1引言
高速化、精密化和模塊化是現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展方向。新的切削理論認(rèn)為：當(dāng)切削速度達(dá)到一定程度(約500m/min)后，切削區(qū)溫度不再上升，并且切削力反而會減小，刀具磨損也減少。這樣在提高生產(chǎn)率的同時(shí)還能提高零件的表面質(zhì)量和加工精度。
一般來說，高速加工的切削速度和進(jìn)給速度都比常規(guī)加工要高出一個數(shù)量級。因此高速主軸和快速進(jìn)給系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高速加工的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中對進(jìn)給系統(tǒng)提出了以下新要求：(1)進(jìn)給速度必須與高速主軸相匹配，達(dá)到60m/min或更高：(2)加速度要大，這樣才能在最短的時(shí)間和行程內(nèi)達(dá)到要求的高速度，至少要1～2g：(3)動態(tài)性能要好，能實(shí)現(xiàn)快速的伺服控制和誤差補(bǔ)償，具有較高的定位精度和剛度。
長期以來，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)主要是“旋轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)，滾珠絲杠”，這種進(jìn)給系統(tǒng)所能達(dá)到的最高進(jìn)給速度為90～120m/min，最大加速度只有1.5g。同時(shí)，由于從電動機(jī)主軸到工作臺之間存在聯(lián)軸節(jié)、絲杠、螺母、軸承、支架等一系列中間環(huán)節(jié)，當(dāng)進(jìn)給部件要完成啟動、加減速、反轉(zhuǎn)、停車等動作時(shí)，這些機(jī)械元件產(chǎn)生的彈性變形、摩擦、反向間隙等，會造成進(jìn)給運(yùn)動的滯后和其它許多非線性誤差：這些中間環(huán)節(jié)也加大了系統(tǒng)的慣性質(zhì)量，影響了對運(yùn)動指令的快速響應(yīng)。另外，絲杠是細(xì)長桿，在力和熱的作用下，會產(chǎn)生變形，影響加工精度。
為了克服傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)的缺點(diǎn)，簡化機(jī)床結(jié)構(gòu)，滿足高速精密加工的要求，人們開始研究新型的進(jìn)給系統(tǒng)，直線電動機(jī)就是最有前途的快速進(jìn)給系統(tǒng)。它取消了源動力和工作臺部件之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，使得機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的長度為零，這就是所謂的“直接驅(qū)動”或“零傳動”。
2直線電動機(jī)的原理和分類
所謂直線電動機(jī)就是利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換直線運(yùn)動動能的設(shè)備。在實(shí)際的應(yīng)用中，為了保證在整個行程之內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變，一般要將初級與次級制造成不同的長度。
直線電動機(jī)與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)類似，通入三相電流后，也會在氣隙中產(chǎn)生磁場，如果不考慮端部效應(yīng)，磁場在直線方向呈正弦分布，只是這個磁場是平移而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場。行波磁場與次級相互作用便產(chǎn)生電磁推力，這就是直線電動機(jī)運(yùn)行的基本原理。
由于直線電動機(jī)和旋轉(zhuǎn)電動機(jī)之間存在以上對應(yīng)關(guān)系，因此每種旋轉(zhuǎn)電動機(jī)都有相對應(yīng)的直線電動機(jī)，但直線電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式比旋轉(zhuǎn)電動機(jī)更靈活。直線電動機(jī)按工作原理可分為：直線直流電動機(jī)、直線感應(yīng)電動機(jī)、直線同步電動機(jī)、直線步進(jìn)電動機(jī)、直線壓電電動機(jī)及直線磁阻電動機(jī)：按結(jié)構(gòu)形式可分為平板式、U形及圓筒式。
3直線電動機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)分析
