙磁場的分布情況與旋轉電機相似，沿展開的直線方向呈正弦分布。當三相電流隨時問變化時，使氣隙磁場按定向相序沿直線移動，這個氣隙磁場稱為行波磁場。當次級的感應電流和氣隙磁場相互作用便產生了電磁推力，如果初級是固定不動的，次級就能沿著行波磁場運動的方向做直線運動。即可實現高速機床的直線電機直接驅動的進給方式，把直線電機的初級和次級分別直接安裝在高速機床的工作臺與床身上。由于這種進給傳動方式的傳動鏈縮短為0，被稱為機床進給系統的“零傳動”。

　　與“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”傳動方式相比較，直線電機直接驅動有以下優點：(1)高速度，目前最大進給速度可達100～200m/min。(2)高加速度，可高達2g～10g。(3)定位精度高，由于只能采用閉環控制，其理論定位精度可以為0，但由于存在檢測元件安裝、測量誤差，實際定位精度不可能為0。最高定位精度可達0.1～0.01m。(4)行程不受限制，由于直線電機的次級(定子)可以一段一段地鋪在機床床身上，不論有多遠，對系統的剛度不會產生影響。例如，美國CincinnatiMilacron公司為航空工業生產了一臺HyperMach大型高速加工中心，主軸轉速為60000r/min，主電機功率為80kW。直線進給采用了直線電機，其軸行程長達46m，工作臺快速行程為100m/min，加速度達2g。在這種機床上加工一個大型薄壁飛機零件只需30min;而同樣的零件在一般高速銑床上加工，費時3h;在普通數控銑床上加工，則需8h，優勢相當明顯[1]。

　　2 直線電機在數控機床的應用

　　現代數控機床經過半個世紀的發展，其加工速度和加工精度得到極大提高。其加工精度從最初的0.01mm到現在的1μm，提高了10000倍，加工速度則從每分鐘幾十毫米提高到每分鐘幾十米，提高了1000倍。機床技術水平的高速發展是機床自動化技術發展的結果，也是以CNC為代表的先進制造技術對傳統機械制造業的滲透，從而形成的機電一體化產品的結果[2]。

　　數控機床采用直線電機驅動技術，克服了傳統驅動方式的許多缺陷，獲得了極高的性能指標和優點。國外在高速加工中心上已廣泛應用直線電機驅動，同時也應用到機床裝備的各個領域，使機床的各項性能大為提高。1993年德國Ex—cell—O公司在漢諾威國際機床博覽會上展出了世界上第一臺應用直線電機驅動技術的HSC一240型超高速加工中心，該機床最大快移速度為60m/min。日本機床裝備發展迅猛，高檔機床大量采用直線電機驅動技術。早在1998年第十九屆JIMTOF上，就展出了8臺直線電機作進給驅動的機床。在2002年日本東京第二十一屆JIMTOF機床展上23家公司展出了41臺裝有直線電機的數控機床，包括加工中心11臺[3]。目前，采用直線電機驅動技術的機床是日本機床生產商供應的主流實用機床。歐美西方工業大國的機床制造廠商也大量應用直線電機驅動技術，著名的有DMG、Sodick、Kings—bury、Anorad、Jobs和ForestLine等公司。在2003年的意大利米蘭EMO2003國際機床展上，直接驅動已經成為高性能機床的重要技術手段，會展中德國DMG公司展品多為直線電機驅動。大批高性能加工中心采用了直線電機直接驅動技術。使用直線電機比用滾珠絲桿傳動的成本已從l0年前的高30%，降低到目前只高15%～20%，而且參展商普遍認為用戶可以節省運行成本20%以上，從而可以及時收回附加投資。JOBS公司認為有一半以上的機床采用直線電機在技術上和經濟上都是值得的[4]。

