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　　摘要：简述了直线电机工作原理及其驱动技术，并且举例说明了直线电机直接驱动与传统数控机床“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的传动方式对比具有的巨大优势。介绍了直线电机进给驱动技术在数控机床上的几个应用实例，指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向。

　　引言

　　随着航空航天、汽车制造、模具加工、电子制造行业等领域对高效率地进行加工的要求越来越高，需要大量高速数控机床?；步低呈歉咚倩驳闹饕δ懿考?。而直线电机进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大、响应速度慢、存在反向间隙、易磨损等先天性的缺点，并具有速度高、加速度大、定位精度高、行程长度不受限制等优点，令其在数控机床高速进给系统领域逐渐发展为主导方向。

　　1 直线电机及其驱动技术

　　现代先进的驱动技术主要分为两大类：一类为电磁式的，另一类则为非电磁式的。

　　电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动器与现代控制系统组成，它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器。它们中有旋转的、直线的、磁浮的、电磁发射的等等。除了在一般通用电机技术基础上改进获得的电机技术外，还有更多的是在通用电机技术基础上进一步发展的新型电机技术，如直线电机技术、无刷直流电机技术、开关磁阻电机技术和各种新型永磁电机技术等。

　　直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中问任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性强、维护方便等优点。旋转电机所具有的品种，直线电机几乎都有相对应的品种，其应用范围正在不断扩大，并在一些它所能独特发挥作用的地方取得了令人满意的效果。

　　直线电机结构示意图如下图所示。直线电机是将传统圆筒型电机的初级展开拉直，变初级的封闭磁场为开放磁场，而旋转电机的定子部分变为直线电机的初级，旋转电机的转子部分变为直线电机的次级。在电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，在初级和次级间产生气隙磁场，气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时问变化时，使气隙磁场按定向相序沿直线移动，这个气隙磁场称为行波磁场。当次级的感应电流和气隙磁场相互作用便产生了电磁推力，如果初级是固定不动的，次级就能沿着行波磁场运动的方向做直线运动。即可实现高速机床的直线电机直接驱动的进给方式，把直线电机的初级和次级分别直接安装在高速机床的工作台与床身上。由于这种进给传动方式的传动链缩短为0，被称为机床进给系统的“零传动”。

　　与“旋转伺服电机+滚珠丝杠”传动方式相比较，直线电机直接驱动有以下优点：(1)高速度，目前最大进给速度可达100～200m/min。(2)高加速度，可高达2g～10g。(3)定位精度高，由于只能采用闭环控制，其理论定位精度可以为0，但由于存在检测元件安装、测量误差，实际定位精度不可能为0。最高定位精度可达0.1～0.01m。(4)行程不受限制，由于直线电机的次级(定子)可以一段一段地铺在机床床身上，不论有多远，对系统的刚度不会产生影响。例如，美国CincinnatiMilacron公司为航空工业生产了一台HyperMach大型高速加工中心，主轴转速为60000r/min，主电机功率为80kW。直线进给采用了直线电机，其轴行程长达46m，工作台快速行程为100m/min，加速度达2g。在这种机床上加工一个大型薄壁飞机零件只需30min;而同样的零件在一般高速铣床上加工，费时3h;在普通数控铣床上加工，则需8h，优势相当明显[1]。

　　2 直线电机在数控机床的应用

　　现代数控机床经过半个世纪的发展，其加工速度和加工精度得到极大提高。其加工精度从最初的0.01mm到现在的1μm，提高了10000倍，加工速度则从每分钟几十毫米提高到每分钟几十米，提高了1000倍?；布际跛降母咚俜⒄故腔?a href=https://www.xsjjx.net/ target=_blank class=infotextkey>自动化技术发展的结果，也是以CNC为代表的先进制造技术对传统机械制造业的渗透，从而形成的机电一体化产品的结果[2]。