直線電動機(jī)的特點(diǎn)在于直接產(chǎn)生直線運(yùn)動，與間接產(chǎn)生直線運(yùn)動的“旋轉(zhuǎn)電動機(jī)，滾動絲杠”相比，其優(yōu)點(diǎn)是(具體性能見下表)：(1)沒有機(jī)械接觸，傳動力是在氣隙中產(chǎn)生的，除了導(dǎo)軌外沒有其它摩擦：(2)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，以最少的零部件數(shù)量實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動，而且是只有一個運(yùn)動的部件：(3)行程在理論上不受限制，而且性能不會因?yàn)樾谐痰母淖兌艿接绊懀?4)可以提供很寬的速度范圍，從每秒幾微米到數(shù)米，特別是高速是其一個突出的優(yōu)點(diǎn)：(5)加速度很大，最大可達(dá)10g：(6)運(yùn)動平穩(wěn)，這是因?yàn)槌似鹬巫饔玫闹本�導(dǎo)軌或氣浮軸承外，沒有其它機(jī)械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故：(7)精度和重復(fù)精度高，因?yàn)橄擞绊懢鹊闹虚g環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的精度取決于位置檢測元件，有合適的反饋裝置可達(dá)亞微米級：(8)維護(hù)簡單，由于部件少，運(yùn)動時(shí)無機(jī)械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護(hù)，使用壽命更長。直線電動機(jī)與“旋轉(zhuǎn)電動機(jī)，滾珠絲杠”傳動性能比較表性能旋轉(zhuǎn)電動機(jī)+滾珠絲杠直線電動機(jī)。
精度(μm/300mm)100.5
重復(fù)精度(μm)20.1
最高速度(m/min)90～12060～200
最大加速度(g)1.52～10
靜態(tài)剛度(N/μm)90～18070～270
動態(tài)剛度(N/μm)90～180160～210
平穩(wěn)性(%速度)101
調(diào)整時(shí)間(ms)10010～20
壽命(h)6000～1000050000
直線電動機(jī)的缺點(diǎn)是：首先直線電動機(jī)端部磁場的畸變影響到行波磁場的完整性，使直線電動機(jī)損耗增加，推力減小，而且存在較大的推力波動，這就是直線電動機(jī)特有的“端部效應(yīng)(EdgeEffect)”。直線電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了端部效應(yīng)是不可避免的。其次直線電動機(jī)的控制難度大，因?yàn)樵陔妱訖C(jī)的運(yùn)行過程中負(fù)載(如工件重量、切削力等)的變化、系統(tǒng)參數(shù)攝動和各種干擾(如摩擦力等)，包括端部效應(yīng)都直接作用到電動機(jī)上，沒有任何緩沖或削弱環(huán)節(jié)，如果控制系統(tǒng)的魯棒性不強(qiáng)，會造成系統(tǒng)的失穩(wěn)和性能的下降。其他缺點(diǎn)包括安裝困難、需要隔磁、效率低、成本高等。
制造業(yè)中滿足高速加工中心進(jìn)給系統(tǒng)要求的主要是交流直線電動機(jī)。交流直線電動機(jī)可分為感應(yīng)式和同步式兩大類。雖然同步式直線電動機(jī)比感應(yīng)式直線電動機(jī)成本較高、裝配困難、需要屏蔽磁場，但效率較高、結(jié)構(gòu)簡單、次級不用冷卻、控制方便、更容易達(dá)到所要求的高性能，并且隨著釹鐵硼(NdFeB)永磁材料的出現(xiàn)和發(fā)展，永磁同步直線電動機(jī)將逐漸發(fā)展成主流。因此在高速加工中心中永磁交流同步直線電動機(jī)所占的比例將越來越高。
4直線電動機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用
國外直線電動機(jī)發(fā)展
發(fā)展歷史
直線電動機(jī)發(fā)展的起點(diǎn)并不比旋轉(zhuǎn)電動機(jī)晚很多，在世界上出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電動機(jī)后不久，就出現(xiàn)了直線電動機(jī)的雛形，但直線電動機(jī)的發(fā)展過程是曲折的。
1845年英國人CharlesWheastone發(fā)明了世界上第一臺直線電動機(jī)，但這種直線電動機(jī)由于氣隙過大而導(dǎo)致效率很低，未獲成功。到20世紀(jì)中葉，控制、電子、材料等技術(shù)的發(fā)展，為直線電動機(jī)的開發(fā)提供了理論和技術(shù)上的支持，直線電動機(jī)開始進(jìn)入新的發(fā)展階段。英國的E.R.Laithwaite教授是現(xiàn)代直線電動機(jī)發(fā)展的先驅(qū)者，他強(qiáng)調(diào)直線電動機(jī)的基礎(chǔ)研究，以他為首的研究小組取得了不少重要的成果。代表人物還有日本的山田一教授，他撰寫了多本有關(guān)直線電動機(jī)的著作。20世紀(jì)70年代以后，直線電動機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣泛，如自動繪圖儀、液態(tài)金屬泵(MHD)、電磁錘、輕工機(jī)械、家電、空氣壓縮機(jī)和半導(dǎo)體制造裝置等。90年代以后，隨著高速加工概念的提出，直線電動機(jī)開始作為進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)在加工中心中。由于直接驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)具有傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)和潛力，再次受到各國的重視。據(jù)有關(guān)報(bào)導(dǎo)，美國1997年直線電動機(jī)及驅(qū)動裝置的銷售額為4553萬美元，預(yù)計(jì)2002年將達(dá)到10772萬美元。
