一、引言
數(shù)控機床正在向精密、高速、復(fù)合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展。精密和高速加工對傳動及其控制提出了更高的要求，更高的動態(tài)特性和控制精度，更高的進給速度和加速度，更低的振動噪聲和更小的磨損。問題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動鏈從作為動力源的電動機到工作部件要通過齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動環(huán)節(jié)，在這些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動慣量、彈性變形、反向間隙、運動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過不斷的改進使傳動性能有所提高，但問題很難從根本上解決，于是出現(xiàn)了“直接傳動”的概念，即取消從電動機到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線電機、力矩電機的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運動的“直接傳動”概念變?yōu)楝F(xiàn)實，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)在機床進給驅(qū)動上的應(yīng)用，使機床的傳動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機床性能有了新的飛躍。
二、直線電機進給驅(qū)動的主要優(yōu)點
·進給速度范圍寬?？蓮?(1)m/s到20m/min以上，目前加工中心的快進速度已達208m/min，而傳統(tǒng)機床快進速度<60m/min，一般為20～30m/min。
·速度特性好。速度偏差可達(1)0.01%以下。
·加速度大。直線電機最大加速度可達30g，目前加工中心的進給加速度已達3.24g，激光加工機的進給加速度已達5g，而·傳統(tǒng)機床進給加速度在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0.1～0.01(1)m。應(yīng)用前饋控制的直線電機驅(qū)動系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補控制的精細化，可實現(xiàn)納米級控制。
·行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動受絲杠制造工藝限制，一般4～6m，更長的行程需要接長絲杠，無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機驅(qū)動，定子可無限加長，且制造工藝簡單，已有大型高速加工中心X軸長達40m以上。
·結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)、噪聲小，運動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠。
三、直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的進展
直線電機與普通電機在原理上類似，它只是電機圓柱面的展開，其種類與傳統(tǒng)電機相同，例如：直流直線電機，交流永磁同步直線電機，交流感應(yīng)異步直線電機，步進直線電機等。
作為可控制運動精度的直線伺服電機在上世紀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。
圖1 直線電機直接傳動結(jié)構(gòu)的一種示例
近年來，直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的進展表現(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，可滿足不同類型機床的要求；(4)成本大幅度下降；(5)安裝和防護簡便；(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及其驅(qū)動系統(tǒng)的知名供應(yīng)商主要有：德國Siemens公司，Indramat公司；日本FANUC，三菱公司；美國Anorad，科爾摩根公司；瑞士ETEL公司等。
具有代表性的直線電機產(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控制相對應(yīng)的控制軟件和接口。由于歐洲機床上應(yīng)用直線電機較多，因此采用Siemens系統(tǒng)(如8l0D，840D)最多。
中國科學(xué)院電工所、浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等對直線電機開展了多年研究，江蘇、哈爾濱、廣東等一些公司已有小功率直線電機產(chǎn)品。
清華大學(xué)在“十五”攻關(guān)項目中研制成功交流永磁同步直線電機及其伺服系統(tǒng)，其最大運動速度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始合作生產(chǎn)。
四、直線電機進給驅(qū)動在機床上的應(yīng)用情況
自1993年德國Ex-Cell-O公司研發(fā)出世界上第一臺直線電機驅(qū)動工作臺的加工中心以來，直線電機已在不同種類的機床上得到應(yīng)用。2001年、2003年歐洲機床展，2002年、2004年日本機床展及美國機床展上每次都有幾十家公司的展品采用直線電機驅(qū)動系統(tǒng)。以2002年日本機床展JIMTOF為例，在參展的524臺數(shù)控機床中，有25家公司41臺機床采用直線電機進給驅(qū)動[3]，其中，加工中心11臺(立式8臺，臥式3臺)，電加工機床7臺(線切割4臺，成形機2臺，小孔機1臺)，磨床6臺(一般磨床4臺，齒輪磨床1臺，坐標(biāo)磨床1臺)，非球面加工機和微型微細加工機5臺，車床4臺，專用機床3臺，激光加工機2臺，車磨復(fù)合機床1臺，銑削加工單元(FMC)l臺。
