1、概述

      直線與旋轉(zhuǎn)是世界上主要的兩種運(yùn)動(dòng)方式，許多直線驅(qū)動(dòng)裝置或系統(tǒng)往往都是采用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)通過中間轉(zhuǎn)換裝置，如鏈條、鋼絲繩、皮帶、齒條或絲桿等機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。由于這些裝置或系統(tǒng)有中間轉(zhuǎn)換傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以整機(jī)機(jī)構(gòu)往往較為復(fù)雜，體積較大，速度和精度不能進(jìn)一步滿足人們的更高要求。直線電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單，無接觸運(yùn)行，噪聲低，速度和準(zhǔn)確度高，控制容易，維護(hù)方便，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。它是20世紀(jì)下半葉以來電工領(lǐng)域中具有新原理、新理論的新技術(shù)。目前，直線電機(jī)技術(shù)在各種直線驅(qū)動(dòng)裝置與系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，例如高速磁浮列車、磁浮船，各種物流輸送線，各種自動(dòng)化設(shè)備如繪圖機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀，各種民用、軍用設(shè)備等，尤其在工業(yè)制造技術(shù)與裝備業(yè)中，應(yīng)用直線電機(jī)更為廣泛和突出，特別是近年來，直線電機(jī)所具有的結(jié)構(gòu)簡單、無接觸、高速、易控制和精度高等優(yōu)點(diǎn)更推動(dòng)了它在該領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用。在國外，直線電機(jī)在機(jī)應(yīng)床業(yè)的應(yīng)用甚至成了一種“熱點(diǎn)”，而得到了人們的廣泛關(guān)注。

2、直線電機(jī)在國外制造裝備業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展

2．1、直線電機(jī)在機(jī)床中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

      直線電機(jī)在國外制造裝備業(yè)中的應(yīng)用首先在機(jī)床設(shè)備方面，傳統(tǒng)機(jī)床的驅(qū)動(dòng)裝置依賴絲桿驅(qū)動(dòng)，絲桿驅(qū)動(dòng)本身就具有一系列不利因素，包括：長度限制、機(jī)械背隙、磨擦、扭曲、螺距一周期誤差、較長的振動(dòng)衰減時(shí)間、與電機(jī)的耦合慣量以及絲杠的軸向壓縮等。所有這些因素均限制了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的效率和精度。當(dāng)設(shè)備磨損時(shí)，得進(jìn)行不斷的調(diào)節(jié)以確保所需精度。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以保證相當(dāng)高的性能水準(zhǔn)以及比傳統(tǒng)的、將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置具備更高的簡便性。由于直線電機(jī)直接與移動(dòng)負(fù)載相連，因此在電機(jī)和負(fù)載之間沒有背隙，而且柔量很小。

      利用直線驅(qū)動(dòng)裝置可以很容量地達(dá)到小于1μm/s或高達(dá)5m/s的速度。直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以保證恒定的速度特性，速度偏差優(yōu)于±0.01%。在需要較高加速度的應(yīng)用中，較小的直線電機(jī)可以方便地提供大于10g的加速度，而傳統(tǒng)電機(jī)一般產(chǎn)生的加速度在1g范圍內(nèi)。直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)的精度只受反饋分辨率、控制算法以及電機(jī)結(jié)構(gòu)的限制。采用前饋控制的直線電機(jī)系統(tǒng)可以減少跟蹤誤差200倍以上，而傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)卻受前述各因素的制約，此外還受機(jī)械系統(tǒng)限制。

      直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，由很少組件組成，因此需要的潤滑也較少（直線導(dǎo)軌需要定期潤滑）。這意味著它的使用壽命較長以及運(yùn)行比較干凈。相比而言，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由20多個(gè)零部件組成，包括電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、U形塊、軸承、枕塊以及潤滑系統(tǒng)。每個(gè)零部件都需要裝配時(shí)間、調(diào)整時(shí)間以及預(yù)防性維護(hù)。相反，直線電機(jī)結(jié)構(gòu)很簡單，它是一個(gè)電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)支承在一個(gè)直線導(dǎo)軌上的剛體零件組成。

      直線電機(jī)的其他優(yōu)點(diǎn)包括較低的作用力和較小的速度波紋，從而保證較平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)輪廓。當(dāng)然，這依賴于電機(jī)的結(jié)構(gòu)、磁板以及驅(qū)動(dòng)軟件。為了利用直線電機(jī)固有的動(dòng)態(tài)制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)放大器應(yīng)該有效地監(jiān)控逆電動(dòng)勢（EMF），即使系統(tǒng)電源可能關(guān)斷也要這樣。多個(gè)直線電機(jī)可以用“背靠背”的方式安裝以保證提高作用力。還可以增設(shè)額外的磁板以保證實(shí)質(zhì)性的延長行程（受反饋設(shè)備和電纜長度限制）而不損失精度。