直線電動機(jī)作為一種機(jī)電系統(tǒng)，將機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單化，電氣控制復(fù)雜化，符合現(xiàn)代機(jī)電技術(shù)的發(fā)展趨勢。
美國的Anorad公司是世界上最著名的直線電動機(jī)生產(chǎn)商，該公司在1988年就推出了無刷直流直線電動機(jī)，并獲得美國專利。公司主要生產(chǎn)永磁同步式直線電動機(jī)，形成了不同結(jié)構(gòu)、不同功率的一系列產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。
德國的Indramat公司既生產(chǎn)感應(yīng)式直線電動機(jī)，又生產(chǎn)永磁式直線電動機(jī)，共50多個型號。永磁式具有高效率(最高1.72N/W)和高推力密度的特點(diǎn)。據(jù)報(bào)導(dǎo)，其產(chǎn)品速度能達(dá)到600m/min，推力達(dá)22kN。
為了降低直線電動機(jī)的價(jià)格，Trilogy公司推出了直線編碼模塊(LEM)。它利用電動機(jī)的磁場提供位置的反饋，與行程無關(guān)�？晒ぷ饔趷毫拥沫h(huán)境，提供的換向信號與全行程傳感器一樣，分辨率和重復(fù)精度為5μm。
其他直線電動機(jī)生產(chǎn)商的產(chǎn)品各具特色，詳細(xì)請見劉金凌等所著《高頻響直流直線電機(jī)》(刊于《微特電機(jī)》1993年第4期)。
在機(jī)床和加工中心的應(yīng)用
直線電動機(jī)在高速加工中心和其它大行程數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的應(yīng)用還是近幾年的事情。安裝直線電動機(jī)的機(jī)床必須有先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)、很高的剛度和固有頻率，移動部件的質(zhì)量要盡量小，這樣才能充分發(fā)揮直線電動機(jī)的能力。另外，機(jī)床中直接驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要考慮冷卻與散熱問題。為了防止切屑和各種粉末被直線電動機(jī)的敞開式磁場吸引，還必須采取隔磁和防磁措施。此外，直線電動機(jī)不象絲杠那樣可以自鎖，如果電動機(jī)垂直安裝，還要考慮平衡配重和制動等環(huán)節(jié)。
Ford、Ingersoll和Anorad公司在80年代中期的合作，最初實(shí)現(xiàn)了直線電動機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用。Ford公司希望機(jī)床既高速、高精度，又高柔性。合作的結(jié)果是Ingersoll公司推出了“高速模塊”HVM800，其三軸都安裝了Anorad公司的永磁式直線電動機(jī)，獲得很好的性能。
德國Ex-Cell-O公司于1993年在德國漢諾威歐洲機(jī)床展覽會上展出世界上第一臺直線電動機(jī)驅(qū)動工作臺的XHC240型高速加工中心，采用的是德國Indramat公司開發(fā)的感應(yīng)式直線電動機(jī)，各軸移動速度高達(dá)80m/min，加速度可達(dá)1g。之后，許多廠商紛紛推出安裝直線電動機(jī)的加工中心。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1997年采用直線電動機(jī)的機(jī)床銷售量為300臺，預(yù)計(jì)到2005年將增加到3000臺。10年后，將有20%的數(shù)控機(jī)床安裝直線電動機(jī)。
除了切削加工機(jī)床外，其他機(jī)床如激光切割、等離子切割、電火花加工等設(shè)備也開始應(yīng)用直線電動機(jī)。
國內(nèi)直線電動機(jī)的研究情況
雖然國內(nèi)研究直線電動機(jī)的單位不少，但將直線電動機(jī)作為機(jī)床或加工中心進(jìn)給系統(tǒng)研究的主要有3所大學(xué)：廣東工業(yè)大學(xué)成立了“超高速加工與機(jī)床研究室”，主要研究和開發(fā)“超高速電主軸”和“直線電動機(jī)高速進(jìn)給單元”。他們研究的是直線感應(yīng)電動機(jī)，開發(fā)了GD-3型直線電動機(jī)高速數(shù)控進(jìn)給單元，額定進(jìn)給力為2kN，最高進(jìn)給速度100m/min，定位精度0.004mm，行程為800mm。從90年代后期開始，沈陽工業(yè)大學(xué)對永磁直線同步電動機(jī)進(jìn)行研究，并制造了推力為100N的樣機(jī)。他們研究的另一重點(diǎn)是電動機(jī)的控制方式及伺服系統(tǒng)，并就此發(fā)表了多篇論文。清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系制造工程研究所成功地研制了高頻響直流直線電動機(jī)，行程可達(dá)5mm，截止頻率大于250Hz，推力達(dá)幾百牛頓，用于驅(qū)動中凸變活塞車床的橫向刀架，在實(shí)際加工中獲得了較好的應(yīng)用效果�，F(xiàn)在正在進(jìn)行研究的是長行程永磁直線伺服單元，電動機(jī)的額定推力為1500N，最高速度60m/min，空載最大加速度1g，行程600mm。