　　國內直線電機技術的研究始于20世紀7O年代，上海電機廠、寧波大學、沈陽工業大學、清華大學、國防科技大學、浙江大學、廣東工業大學等高校都做了相關研究[5-6]，但未能實現真正應用到高速機床上，大推力、長行程的進給，不是真正意義上的應用在高速機床上的直線電機進給單元。清華大學機械學系制造工程研究所研究的長行程永磁直線伺服單元額定推力1 500N，最高速度60m/min，行程600mm[7]。沈陽工業大學研究的重點擺在了永磁同步直線電動機的控制方式及伺服系統[8];在CIM T2003(中國國際機床展覽會)上，北京機電院高技術股份公司、江蘇多棱數控機床股份有限公司展出了國產首批直線電機驅動的立式加工中心(VS1250)，其X、Y軸采用了直線電機，最大進給速度60m/s。采用直線光柵尺反饋，全閉環控制，定位精度高，穩定性好。該加工中心采用了西門子840D系統，具有很高的可靠性與穩定性[9]。這些研究工作為直線電機技術在高速機床上的應用發揮了積極作用。目前在我國機床行業中，應用直線電機進給系統的產品越來越多。在CIMT2005上，作為全球最大的切削機床制造商之一的DWG公司，其產品中有1/3的采用了直線電機驅動技術，展出的DMC 75V linear精密立式加工中心所有進給軸都采用高動力性能直線電機驅動，良好動態特性的基礎是采用了高度穩定的龍門結構和經優化的高剛度床身，加速度高達2g，快移速度90m/min，從而可使生產率提高20% ，該系列加工中心特別適合于模具加工[10]。2006年，德國Zimmermann公司推出了直線驅動龍門銑床FZ38，直線電機驅動通過高 因素獲得高水平的標準控制，使得即便是在高進給率的情況下仍能保持非常小的拖曳距離和高定位精度[11]。DMG推出了Sprint 65直線驅動機床，在置軸上加速度達到g，快移速度40m/min[12] 。在2007年4月的中國國際機床展(CIMT2007)上，直線電機的應用越來越廣泛，杭州機床集團有限公司推出了國內首次使用直線電機的平面磨床(MUGK7120X5)。全球領先的運動控制解決方案提供商丹納赫傳動，在現場的研討會中提到直接驅動電機近年來在國內外都得到了客戶的廣泛認可，它改變了原有旋轉電機加絲杠的結構，大大簡化了機械的設計，提高了工作效率。

　　3 總結與展望

　　直線電機驅動技術與數控機床制造的結合大大促進了世界制造業的發展，大大提高了加工精度和加工效率。直線電機進給系統是一種能把電能直接轉換成直線運動的機械能，且不需要任何中間傳動環節的驅動裝置。它將傳統的回轉運動轉變為直接的直線運動，因此機床的速度、加速度、剛度、動態性能得到完全改觀。通過采用直線電機驅動技術使得在高速移動中獲得高的定位精度成為現實，有效克服通過傳統旋轉電機進行驅動時，機械傳動機構傳動鏈較長、體積大、效率低、能耗高、精度差等缺點。所以，直線電機驅動技術將是高速數控機床未來發展的方向。

　　線性馬達原理

　　一般電動機工作時都是轉動的.但是用旋轉的電機驅動的交通工具(比如電動機車和城市中的電車等)需要做直線運動，用旋轉的電機驅動的機器的一些部件也要做直線運動.這就需要增加把旋轉運動變為直線運動的一套裝置.能不能直接運用直線運動的電機來驅動，從而省去這套裝呢?幾十年前人們就提出了這個問題.現在已制成了直線運動的電動機，即直線電機.

　　1工作原理.

　　直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以觀成是一臺旋轉電機按徑向剖開，并展成平面而成

　　由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際應用時，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電動機相似。以直線感應電動機為例：當初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應出電動勢并產生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產生電磁推力。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。

　　直線電機的原理并不復雜.設想把一臺旋轉運動的感應電動機沿著半徑的方向剖開，并且展平，這就成了一臺直線感應電動機(圖).在直線電機中，相當于旋轉電機定子的，叫初級;相當于旋轉電機轉子的，鳴次級.初級中通以交流，次級就在電磁力的作用下沿著初級做直線運動.這時初級要做得很長，延伸到運動所需要達到的位置，而次級則不需要那么長.實際上，直線電機既可以把初級做得很長，也可以把次級做得很長;既可以初級固定、次級移動，也可以次級固定、初級移動.

　　2.應用

　　直線電機是一種新型電機，近年來應用日益廣泛.磁懸浮列車就是用直線電機來驅動的.

