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(huì)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(duì)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)機(jī)主軸到工作臺(tái)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(dòng)、加減速、反轉(zhuǎn)、停車等動(dòng)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(huì)造成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)指令的快速響應(yīng)。另外，絲杠是細(xì)長(zhǎng)桿，在力和熱的作用下，會(huì)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(jiǎn)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(dòng)機(jī)就是最有前途的快速進(jìn)給系統(tǒng)。它取消了源動(dòng)力和工作臺(tái)部件之間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使得機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度為零，這就是所謂的“直接驅(qū)動(dòng)”或“零傳動(dòng)”。

2 直線電動(dòng)機(jī)的原理和分類

所謂直線電動(dòng)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(dòng)動(dòng)能的設(shè)備。在實(shí)際的應(yīng)用中，為了保證在整個(gè)行程之內(nèi)初級(jí)與次級(jí)之間的耦合保持不變，一般要將初級(jí)與次級(jí)制造成不同的長(zhǎng)度。直線電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)類似，通入三相電流后，也會(huì)在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，如果不考慮端部效應(yīng)，磁場(chǎng)在直線方向呈正弦分布，只是這個(gè)磁場(chǎng)是平移而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場(chǎng)。行波磁場(chǎng)與次級(jí)相互作用便產(chǎn)生電磁推力，這就是直線電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理。由于直線電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)之間存在以上對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此每種旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)都有相對(duì)應(yīng)的直線電動(dòng)機(jī)，但直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式比旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)更靈活。直線電動(dòng)機(jī)按工作原理可分為：直線直流電動(dòng)機(jī)、直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線同步電動(dòng)機(jī)、直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直線壓電電動(dòng)機(jī)及直線磁阻電動(dòng)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(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

直線電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)在于直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，與間接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)的“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，滾動(dòng)絲杠”相比，其優(yōu)點(diǎn)是（具體性能見下表）：
直線電動(dòng)機(jī)與“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，滾珠絲杠”傳動(dòng)性能比較表

（1）沒有機(jī)械接觸，傳動(dòng)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(jiǎn)單，體積小，以最少的零部件數(shù)量實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動(dòng)，而且是只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)的部件：（3）行程在理論上不受限制，而且性能不會(huì)因?yàn)樾谐痰母淖兌艿接绊懀海?）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(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：（5）加速度很大，最大可達(dá)10g：（6）運(yùn)動(dòng)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(cè)元件，有合適的反饋裝置可達(dá)亞微米級(jí)：（8）維護(hù)簡(jiǎn)單，由于部件少，運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)。

直線電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是：首先直線電動(dòng)機(jī)端部磁場(chǎng)的畸變影響到行波磁場(chǎng)的完整性，使直線電動(dòng)機(jī)損耗增加，推力減小，而且存在較大的推力波動(dòng)，這就是直線電動(dòng)機(jī)特有的“端部效應(yīng)（Edge Effect）”。直線電動(dòng)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(dòng)機(jī)的控制難度大，因?yàn)樵陔妱?dòng)機(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(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)機(jī)。交流直線電動(dòng)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(dòng)機(jī)比感應(yīng)式直線電動(dòng)機(jī)成本較高、裝配困難、需要屏蔽磁場(chǎng)，但效率較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、次級(jí)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(dòng)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(dòng)機(jī)所占的比例將越來越高。


4 直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

國(guó)外直線電動(dòng)機(jī)發(fā)展

發(fā)展歷史

直線電動(dòng)機(jī)發(fā)展的起點(diǎn)并不比旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)晚很多，在世界上出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)后不久，就出現(xiàn)了直線電動(dòng)機(jī)的雛形，但直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展過程是曲折的。

1845年英國(guó)人Charles Wheastone發(fā)明了世界上第一臺(tái)直線電動(dòng)機(jī)，但這種直線電動(dòng)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(dòng)機(jī)的開發(fā)提供了理論和技術(shù)上的支持，直線電動(dòng)機(jī)開始進(jìn)入新的發(fā)展階段。英國(guó)的E.R.Laithwaite教授是現(xiàn)代直線電動(dòng)機(jī)發(fā)展的先驅(qū)者，他強(qiáng)調(diào)直線電動(dòng)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(dòng)機(jī)的著作。20世紀(jì)70年代以后，直線電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣泛，如自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guó)的重視。據(jù)有關(guān)報(bào)導(dǎo)，美國(guó)1997年直線電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)作為一種機(jī)電系統(tǒng)，將機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shì)。

美國(guó)的Anorad公司是世界上最著名的直線電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商，該公司在1988年就推出了無刷直流直線電動(dòng)機(jī)，并獲得美國(guó)專利。公司主要生產(chǎn)永磁同步式直線電動(dòng)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。