1 引言
隨著超高速切削、超精密加工等先進位造技術發展，對機床各項性能指標提出了越來越高的要求。特別是對機床進給系統的伺服性能提出了更高的要求：要有很高的驅動推力、快速進給速度和有極高的快速定位精度。儘管當前世界先進的交直流伺服（旋轉電動機）系統性能已大有改進，但由於受到傳統機械結構（即旋轉電動機+滾珠絲杠）進給傳動方式的限制，其有關伺服性能指標（特別是快速響應性）難以突破提高。對此，國內外有關專家也先後提出了用直線電動機直接驅動機床工作台的有關方案。歐洲機床行業迅速掀起的「直線電動機熱」，被日本某雜誌選為1997年工廠自動化行業的國際十大新聞之一［1］。
從直線電動機工作原理來講，它與旋轉電動機一樣，也有直流、交流、步進、永磁、電磁、同步和非同步等多種類型。而從其結構來講，它又有動圈式、動鐵式、平板型和圓筒型等形式。由此，直線電動機可派生出比旋轉電動機更多的種類。但應用於機床進給機構，究竟應採用哪一種類型、結構較合適；又如何根據直線電動機的控制性能特點和在機床運行過程中可能存在的問題及所要求的性能，汲取以往教訓，採用當前已成熟的相關技術，通過揚長避短、綜合分析，選擇更合理的設計方案。這正是當今世界機床行業中「直線電動機熱」所要關心、討論、研究和應用的。
2 直線電機用於機床進給系統的特點
機床進給系統採用直線電動機直接驅動與原旋轉電動機傳動方式的最大區別是取消了從電動機到工作台（拖板）之間的一切機械中間傳動環節。即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。故這種傳動方式即稱「直接驅動」（Direct Drive），慣稱為「直線驅動」，也又稱為「零傳動」［1］。正由於這種「零傳動」方式，帶來了原旋轉電動機驅動方式無法達到的性能指標和一定優點。但也帶來了新的矛盾和問題。
2.1 優點
（1）高速響應性 一般來講機械傳動件比電氣元器件的動態響應時間要大幾個數量級。由於系統中取消了一些響應時間常數較大的如絲杠等機械傳動件，使整個閉環控制系統動態響應性能大大提高，使反應異常靈敏快捷。
（2）高精度性 由於取消了絲杠等機械傳動機構，因而減少了插補時因傳動系統滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，可大大提高機床的定位精度。
（3）傳動剛度高、推力平穩 「直接驅動」提高了其傳動剛度。同時直線電動機的布局，可根據機床導軌的形面結構及其工作台運動時的受力情況來布置。通常設計成均布對稱（如附圖），使其運動推力平穩。
（4）速度快、加減速過程短 直線電動機最早主要用於磁浮列車（時速可達500km/h），現在用於機床進給驅動中，要滿足其超高速切削的最大進給速度（要求達60～100m/min或更高）當然是沒問題的。也由於「零傳動」的高速響應性，使其加減速過程大大縮短，從而實現起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間准停。加速度一般可達到2～10g（g=9.8m/s2）。
（5）行程長度不受限制 在導軌上通過串聯直線電動機的定件，就可無限延長動件的行程長度。
（6）運行時雜訊低 由於取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，而其導軌副又可採用滾動導軌或磁墊懸浮導軌（無機械接觸），使運動雜訊大大下降。
（7）效率高 由於無中間傳動環節，也就取消了其機械摩擦時的能量損耗。
2.2 問題
（1）發熱問題 由於直線電動機直接處於散熱條件較差的機床內部，其初、次級繞組在進行電磁能量轉換過程中所產生的熱量，極易使溫度T升高；並且T的升高又將引起電動機繞組阻值R增大，該時為確保驅動力輸出不變，就要增大其電流I，反過來I的增大又將使T升高，從而形成惡性循環的正反饋過程。又由於直線電動機的繞組、鐵芯就貼在機床導軌上，其結果將嚴重引起機床導軌熱變形。這與旋轉電動機傳動方式相比，一方面利用電動機本身軸上的風扇即能較好地散熱，另一方面旋轉電動機經絲杠等傳動后，到機床導軌的空間距離已較遠，也就不存在由此引起的熱變形問題。所以機床進給系統採用直線電動機驅動后，解決好其散熱問題是至關重要的一步。
（2）隔磁及防護問題 由於旋轉電動機磁場是封閉式的，而直線電動機磁場是敞開式的，並且就在機床工作台附近，其工件、切屑和工具等磁性材料很容易被該磁場吸住，而妨礙其正常工作。為此，雖然採用電磁式要比永磁式好一點，但其隔磁防護仍不能忽視。並且還需考慮對機床冷卻液、潤滑油等的防護。