      法國雷諾自動(dòng)化公司的工程主管Jean-Paul Bugaud認(rèn)為“直線電機(jī)已日趨成熟，它的精度決非滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)的機(jī)床所能匹敵。兩三年以后，它在高精密與高精度加工中將是一種標(biāo)準(zhǔn)的選擇。溫度的變化已不再令人焦慮，它們能在10℃或40℃的運(yùn)轉(zhuǎn)中得到相同的精度。幾年以后，估計(jì)除了廉價(jià)機(jī)床外，將不再采用滾珠絲桿了。

2．2、直線電機(jī)在機(jī)床設(shè)備中的應(yīng)用

     日本沙迪克（SODICK）公司早在1996年，就開始在電火花成形機(jī)上采用直線電機(jī)，自行研制了專用的直線電機(jī)及與直線電機(jī)相匹配的NC系統(tǒng)，將直線伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件組成的直線伺服系統(tǒng)首先開發(fā)在電火花成形機(jī)上應(yīng)用，繼后又迅速擴(kuò)展應(yīng)用到電火花切割機(jī)上。并于1999年投放市場，該系統(tǒng)已具有進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的新功能，它們推出的型號(hào)有AM55L（2軸直線電機(jī)）和AQ351（X，Y，Z三軸直線電機(jī)），這種直線電機(jī)伺服系統(tǒng)使加工性能明顯改善，其特點(diǎn)是：

（1）把以往由旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的直線運(yùn)動(dòng)改變?yōu)檩S直接的直線運(yùn)動(dòng)，省去了絲杠傳動(dòng)環(huán)節(jié)，保證了軸的高速運(yùn)動(dòng)，可以在0.1μm的控制當(dāng)量下使軸的移動(dòng)速度達(dá)36m/min，與原控制方式相比，軸的移動(dòng)速度提高數(shù)倍至數(shù)十倍。Z軸的高速移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)在加工過程中的電極快速跳躍，使放電間隙中的流體作用力加大，排屑充分，改善了加工條件，提高了放電利用率，可在不沖液加工的情況下，獲得較高的加工速度。例如：利用快速跳躍免沖液處理的深窄型腔加工，電極的斷面尺寸為1mm×38mm，電極錐度為1”的石墨片電極加工鋼，型腔深度為70mm，總的加工時(shí)間為3小時(shí)40分，其中粗加工時(shí)間為2小時(shí)10分，精加工時(shí)間為1小時(shí)30分。加工后的表面粗糙度Ramax10μm；而采用傳統(tǒng)的加工方法，2小時(shí)加工40mm深，再也無法加工下去。證明在深窄小型腔加工中顯示出明顯的優(yōu)越性。

（2）直線電機(jī)伺服系統(tǒng)采用了直線電機(jī)與溜板一體化的結(jié)構(gòu)，溜板的位移是直線電機(jī)的直接移動(dòng)，兩者之間無任何環(huán)節(jié)，這就消除了中間環(huán)節(jié)的機(jī)械響應(yīng)滯后現(xiàn)象。因此，直線電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間與傳統(tǒng)的交直流電機(jī)帶滾珠絲杠系統(tǒng)相比減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)。高的響應(yīng)速度可提高伺服系統(tǒng)的靈敏度，以保證加工的穩(wěn)定性。

（3）直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定了伺服單元得采用直線位置反饋元件作為位置檢測環(huán)節(jié)，控制和驅(qū)動(dòng)是一個(gè)全閉環(huán)系統(tǒng)，直接檢測溜板的直線位移，沒有絲杠螺距誤差和傳動(dòng)鏈零件磨損等因素，導(dǎo)向采用響應(yīng)速度較快的滾動(dòng)導(dǎo)軌，因此，更有利于實(shí)現(xiàn)精密定位控制，并提高了機(jī)床的精度保持性。

（4）由于快速跳躍時(shí)機(jī)床受力較大，與傳統(tǒng)的機(jī)床相比，得提高機(jī)床的剛度，并改變機(jī)床的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)高速直線伺服運(yùn)動(dòng)的需要。沙迪克公司直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的NCEDM，除提高機(jī)床的剛度外，還采用了固定式工作臺(tái)及X，Y，Z軸均在立柱上的滑枕式結(jié)構(gòu)。

（5）為避免磁場的影響，溜板采用陶瓷材料，在溜板兩側(cè)裝有永磁鐵（電樞），在主軸兩側(cè)固定支撐上安裝定子繞組，為降低因高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)及交變電磁場等產(chǎn)生的熱量，還裝有油冷卻管。

（6）為了解決在高速運(yùn)動(dòng)（加速運(yùn)動(dòng)）時(shí)Z軸失去平衡的問題，Z軸采用了汽缸式的平衡裝置，其特點(diǎn)是：①在加工時(shí)，由于汽壓的平衡作用，直線電機(jī)運(yùn)行在低功耗狀態(tài)，只有在快速跳躍時(shí)，直線電機(jī)才大功耗運(yùn)行。②汽壓平衡裝置和氣壓夾緊（制動(dòng)器）使在驅(qū)動(dòng)器失壓后，Z軸鎖定可靠。

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