一、引言

數(shù)控機(jī)床正在向精密、高速、復(fù)合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展。對(duì)數(shù)控機(jī)床的精密和高速加工對(duì)傳動(dòng)及數(shù)控機(jī)床的控制提出了更高的要求，更高的數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性和控制精度，更高的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度和加速度，更低的振動(dòng)噪聲和更小的磨損。問(wèn)題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈從作為動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)到工作部件要通過(guò)齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，在這些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性變形、反向間隙、運(yùn)動(dòng)滯后、摩擦、振動(dòng)、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過(guò)不斷的改進(jìn)使傳動(dòng)性能有所提高，但問(wèn)題很難從根本上解決，于是出現(xiàn)了“直接傳動(dòng)”的概念，即取消從電動(dòng)機(jī)到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線電機(jī)、力矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的“直接傳動(dòng)”概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用，使機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機(jī)床性能有了新的飛躍。

二、直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)

進(jìn)給速度范圍寬。可從1(1)m/s到20m/min以上，目前加工中心的快進(jìn)速度已達(dá)208m/min，而傳統(tǒng)機(jī)床快進(jìn)速度<60m/min，一般為20～30m/min。

速度特性好。速度偏差可達(dá)(1)0.01%以下。

加速度大。直線電機(jī)最大加速度可達(dá)30g，目前加工中心的進(jìn)給加速度已達(dá)3.24g，激光加工機(jī)的進(jìn)給加速度已達(dá)5g，而傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給加速度在1g以下，一般為0.3g。

定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達(dá)0.1～0.01(1)m。應(yīng)用前饋控制的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補(bǔ)控制的精細(xì)化，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。

行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)受絲杠制造工藝限制，一般4～6m，更長(zhǎng)的行程需要接長(zhǎng)絲杠，無(wú)論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定子可無(wú)限加長(zhǎng)，且制造工藝簡(jiǎn)單，已有大型高速加工中心X軸長(zhǎng)達(dá)40m以上。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小，運(yùn)動(dòng)部件摩擦小、磨損小、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠。

直流直線電機(jī)，交流永磁同步直線電機(jī)，交流感應(yīng)異步直線電機(jī)，步進(jìn)直線電機(jī)等。

作為可控制運(yùn)動(dòng)精度的直線伺服電機(jī)在上世紀(jì)80年代末出現(xiàn)后，隨著材料(如永磁材料)、功率器件、控制技術(shù)及傳感技術(shù)的發(fā)展，直線伺服電機(jī)的性能不斷提高，成本日益下降，為其廣泛的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

近年來(lái)，直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)展表現(xiàn)在以下方面：(1)性能不斷提高(如推力、速度、加速度、分辨率等)；(2)體積減小，溫升降低；(3)品種復(fù)蓋面廣，可滿足不同類型機(jī)床的要求；(4)成本大幅度下降；(5)安裝和防護(hù)簡(jiǎn)便；(6)可靠性好；(7)包括數(shù)控系統(tǒng)在內(nèi)的配套技術(shù)日趨完善；(8)商品化程度高。

目前世界上直線伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的知名供應(yīng)商主要有：德國(guó)Siemens公司，Indramat公司；日本FANUC，三菱公司；美國(guó)Anorad，科爾摩根公司；瑞士ETEL公司等。

具有代表性的直線電機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)：

FANUC L17000C3/2is；最大推力17000N；連續(xù)推力3400N(自然冷)/4080N(氣冷)/6800(水冷)；最大速度240m/min(4m/s)；最大加速度30g；分辨率0.01(1)m。

•Siemens 1FN3：最大推力20700N；連續(xù)推力8100N(水冷)；最大速度253m/min。

在控制系統(tǒng)方面，Siemens、FANUC等系統(tǒng)供應(yīng)商都可提供與直線電機(jī)控制相對(duì)應(yīng)的控制軟件和接口。由于歐洲機(jī)床上應(yīng)用直線電機(jī)較多，因此采用Siemens系統(tǒng)(如8l0D，840D)最多。

中國(guó)科學(xué)院電工所、浙江大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)等對(duì)直線電機(jī)開(kāi)展了多年研究，江蘇、哈爾濱、廣東等一些公司已有小功率直線電機(jī)產(chǎn)品。

清華大學(xué)在“十五”攻關(guān)項(xiàng)目中研制成功交流永磁同步直線電機(jī)及其伺服系統(tǒng)，其最大運(yùn)動(dòng)速度60m/min，最大加速度5g，最大推力5000N，目前已與江蘇瑞安特公司開(kāi)始合作生產(chǎn)。