（3）負載干擾問題 直線電動機傳動控制只能是全閉環控制。其工作台負載（工件重量、切削力等）的變化，對一個穩定系統來說就是外界干擾，若自動調節不好就會引起系統震蕩而失穩。因此對整個直線進給驅動系統來講，除了要求直線電動機有較強的帶負載能力外，還必須同時具備速度、位置檢測負反饋，和高速信息傳輸、校正、響應能力。並且也應盡量減小導軌間的摩擦阻尼，如採用滾動導軌或磁墊懸浮導軌。另外在加大直線電動機容量的同時，若適當增加工作台自重，對減小其負載干擾係數會有一定作用。
（4）垂直進給中的自重問題 當直線電動機應用於垂直進給機構時，由於存在拖板自重，因此必須解決好直線電動機斷電時的自鎖問題和通電工作時重力加速度對其影響問題。為此，除了增加合適的平衡配重塊（或用液壓支承），斷電時採取機械自鎖裝置外，還必須在伺服驅動控制模塊上採取相應的措施。
3 幾種改進設計方案分析
通過上述特點分析，再綜合考慮其各種相關技術，特此提出幾種改進設計方案，以供參考。
3.1 附加制冷機實現恆溫電機控制
從直線電動機發熱過程的分析可知，由電動機產生的熱量一方面制約著其允許的電參數（如電流）強度，也就制約了該電動機驅動推力的大小。另一方面也將嚴重引起機床導軌熱變形。為從根本上解決該問題，可以在直線電動機與機床導軌間增加一恆溫控制裝置［3］。其方法是在直線電動機與機床導軌內嵌入氟里昂制冷機的蒸發管（當然也可以用半導體製冷元件或其它製冷元件），利用蒸發管的熱傳導進行降溫。並通過溫度反饋以實現恆溫（15～30℃）控制。
3.2 無刷直流直線電機
由於機床進給用的直線電動機驅動系統，必定要採用直線位置檢測反饋來實現全閉環控制。因此，利用其位移檢測信號與所設計的電動機極距進行比較，以此來控制改變電樞繞組的電流方向。這樣即省去了電刷換向機構，又避免了電刷換向帶來的弊病，增加了其穩定性和可靠性。
3.3 速度、位移反饋及位置測量誤差定點軟體補償
為獲得直線電動機較好的調速特性，需採用測速負反饋控制。對此，既可在直線電動機內另增加一組測速發電繞組進行反饋；但也可直接利用位移測量信號，對其進行微分後作為速度信號來反饋控制。
關於直線位置檢測元件的選擇。考慮激光器件成本較高，而感應同步器、磁柵又都是利用電磁感應原理檢測的，為防止直線電動機自身的電磁場對其干擾，應選擇利用光電轉換原理工作的光柵較合理。為進一步提高位置檢測的解析度和精度，基於現有的光柵檢測元件由於製造工藝等原因，在未能提高光柵玻璃直尺刻線密度的情況下，可以通過電子線路進一步細分來提高解析度。同時採用軟體定點補償來提高精度。其方法是在整個直線位置控制裝置安裝完畢后，再藉助於更高一級的位置測量裝置，如激光干涉儀，進行測量比較，設定多點並逐點進行誤差記錄，將值存入微機的EPROM中，然後運行時通過微機軟體控制，進行定點補償來提高其檢測精度。
3.4 多極電磁式、雙邊對稱結構與磁墊懸浮導軌
為提高直線電動機低速運行特性，電動機需設計成多磁極型。由於直線電動機磁場是平攤著的，這對電動機製造不會帶來很大難度。同時考慮到上述隔磁問題，其磁場應採用電磁式較好，並且這樣更便於控制。通過分析可知，直流直線電動機在運行中要產生兩種力，一種是由勵磁產生的磁拉力（也可成為電動機的制動力）；另一種就是由電樞繞組產生所需要的驅動推力。因此通過測速、位置反饋來合理調節控制其勵磁電流和電驅電流，即可較好地實現起動、加速、運行、制動、定位和自鎖等要求。為保證推力平穩，直線電動機的布局應做成雙邊對稱結構（見附圖）。
並且此時也可實現無機械接觸的磁墊懸浮導軌， 即利用直線電動機的動、定件兼作機床導軌副。為確保磁浮氣隙間的平衡，在氣隙間安裝一間隙測量感測器，通過間隙測量來反饋控制兩側對稱勵磁繞組的電流，以改變兩側定件與動件之間的磁拉力，即兼作磁墊導軌的懸浮力，從而調整兩側對稱的磁墊氣隙間距。
3.5 附加壓電式微步進的組合式直線電機
為滿足超精密加工的要求，需通過微量進給、精密定位來實現。為此，可在原直線電動機進給機構中再以串聯方式安置一微進給直線步進電動機。該直線步進電動機利用壓電陶瓷的磁致伸縮原理製成，可實現0.1～0.01μm的微小步距進給。利用該組合式直線電動機，在同一台機床上即可同時滿足快、慢速進給和微量進給、精密定位的多種切削要求。
4 結束語
隨著直線電動機在機床中的應用，整台機床的機械結構將發生革命性的變化；通過先進的電氣控制，不僅簡化了機械結構，更重要的是使機床的性能指標得到更大提高。由於該方面的應用目前還處於初級階段，因此不僅對有關理論還需進一步研究、完善，並且對有關術語定義、標準制定等也有待儘早統一。隨著各相關配套技術的進一步成熟和有關直線電動機製造工藝的改進、完善，相信用直線電動機作進給驅動的機床必將得到推廣，其性能價格比也將大大提高。同時它也將促進超高速切削、超精密加工技術得到進一步發展。
