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。精密和高速加工對(duì)傳動(dòng)及其控制提出了更高的要求，更高的動(dòng)態(tài)特性和控制精度，更高的進(jìn)給速度和加速度，更低的振動(dòng)噪聲和更小的磨損。問題的癥結(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不斷的改進(jìn)使傳動(dòng)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(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。
三、直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)展
直線電機(jī)與普通電機(jī)在原理上類似，它只是電機(jī)圓柱面的展開，其種類與傳統(tǒng)電機(jī)相同，例如：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，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)、沈陽工業(yè)大學(xué)等對(duì)直線電機(jī)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(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，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。
此外，浙江大學(xué)直線電機(jī)與現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)研究所開發(fā)了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)、鋸床、雕刻機(jī)、線切割機(jī)床。
北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司承擔(dān)的“十五”攻關(guān)項(xiàng)目《直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速立式加工中心》，于2003年研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心，并在2003年北京國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)展出。該機(jī)床X/Y軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(jī)床在設(shè)計(jì)中對(duì)減輕運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量、加強(qiáng)機(jī)床剛性、解決高速高加速運(yùn)動(dòng)下的抗沖擊性、直線電機(jī)的防護(hù)，以及控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)與直線電機(jī)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(tái)下方的Y軸直線電機(jī)的防護(hù)問題，設(shè)計(jì)了密封的直線驅(qū)動(dòng)軸部件，并獲得了國(guó)家專利。經(jīng)測(cè)定，該機(jī)床精度達(dá)到精密級(jí)加工中心標(biāo)準(zhǔn)，并有充分裕量。一年多來該機(jī)床工作穩(wěn)定可靠。課題組還對(duì)直線電機(jī)初級(jí)線圈與次級(jí)磁鐵（定子）的溫升進(jìn)行了試驗(yàn)。以X軸為例：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℃。可見直線電機(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)裝置無法比擬的優(yōu)越性能。過去人們所擔(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)等問題，隨著電機(jī)制造技術(shù)的改進(jìn)，已不再是大問題。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)部件已不成問題。同步雙驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)已成熟應(yīng)用。這些都說明直線電機(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，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。
六、建議
我國(guó)在直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用與世界水平相差甚遠(yuǎn)，至少有十年的差距。無論產(chǎn)品的性能、品種，還是在機(jī)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(jì)形勢(shì)大好，市場(chǎng)需求旺盛的機(jī)遇，在“十一五”期間加大投入，在直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用上奮起直追，我國(guó)的高檔數(shù)控機(jī)床會(huì)更加落后，這將不利于我國(guó)的國(guó)家安全和產(chǎn)業(yè)安全。為此，建議在“十一五”規(guī)劃中對(duì)直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用予以充分考慮。
在機(jī)床基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究中，研究直接傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用
1）直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)部件和力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計(jì)研究；2）高速、高加速度運(yùn)動(dòng)下機(jī)床剛性及抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(yùn)動(dòng)部件中的應(yīng)用；5）直線電機(jī)的安裝工藝及防護(hù)；6）控制系統(tǒng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械部件的匹配及合理配置，運(yùn)動(dòng)部件的加速度、速度調(diào)整及運(yùn)動(dòng)特性的優(yōu)化。
開發(fā)應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高檔數(shù)控機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)控制的高檔數(shù)控機(jī)床及工藝裝備，以滿足高速精密復(fù)合加工的需求。鼓勵(lì)機(jī)床企業(yè)將這類機(jī)床做為自己的工作母機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用中不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，探索加工工藝，向用戶提供展示和服務(wù)，并推向市場(chǎng)，逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
以上工作為少走彎路，可完全選購國(guó)際上先進(jìn)、成熟的直線電機(jī)功能部件及其控制系統(tǒng)，以使整機(jī)盡快達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平。
開發(fā)直線電機(jī)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(jī)產(chǎn)品（包括相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）。數(shù)控技術(shù)中應(yīng)開發(fā)與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(bǔ)技術(shù)，復(fù)雜加工程序的前瞻控制能力，機(jī)床動(dòng)態(tài)特性參數(shù)優(yōu)化模型，故障診斷與保證功能等。同時(shí)，相應(yīng)開發(fā)與高速高加速運(yùn)動(dòng)相配套的高速導(dǎo)軌、高速防護(hù)、高速位置檢測(cè)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(jī)床的發(fā)展而言，直線電機(jī)無論作為功能部件還是其相關(guān)技術(shù)在機(jī)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(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制的機(jī)床產(chǎn)品，并逐步形成產(chǎn)業(yè)，占領(lǐng)高檔數(shù)控機(jī)床的重要制高點(diǎn)。建議行業(yè)和政府相關(guān)規(guī)劃中予以大力支持。