四、直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)在機(jī)床上的應(yīng)用情況

表1 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的國(guó)產(chǎn)機(jī)床部分典型產(chǎn)品 機(jī)床類型  型號(hào)  廠商  主要特點(diǎn) 

電火花成形機(jī)床  GV754L  北京機(jī)床研究所  快進(jìn)速度24m/min

加速度1.5g 

立式加工中心  VS1250  北京機(jī)電院高技術(shù)

股份公司  X/Y軸直線電機(jī)，

快進(jìn)80/120m/min

加速度0.8/1.5g 

立式加工中心  XH716/5X-SM  江蘇多棱數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司  X軸直線電機(jī) 

車銑中心   沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)  X軸直線電機(jī)，

快進(jìn)60m/min 

活塞車床  G-CNCP200  清華大學(xué)  X軸直線電機(jī) 

凸輪磨床   北京航空航天大學(xué)  頭架驅(qū)動(dòng)用直線電機(jī)，

精度提高，無(wú)振紋

自1993年德國(guó)Ex-Cell-O公司研發(fā)出世界上第一臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的加工中心以來(lái)，直線電機(jī)已在不同種類的機(jī)床上得到應(yīng)用。2001年、2003年歐洲機(jī)床展，2002年、2004年日本機(jī)床展及美國(guó)機(jī)床展上每次都有幾十家公司的展品采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。以2002年日本機(jī)床展JIMTOF為例，在參展的524臺(tái)數(shù)控機(jī)床中，有25家公司41臺(tái)機(jī)床采用直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)[3]，其中，加工中心11臺(tái)(立式8臺(tái)，臥式3臺(tái))，電加工機(jī)床7臺(tái)(線切割4臺(tái)，成形機(jī)2臺(tái)，小孔機(jī)1臺(tái))，磨床6臺(tái)(一般磨床4臺(tái)，齒輪磨床1臺(tái)，坐標(biāo)磨床1臺(tái))，非球面加工機(jī)和微型微細(xì)加工機(jī)5臺(tái)，車床4臺(tái)，專用機(jī)床3臺(tái)，激光加工機(jī)2臺(tái)，車磨復(fù)合機(jī)床1臺(tái)，銑削加工單元(FMC)l臺(tái)。

目前，世界上最知名的機(jī)床廠家?guī)缀鯚o(wú)一例外地都推出了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床產(chǎn)品，品種覆蓋了絕大多數(shù)機(jī)床類型。此外，在壓力機(jī)、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、水切割機(jī)、等離子切割機(jī)、快速原型機(jī)及半導(dǎo)體設(shè)備的X-Y工作臺(tái)上直線電機(jī)都有應(yīng)用。

X軸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量>1000kg，加速度設(shè)定為O.8g，快移速度設(shè)定為70m/min，連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)1小時(shí)以上。試驗(yàn)結(jié)果：10分鐘后初級(jí)線圈(水冷)溫升趨于平衡，工作溫度穩(wěn)定在69℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于允許工作溫度(12℃)。電機(jī)次級(jí)磁鐵溫升約2℃�？梢�(jiàn)直線電機(jī)初級(jí)線圈與次級(jí)磁鐵(定子)的溫升對(duì)機(jī)床的熱影響有限，可通過(guò)補(bǔ)償消除。

五、發(fā)展趨勢(shì)