表1 直線電機驅(qū)動的國產(chǎn)機床部分典型產(chǎn)品
| 機床類型 | 型號 | 廠商 | 主要特點 |
| 電火花成形機床 | GV754L | 北京機床研究所 | 快進速度24m/min
加速度1.5g |
| 立式加工中心 | VS1250 | 北京機電院高技術(shù)
股份公司 | X/Y軸直線電機，
快進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)控機床有限責(zé)任公司 | X軸直線電機 |
| 車銑中心 | | 沈陽機床集團 | X軸直線電機，
快進60m/min |
| 活塞車床 | G-CNCP200 | 清華大學(xué) | X軸直線電機 |
| 凸輪磨床 | | 北京航空航天大學(xué) | 頭架驅(qū)動用直線電機，
精度提高，無振紋 |
目前，世界上最知名的機床廠家?guī)缀鯚o一例外地都推出了直線電機驅(qū)動的機床產(chǎn)品，品種覆蓋了絕大多數(shù)機床類型。此外，在壓力機、坐標(biāo)測量機、水切割機、等離子切割機、快速原型機及半導(dǎo)體設(shè)備的X-Y工作臺上直線電機都有應(yīng)用。
此外，浙江大學(xué)直線電機與現(xiàn)代驅(qū)動研究所開發(fā)了直線電機驅(qū)動的壓力機、鋸床、雕刻機、線切割機床。
北京機電院高技術(shù)股份有限公司承擔(dān)的“十五”攻關(guān)項目《直線電機驅(qū)動的高速立式加工中心》，于2003年研制成功國內(nèi)第一臺直線電機驅(qū)動的加工中心，并在2003年北京國際機床展覽會展出。該機床X/Y軸采用直線電機驅(qū)動，行程分別為1250/630mm，最大快移速度80/120m/min，最大加速度O.8/1.5g。機床在設(shè)計中對減輕運動部件質(zhì)量、加強機床剛性、解決高速高加速運動下的抗沖擊性、直線電機的防護，以及控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)與直線電機的匹配和優(yōu)化調(diào)試等方面做了有益的探索并取得了成功。為解決處于工作臺下方的Y軸直線電機的防護問題，設(shè)計了密封的直線驅(qū)動軸部件，并獲得了國家專利。經(jīng)測定，該機床精度達到精密級加工中心標(biāo)準(zhǔn)，并有充分裕量。一年多來該機床工作穩(wěn)定可靠。課題組還對直線電機初級線圈與次級磁鐵(定子)的溫升進行了試驗。以X軸為例：X軸運動部件質(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)運動1小時以上。試驗結(jié)果：10分鐘后初級線圈(水冷)溫升趨于平衡，工作溫度穩(wěn)定在69℃左右，遠遠低于允許工作溫度(12℃)。電機次級磁鐵溫升約2℃?？梢娭本€電機初級線圈與次級磁鐵(定子)的溫升對機床的熱影響有限，可通過補償消除。
圖2 VS1250型直線電機驅(qū)動的加工中心
五、發(fā)展趨勢
1) 技術(shù)日益成熟
直線電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟，已具有傳統(tǒng)傳動裝置無法比擬的優(yōu)越性能。過去人們所擔(dān)心的直線電機推力小、體積大、溫升高、可靠性差、不安全、難安裝、難防護等問題，隨著電機制造技術(shù)的改進，已不再是大問題。而驅(qū)動與控制技術(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及驅(qū)動控制系統(tǒng)，配以合理的機床設(shè)計，完全可以生產(chǎn)出高性能、高可靠性的機床?，F(xiàn)在直線電機驅(qū)動進給速度100m/min，加速度1～2g的機床已很普遍，已有機床達到快進240m/min，加速度5g的指標(biāo)(日本AMADA激光切割機)。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已在加工中心、數(shù)控銑床、車床、磨床、復(fù)合加工機床、激光加工機床及重型機床上得到廣泛應(yīng)用，這類機床在航空、汽車、模具、能源、通用機械等領(lǐng)域發(fā)揮著特殊的作用。在電加工機床上采用直線電機驅(qū)動可實現(xiàn)0.1(1)m的精密平穩(wěn)移動。在微細加工及精密磨削中，可實現(xiàn)10um進給分辨率及20m/min的快移速度，加工表面粗糙度<1nm。在重型機床上采用直線電機驅(qū)數(shù)噸重的運動部件已不成問題。同步雙驅(qū)動控制技術(shù)已成熟應(yīng)用。這些都說明直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)在機床上的應(yīng)用已經(jīng)成熟，并在不斷向前發(fā)展，會給人們帶來更多的驚喜。此外，在國際上已有不同類型、不同規(guī)格的直線電機商品可提供，配套的驅(qū)動控制系統(tǒng)、檢測裝置及高速導(dǎo)軌、高速防護也都有相應(yīng)產(chǎn)品供貨。
2) 成本不斷下降，性能價格比更好