　　数控机床采用直线电机驱动技术，克服了传统驱动方式的许多缺陷，获得了极高的性能指标和优点。国外在高速加工中心上已广泛应用直线电机驱动，同时也应用到机床装备的各个领域，使机床的各项性能大为提高。1993年德国Ex—cell—O公司在汉诺威国际机床博览会上展出了世界上第一台应用直线电机驱动技术的HSC一240型超高速加工中心，该机床最大快移速度为60m/min。日本机床装备发展迅猛，高档机床大量采用直线电机驱动技术。早在1998年第十九届JIMTOF上，就展出了8台直线电机作进给驱动的机床。在2002年日本东京第二十一届JIMTOF机床展上23家公司展出了41台装有直线电机的数控机床，包括加工中心11台[3]。目前，采用直线电机驱动技术的机床是日本机床生产商供应的主流实用机床。欧美西方工业大国的机床制造厂商也大量应用直线电机驱动技术，著名的有DMG、Sodick、Kings—bury、Anorad、Jobs和ForestLine等公司。在2003年的意大利米兰EMO2003国际机床展上，直接驱动已经成为高性能机床的重要技术手段，会展中德国DMG公司展品多为直线电机驱动。大批高性能加工中心采用了直线电机直接驱动技术。使用直线电机比用滚珠丝杆传动的成本已从l0年前的高30%，降低到目前只高15%～20%，而且参展商普遍认为用户可以节省运行成本20%以上，从而可以及时收回附加投资。JOBS公司认为有一半以上的机床采用直线电机在技术上和经济上都是值得的[4]。

　　国内直线电机技术的研究始于20世纪7O年代，上海电机厂、宁波大学、沈阳工业大学、清华大学、国防科技大学、浙江大学、广东工业大学等高校都做了相关研究[5-6]，但未能实现真正应用到高速机床上，大推力、长行程的进给，不是真正意义上的应用在高速机床上的直线电机进给单元。清华大学机械学系制造工程研究所研究的长行程永磁直线伺服单元额定推力1 500N，最高速度60m/min，行程600mm[7]。沈阳工业大学研究的重点摆在了永磁同步直线电动机的控制方式及伺服系统[8];在CIM T2003(中国国际机床展览会)上，北京机电院高技术股份公司、江苏多棱数控机床股份有限公司展出了国产首批直线电机驱动的立式加工中心(VS1250)，其X、Y轴采用了直线电机，最大进给速度60m/s。采用直线光栅尺反馈，全闭环控制，定位精度高，稳定性好。该加工中心采用了西门子840D系统，具有很高的可靠性与稳定性[9]。这些研究工作为直线电机技术在高速机床上的应用发挥了积极作用。目前在我国机床行业中，应用直线电机进给系统的产品越来越多。在CIMT2005上，作为全球最大的切削机床制造商之一的DWG公司，其产品中有1/3的采用了直线电机驱动技术，展出的DMC 75V linear精密立式加工中心所有进给轴都采用高动力性能直线电机驱动，良好动态特性的基础是采用了高度稳定的龙门结构和经优化的高刚度床身，加速度高达2g，快移速度90m/min，从而可使生产率提高20% ，该系列加工中心特别适合于模具加工[10]。2006年，德国Zimmermann公司推出了直线驱动龙门铣床FZ38，直线电机驱动通过高 因素获得高水平的标准控制，使得即便是在高进给率的情况下仍能保持非常小的拖曳距离和高定位精度[11]。DMG推出了Sprint 65直线驱动机床，在置轴上加速度达到g，快移速度40m/min[12] 。在2007年4月的中国国际机床展(CIMT2007)上，直线电机的应用越来越广泛，杭州机床集团有限公司推出了国内首次使用直线电机的平面磨床(MUGK7120X5)。全球领先的运动控制解决方案提供商丹纳赫传动，在现场的研讨会中提到直接驱动电机近年来在国内外都得到了客户的广泛认可，它改变了原有旋转电机加丝杠的结构，大大简化了机械的设计，提高了工作效率。

　　3 总结与展望

　　直线电机驱动技术与数控机床制造的结合大大促进了世界制造业的发展，大大提高了加工精度和加工效率。直线电机进给系统是一种能把电能直接转换成直线运动的机械能，且不需要任何中间传动环节的驱动装置。它将传统的回转运动转变为直接的直线运动，因此机床的速度、加速度、刚度、动态性能得到完全改观。通过采用直线电机驱动技术使得在高速移动中获得高的定位精度成为现实，有效克服通过传统旋转电机进行驱动时，机械传动机构传动链较长、体积大、效率低、能耗高、精度差等缺点。所以，直线电机驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向。

　　线性马达原理

　　一般电动机工作时都是转动的.但是用旋转的电机驱动的交通工具(比如电动机车和城市中的电车等)需要做直线运动，用旋转的电机驱动的机器的一些部件也要做直线运动.这就需要增加把旋转运动变为直线运动的一套装置.能不能直接运用直线运动的电机来驱动，从而省去这套装呢?几十年前人们就提出了这个问题.现在已制成了直线运动的电动机，即直线电机.

　　1工作原理.