　　磁懸浮列車是一種全新的列車.一般的列車，由于車輪和鐵軌之間存在摩擦，限制了速度的提高，它所能達到的最高運行速度不超過300km/n.磁懸浮列車是將列車用磁力懸浮起來，使列車與導軌脫離接觸，以減小摩擦，提高車速。列車由直線電機牽引.直線電機的一個級固定于地面，跟導軌一起延伸到遠處;另一個級安裝在列車上.初級通以交流，列車就沿導軌前入.列車上裝有磁體(有的就是兼用直線電機的線圈)，磁體隨列車運動時，使設在地面上的線圈(或金屬板)中產生感應電流，感應電流的磁場和列車上的磁體(或線圈)之間的電磁力把列車懸浮起來.懸浮列車的優點是運行平穩，沒有顛簸，噪聲小，所需的牽引力很小，只要幾千kw的功率就能使懸浮列車的速度達到550km/h.懸浮列車減速的時候，磁場的變化減小，感應電流也減小，磁場減弱，造成懸浮力下降.懸浮列車也配備了車輪裝置，它的車輪像飛機一樣，在行進時能及時收入列車，?？繒r可以放下來，支持列車.要使質量巨大的列車靠磁力懸浮起來，需要很強的磁場，實用中需要用高溫超導線圈產生這樣強大的磁場.

　　直線電機除了用于磁懸浮列車外，還廣泛地用于其他方面，例如用于傳送系統、電氣錘、電磁攪拌器等.在我國，直線電機也逐步得到推廣和應用.直線電機的原理雖不復雜，但在設計、制造方面有它自己的特點，產品尚不如旋轉電機那樣成熟，有待入一步研究和改入.其他可參考直線電機和傳統的旋轉電機+滾珠絲杠運動系統的比較在機床進給系統中，采用直線電動機直接驅動與原旋轉電機傳動的最大區別是取消了從電機到工作臺(拖板)之間的機械傳動環節，把機床入給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為"零傳動"。正是由于這種"零傳動"方式，帶來了原旋轉電機驅動方式無法達到的性能指標和優點。

　　1)高速響應由于系統中直接取消了一些響應時間常數較大的機械傳動件(如絲杠等)，使整個閉環控制系統動態響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。

　　2)精度直線驅動系統取消了由于絲杠等機械機構產生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。

　　3)動剛度高由于"直接驅動"，避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環節的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現象，同時也提高了其傳動剛度。

　　4)速度快、加減速過程短由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列車(時速可達500Km/h)，所以用在機床進給驅動中，要滿足其超高速切削的最大進個速度(要求達60~100M/min或更高)當然是沒有問題的。也由于上述"零傳動"的高速響應性，使其加減速過程大大縮短。以實現起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停?？色@得較高的加速度，一般可達2~10gg=9.8m/s2)，而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般只有0.1~0.5g。

　　5)行程長度不受限制在導軌上通過串聯直線電動機，就可以無限延長其行程長度。

　　6)運動動安靜、噪音低由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌(無機械接觸)，其運動時噪音將大大降低。

　　7)效率高由于無中間傳動環節，消除了機械摩擦時的能量損耗，傳動效率大大提高

　　線性馬達與旋轉電機(滾珠絲杠)的比較

　　1 速度比較

　　在速度方面直線電機具有相當大的優勢。直線電機的速度為300m/min;加速度為10g。滾珠絲杠的速度為120 m/min;加速度為1.5g。

　　從速度和加速度的對比上直線電機具有相當大的優勢，而且直線電機在成功解決發熱問題后速度還會進一步提高，而“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”在速度上卻受到了較多限制很難再有所提高。從動態響應來講直線電機因運動慣量和間隙以及機構復雜性等問題而占有絕對優勢。

　　在速度控制方面，直線電機響應更快，調速范圍更寬，達1:10000，可以在啟動瞬間達到最高轉速，而且在高速運行時能迅速停止。

　　2 精度比較

　　精度方面直線電機因傳動機構簡單減少了插補滯后的問題，定位精度、重現精度和絕對精度通過位置檢測反饋控制都會較“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”高，且容易實現。

　　直線電機定位精度可達0.1μm。“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”的精度最高為2~5μm，要求CNC-伺服電機-無隙聯軸器-止推軸承-冷卻系統-高精度滾動導軌-螺母座-工作臺閉環整個系統的傳動部分要輕量化，光柵精度要高。

　　若想達到較高的平穩性“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”要采取雙軸驅動，直線電機是高發熱部件，需采取強冷措施。達到相同的目的，直線電機要付出更大代價。

　　3 價格比較

　　在價格上直線電機要比“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”裝置高出很多，這也是限制直線電機被更廣泛應用的一個重要原因。

　　4 能耗比較

　　“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”屬于節能增力型傳動部件。在提供相同轉矩時，直線電機消耗的能源約比“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”多一倍以上。而且直線電機的可靠性受控制系統穩定性的影響，且對周邊環境有較大影響，因此必須采取有效的隔磁和防護措施以隔斷磁場對滾動導軌的影響和對銑屑磁塵的吸附。