近年來，直線電機系統(tǒng)成本不斷下降，在機床成本中的比重明顯下降。DMG公司的DMC64V linear加工中心 (X軸采用直線電機驅(qū)動)，國內(nèi)報價僅61.4萬元人民幣。但目前采用直線電機驅(qū)動仍比傳統(tǒng)的傳動裝置價格要高。因此，直線電機的應(yīng)用應(yīng)著眼于高性能機床，特別是精密高速加工機床、特種加工機床、大型機床，解決傳統(tǒng)傳動方法不能解決的問題。另外，提高加工精度和加工效率也會提升機床的價值。例如，美國Gincin－nati公司的HYPCR MACH高速加工中心，X軸長達46m，采用直線電機驅(qū)動后，加工大型薄壁飛機零件，用傳統(tǒng)方法加工一件要8小時，而用該機床只需30分鐘。DMG公司介紹其采用直線電機驅(qū)動的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距離移動上的超高性能[4]，最大程度減少軸轉(zhuǎn)換操作的無效時間，其德國用戶采用LinX龍門加工中心(三軸均為直線電機驅(qū)動)加工模具，由于無效時間大為縮短等因素，加工效率比未采用直線電機的同類機床效率提高40%，而且由于傳動部件無磨損，使用更可靠，運行費用更低。JOBS在生產(chǎn)LinX產(chǎn)品時采用直線電機的成本只增加百分之幾，但由于性能提高，售價可增加15%～20%，機床利潤率明顯增加。
3) 產(chǎn)業(yè)化趨勢明顯
直線電機在機床上的應(yīng)用已不是樣品，不是個例。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年直線電機驅(qū)動的機床銷售量已達300臺。2001年，德國DMG公司已在28種機型上采用直線電機，年產(chǎn)量達1500臺(約3000多根直線電機驅(qū)動軸)，占其總產(chǎn)量的1/3。意大利JOBS公司自1999年開發(fā)出LinX直線電機驅(qū)動的龍門加工中心后，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臺大型龍門加工中心和龍門銑床)，并成為公司的主要利潤來源。有專家預(yù)測，2005年直線電機驅(qū)動的機床將達到3000臺，到2010年世界上將有20％的數(shù)控機床采用直線電機進給驅(qū)動，而這些機床都是高檔機床，因此其產(chǎn)業(yè)化前景是不言而喻的。
圖3 JOBS公司LinX Design機床
六、建議
我國在直線電機及驅(qū)動控制技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用與世界水平相差甚遠，至少有十年的差距。無論產(chǎn)品的性能、品種，還是在機床上的應(yīng)用僅處于起步階段，甚至大量是空白。如果我們不能抓住當(dāng)前宏觀經(jīng)濟形勢大好，市場需求旺盛的機遇，在“十一五”期間加大投入，在直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用上奮起直追，我國的高檔數(shù)控機床會更加落后，這將不利于我國的國家安全和產(chǎn)業(yè)安全。為此，建議在“十一五”規(guī)劃中對直線電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用予以充分考慮。
1) 在機床基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究中，研究直接傳動技術(shù)應(yīng)用
1)直線電機驅(qū)動的直線運動部件和力矩電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計研究；2)高速、高加速度運動下機床剛性及抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計；3)吸振、抗振、隔熱材料的應(yīng)用(如聚合物混凝土)；4)輕型材料(如碳素纖維)在運動部件中的應(yīng)用；5)直線電機的安裝工藝及防護；6)控制系統(tǒng)、直線電機驅(qū)動系統(tǒng)與機械部件的匹配及合理配置，運動部件的加速度、速度調(diào)整及運動特性的優(yōu)化。
2) 開發(fā)應(yīng)用直線電機驅(qū)動的高檔數(shù)控機床
在基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究基礎(chǔ)上，開發(fā)應(yīng)用直線電機驅(qū)動控制的高檔數(shù)控機床及工藝裝備，以滿足高速精密復(fù)合加工的需求。鼓勵機床企業(yè)將這類機床做為自己的工作母機，在實際應(yīng)用中不斷改進設(shè)計，探索加工工藝，向用戶提供展示和服務(wù)，并推向市場，逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
以上工作為少走彎路，可完全選購國際上先進、成熟的直線電機功能部件及其控制系統(tǒng)，以使整機盡快達到國際同類產(chǎn)品水平。
3) 開發(fā)直線電機產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)
在數(shù)控技術(shù)及關(guān)鍵功能部件中，開發(fā)直線電機產(chǎn)品(包括相應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng))。數(shù)控技術(shù)中應(yīng)開發(fā)與直線電機驅(qū)動控制相匹配的軟件技術(shù)，例如高速及高加速條件下的伺服控制及其調(diào)整，高速、高精度的插補技術(shù)，復(fù)雜加工程序的前瞻控制能力，機床動態(tài)特性參數(shù)優(yōu)化模型，故障診斷與保證功能等。同時，相應(yīng)開發(fā)與高速高加速運動相配套的高速導(dǎo)軌、高速防護、高速位置檢測裝置等。
七、結(jié)束語
2006年即將開始“十一五”規(guī)劃，從企業(yè)到行業(yè)，從地方到中央都在制定新的規(guī)劃。就機床的發(fā)展而言，直線電機無論作為功能部件還是其相關(guān)技術(shù)在機床中的應(yīng)用，都應(yīng)該得到足夠重視。企業(yè)和研究部門應(yīng)根據(jù)自己的客觀條件選擇相關(guān)課題開展研究，從戰(zhàn)略高度考慮發(fā)展直線電機及其驅(qū)動控制的機床產(chǎn)品，并逐步形成產(chǎn)業(yè)，占領(lǐng)高檔數(shù)控機床的重要制高點。建議行業(yè)和政府相關(guān)規(guī)劃中予以大力支持。