技術(shù)日益成熟

直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟，已具有傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置無(wú)法比擬的優(yōu)越性能。過(guò)去人們所擔(dān)心的直線電機(jī)推力小、體積大、溫升高、可靠性差、不安全、難安裝、難防護(hù)等問(wèn)題，隨著電機(jī)制造技術(shù)的改進(jìn)，已不再是大問(wèn)題。而驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展又為其性能拓展和安全性提供了保證。選擇合適的直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，配以合理的機(jī)床設(shè)計(jì)，完全可以生產(chǎn)出高性能、高可靠性的機(jī)床。現(xiàn)在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給速度100m/min，加速度1～2g的機(jī)床已很普遍，已有機(jī)床達(dá)到快進(jìn)240m/min，加速度5g的指標(biāo)(日本AMADA激光切割機(jī))。日本Mazak公司宣稱，該公司將在近期推出快移速度500m/min，加速度6g，主軸速度80000r/min切削速度8馬赫的超音速加工中心。高速度高加速度的傳動(dòng)已在加工中心、數(shù)控銑床、車床、磨床、復(fù)合加工機(jī)床、激光加工機(jī)床及重型機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用，這類機(jī)床在航空、汽車、模具、能源、通用機(jī)械等領(lǐng)域發(fā)揮著特殊的作用。在電加工機(jī)床上采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)0.1(1)m的精密平穩(wěn)移動(dòng)。在微細(xì)加工及精密磨削中，可實(shí)現(xiàn)10um進(jìn)給分辨率及20m/min的快移速度，加工表面粗糙度<1nm。在重型機(jī)床上采用直線電機(jī)驅(qū)數(shù)噸重的運(yùn)動(dòng)部件已不成問(wèn)題。同步雙驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)已成熟應(yīng)用。這些都說(shuō)明直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)床上的應(yīng)用已經(jīng)成熟，并在不斷向前發(fā)展，會(huì)給人們帶來(lái)更多的驚喜。此外，在國(guó)際上已有不同類型、不同規(guī)格的直線電機(jī)商品可提供，配套的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、檢測(cè)裝置及高速導(dǎo)軌、高速防護(hù)也都有相應(yīng)產(chǎn)品供貨。

成本不斷下降，性能價(jià)格比更好

近年來(lái)，直線電機(jī)系統(tǒng)成本不斷下降，在機(jī)床成本中的比重明顯下降。DMG公司的DMC64V linear加工中心 (X軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng))，國(guó)內(nèi)報(bào)價(jià)僅61.4萬(wàn)元人民幣。但目前采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)仍比傳統(tǒng)的傳動(dòng)裝置價(jià)格要高。因此，直線電機(jī)的應(yīng)用應(yīng)著眼于高性能機(jī)床，特別是精密高速加工機(jī)床、特種加工機(jī)床、大型機(jī)床，解決傳統(tǒng)傳動(dòng)方法不能解決的問(wèn)題。另外，提高加工精度和加工效率也會(huì)提升機(jī)床的價(jià)值。例如，美國(guó)Gincin－nati公司的HYPCR MACH高速加工中心，X軸長(zhǎng)達(dá)46m，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，加工大型薄壁飛機(jī)零件，用傳統(tǒng)方法加工一件要8小時(shí)，而用該機(jī)床只需30分鐘。DMG公司介紹其采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的DMC、CTX、GMC、GMX系列產(chǎn)品生產(chǎn)效率可提高20%。據(jù)意大利JOBS公司介紹，該公司生產(chǎn)的LinX系列產(chǎn)品保證了龍門加工中心在長(zhǎng)距離移動(dòng)上的超高性能[4]，最大程度減少軸轉(zhuǎn)換操作的無(wú)效時(shí)間，其德國(guó)用戶采用LinX龍門加工中心(三軸均為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng))加工模具，由于無(wú)效時(shí)間大為縮短等因素，加工效率比未采用直線電機(jī)的同類機(jī)床效率提高40%，而且由于傳動(dòng)部件無(wú)磨損，使用更可靠，運(yùn)行費(fèi)用更低。JOBS在生產(chǎn)LinX產(chǎn)品時(shí)采用直線電機(jī)的成本只增加百分之幾，但由于性能提高，售價(jià)可增加15%～20%，機(jī)床利潤(rùn)率明顯增加。

產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)明顯

直線電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用已不是樣品，不是個(gè)例。近幾年已在幾十家著名企業(yè)的幾十類產(chǎn)品上推廣應(yīng)用。據(jù)有關(guān)資料介紹，1997年直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床銷售量已達(dá)300臺(tái)。2001年，德國(guó)DMG公司已在28種機(jī)型上采用直線電機(jī)，年產(chǎn)量達(dá)1500臺(tái)(約3000多根直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸)，占其總產(chǎn)量的1/3。意大利JOBS公司自1999年開(kāi)發(fā)出LinX直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的龍門加工中心后，2003年該公司LinX系列產(chǎn)品已占全公司總產(chǎn)量的60%(年產(chǎn)50臺(tái)大型龍門加工中心和龍門銑床)，并成為公司的主要利潤(rùn)來(lái)源。有專家預(yù)測(cè)，2005年直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床將達(dá)到3000臺(tái)，到2010年世界上將有20％的數(shù)控機(jī)床采用直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，而這些機(jī)床都是高檔機(jī)床，因此其產(chǎn)業(yè)化前景是不言而喻的。