應(yīng)該看到，在國內(nèi)，直線電動機(jī)特別是機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的直線伺服電動機(jī)的研究還處于起步階段，研究人員和經(jīng)費(fèi)明顯不足，進(jìn)展也比較慢，和國外的差距越來越大，加強(qiáng)研究已是迫在眉睫。為了打破國外的技術(shù)壟斷，必須走技術(shù)跟蹤和自主開發(fā)相結(jié)合的道路，加強(qiáng)基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)的研究。
5發(fā)展趨勢與研究方向
發(fā)展趨勢
目前直線電動機(jī)直接驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢：
機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)用直線伺服電動機(jī)，將以永磁式為主導(dǎo)：
將電動機(jī)、編碼器、導(dǎo)軌、電纜等集成，減小電動機(jī)尺寸，便于安裝和使用：
將各功能部件(導(dǎo)軌、編碼器、軸承、接線器等)模塊化：
注重相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，如位置反饋元件、控制技術(shù)等，這是提高直線電動機(jī)性能的基礎(chǔ)。
研究方向
直線電動機(jī)的研究目標(biāo)是提高電動機(jī)性能，滿足應(yīng)用要求。直線電動機(jī)的主要性能包括速度、加速度、推力及其波動、定位精度、重復(fù)定位精度、機(jī)械特性(速度-推力特性)、瞬態(tài)性能(速度響應(yīng))和熱特性等。
作為一種機(jī)電系統(tǒng)，要提高性能無非可從結(jié)構(gòu)和控制兩方面著手。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
直線電動機(jī)包括初、次級磁路結(jié)構(gòu)以及支撐、傳感測量、冷卻、防塵、防護(hù)等機(jī)械結(jié)構(gòu)。
磁路設(shè)計(jì)磁路設(shè)計(jì)最重要的任務(wù)是使電動機(jī)的推力和推力波動達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
電動機(jī)內(nèi)磁場分布的計(jì)算是磁路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，使得直線電動機(jī)存在端部效應(yīng)，引起磁場的畸變，同時(shí)使用硅鋼片等軟磁材料來聚合磁路，媒質(zhì)邊界曲折交錯、磁路復(fù)雜、非線性強(qiáng)。如果采用傳統(tǒng)的等效磁路法或圖解法進(jìn)行計(jì)算，將會產(chǎn)生較大的誤差，甚至是不可能的。因此目前普遍采用數(shù)值解法—主要是用有限元法(FEM)來計(jì)算直線電動機(jī)的磁場分布，從而進(jìn)一步計(jì)算推力及其波動以及垂直力等性能。目前市場上已經(jīng)有很多優(yōu)秀的電磁場FEM軟件可供選用，所以用FEM計(jì)算直線電動機(jī)電磁場的關(guān)鍵點(diǎn)在于建立精確的有限元模型。
減少推力波動是磁路設(shè)計(jì)的一個重點(diǎn)也是難點(diǎn)。推力波動產(chǎn)生的原因有：初級電流和反電動勢存在高次諧波、氣隙磁密波形非正弦、齒槽效應(yīng)、端部效應(yīng)等。通過優(yōu)化永磁鐵的形狀和排列方式、降低永磁勵磁磁密、初級采用無鐵心和多極結(jié)構(gòu)、增加槽的數(shù)目、加大氣隙等措施可以減小推力波動，但某些措施會造成其它性能的減弱，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)要求，達(dá)到最佳效果。
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)涉及的問題很多，在這里我們只強(qiáng)調(diào)一下對冷卻系統(tǒng)的研究，因?yàn)檫@個問題很容易被忽略。其實(shí)熱特性是直線電動機(jī)的一個重要特性，同一型號的電動機(jī)有冷卻時(shí)的推力峰值是無冷卻時(shí)的兩倍，所以電動機(jī)冷卻系統(tǒng)的好壞對電動機(jī)的性能有很大的影響，從冷卻系統(tǒng)著手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高電動機(jī)性能的一條捷徑。電動機(jī)熱特性的分析一般也采用有限元法，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上對冷卻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