　　直线电机是一种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的传动装置。它可以观成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成

　　由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级?？悸堑街圃斐杀?、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动;反之，则初级做直线运动。

　　直线电机的原理并不复杂.设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机(图).在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级;相当于旋转电机转子的，鸣次级.初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动.这时初级要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长.实际上，直线电机既可以把初级做得很长，也可以把次级做得很长;既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动.

　　2.应用

　　直线电机是一种新型电机，近年来应用日益广泛.磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的.

　　磁悬浮列车是一种全新的列车.一般的列车，由于车轮和铁轨之间存在摩擦，限制了速度的提高，它所能达到的最高运行速度不超过300km/n.磁悬浮列车是将列车用磁力悬浮起来，使列车与导轨脱离接触，以减小摩擦，提高车速。列车由直线电机牵引.直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处;另一个级安装在列车上.初级通以交流，列车就沿导轨前入.列车上装有磁体(有的就是兼用直线电机的线圈)，磁体随列车运动时，使设在地面上的线圈(或金属板)中产生感应电流，感应电流的磁场和列车上的磁体(或线圈)之间的电磁力把列车悬浮起来.悬浮列车的优点是运行平稳，没有颠簸，噪声小，所需的牵引力很小，只要几千kw的功率就能使悬浮列车的速度达到550km/h.悬浮列车减速的时候，磁场的变化减小，感应电流也减小，磁场减弱，造成悬浮力下降.悬浮列车也配备了车轮装置，它的车轮像飞机一样，在行进时能及时收入列车，?？渴笨梢苑畔吕?，支持列车.要使质量巨大的列车靠磁力悬浮起来，需要很强的磁场，实用中需要用高温超导线圈产生这样强大的磁场.

　　直线电机除了用于磁悬浮列车外，还广泛地用于其他方面，例如用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等.在我国，直线电机也逐步得到推广和应用.直线电机的原理虽不复杂，但在设计、制造方面有它自己的特点，产品尚不如旋转电机那样成熟，有待入一步研究和改入.其他可参考直线电机和传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的比较在机床进给系统中，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，把机床入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。

　　1)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。

　　2)精度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。

　　3)动刚度高由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

　　4)速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车(时速可达500Km/h)，所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度(要求达60~100M/min或更高)当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停?？苫竦媒细叩募铀俣?，一般可达2~10gg=9.8m/s2)，而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1~0.5g。

　　5)行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电动机，就可以无限延长其行程长度。

　　6)运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨(无机械接触)，其运动时噪音将大大降低。

　　7)效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高

　　线性马达与旋转电机(滚珠丝杠)的比较

　　1 速度比较

　　在速度方面直线电机具有相当大的优势。直线电机的速度为300m/min;加速度为10g。滚珠丝杠的速度为120 m/min;加速度为1.5g。

　　从速度和加速度的对比上直线电机具有相当大的优势，而且直线电机在成功解决发热问题后速度还会进一步提高，而“旋转伺服电机+滚珠丝杠”在速度上却受到了较多限制很难再有所提高。从动态响应来讲直线电机因运动惯量和间隙以及机构复杂性等问题而占有绝对优势。

　　在速度控制方面，直线电机响应更快，调速范围更宽，达1:10000，可以在启动瞬间达到最高转速，而且在高速运行时能迅速停止。

　　2 精度比较

　　精度方面直线电机因传动机构简单减少了插补滞后的问题，定位精度、重现精度和绝对精度通过位置检测反馈控制都会较“旋转伺服电机+滚珠丝杠”高，且容易实现。

　　直线电机定位精度可达0.1μm。“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的精度最高为2~5μm，要求CNC-伺服电机-无隙联轴器-止推轴承-冷却系统-高精度滚动导轨-螺母座-工作台闭环整个系统的传动部分要轻量化，光栅精度要高。

　　若想达到较高的平稳性“旋转伺服电机+滚珠丝杠”要采取双轴驱动，直线电机是高发热部件，需采取强冷措施。达到相同的目的，直线电机要付出更大代价。

　　3 价格比较

　　在价格上直线电机要比“旋转伺服电机+滚珠丝杠”装置高出很多，这也是限制直线电机被更广泛应用的一个重要原因。

　　4 能耗比较

　　“旋转伺服电机+滚珠丝杠”属于节能增力型传动部件。在提供相同转矩时，直线电机消耗的能源约比“旋转伺服电机+滚珠丝杠”多一倍以上。而且直线电机的可靠性受控制系统稳定性的影响，且对周边环境有较大影响，因此必须采取有效的隔磁和防护措施以隔断磁场对滚动导轨的影响和对铣屑磁尘的吸附。