控制技術(shù)的研究
控制技術(shù)是直線電動機(jī)設(shè)計(jì)的另一個重點(diǎn)和難點(diǎn)。
直線伺服系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)直接驅(qū)動負(fù)載，這樣負(fù)載的變化就直接反作用于電動機(jī)：外界擾動，如工件或刀具質(zhì)量、切削力的變化等，也未經(jīng)衰減就直接作用于電動機(jī)：電動機(jī)參數(shù)的變化也直接影響著電動機(jī)的正常運(yùn)行：直線導(dǎo)軌存在摩擦力：直線電動機(jī)還存在齒槽效應(yīng)和端部效應(yīng)。這些因素都給直線電動機(jī)的控制帶來困難�？刂扑惴ㄖ斜仨氁獙@些擾動予以抑制或補(bǔ)償，否則容易造成控制系統(tǒng)的失穩(wěn)。
總體來說，控制器的設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求：穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高、動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好。不同的直線電動機(jī)或不同的應(yīng)用場合對控制算法會提出不同的要求，所以要根據(jù)具體情況采用合適的控制方法。目前直線伺服電動機(jī)采用的控制策略主要有傳統(tǒng)的PID控制、解耦控制，現(xiàn)代控制方法如非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制、智能控制如模糊控制、人工智能(如人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))控制等。
可以看出，直線電動機(jī)的控制算法運(yùn)算量大，而且在高速加工進(jìn)給系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，因此對整個數(shù)控系統(tǒng)提出了很高的要求。要滿足這種要求，在優(yōu)化控制算法的同時(shí)，還應(yīng)采用高性能的硬件。在高速加工中心進(jìn)給系統(tǒng)中通常采用全數(shù)字驅(qū)動技術(shù)，以PC作為基本平臺，DSP實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)和伺服控制。
雖然直線電動機(jī)的控制比旋轉(zhuǎn)電動機(jī)難度大得多，但他們的電磁特性和運(yùn)行原理基本相似，而旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的伺服控制技術(shù)已發(fā)展得比較成熟。所以在實(shí)驗(yàn)研究階段，為了盡快建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，我們也可以將旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的伺服控制器改造成直線電動機(jī)的伺服控制器，這樣可以降低研制的成本和周期，對開發(fā)專用的直線電動機(jī)伺服控制器也有指導(dǎo)意義。
試驗(yàn)研究
理論研究是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但要確定電動機(jī)的性能，歸根到底還要靠具體的試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的性能試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)很成熟，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，但直線電動機(jī)的性能試驗(yàn)還沒有統(tǒng)一的方法。因此研究高效精確的直線電動機(jī)性能試驗(yàn)方法也是一個很重要的課題，對理論研究也有促進(jìn)作用。試驗(yàn)研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于各項(xiàng)參數(shù)如速度、加速度、靜態(tài)力、動態(tài)力、位移、溫度等的準(zhǔn)確測量，如果需要還要設(shè)計(jì)專門的試驗(yàn)臺。
根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上制造出樣機(jī)，然后通過對樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。一臺性能優(yōu)良的直線電動機(jī)往往要經(jīng)過多次反復(fù)計(jì)算、試驗(yàn)才能制造出來。
