1 引言

高速化、精密化和模塊化是現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展方向。新的切削理論認為：當切削速度達到一定程度（約500m/min）后，切削區(qū)溫度不再上升，并且切削力反而會減小，刀具磨損也減少。這樣在提高生產(chǎn)率的同時還能提高零件的表面質(zhì)量和加工精度。

一般來說，高速加工的切削速度和進給速度都比常規(guī)加工要高出一個數(shù)量級。因此高速主軸和快速進給系統(tǒng)是實現(xiàn)高速加工的兩項關(guān)鍵技術(shù)，其中對進給系統(tǒng)提出了以下新要求：（1）進給速度必須與高速主軸相匹配，達到60m/min或更高：（2）加速度要大，這樣才能在最短的時間和行程內(nèi)達到要求的高速度，至少要1～2g：（3）動態(tài)性能要好，能實現(xiàn)快速的伺服控制和誤差補償，具有較高的定位精度和剛度。

長期以來，數(shù)控機床的進給系統(tǒng)主要是“旋轉(zhuǎn)伺服電動機，滾珠絲杠”，這種進給系統(tǒng)所能達到的最高進給速度為90～120m/min，最大加速度只有1.5g。同時，由于從電動機主軸到工作臺之間存在聯(lián)軸節(jié)、絲杠、螺母、軸承、支架等一系列中間環(huán)節(jié)，當進給部件要完成啟動、加減速、反轉(zhuǎn)、停車等動作時，這些機械元件產(chǎn)生的彈性變形、摩擦、反向間隙等，會造  
成進給運動的滯后和其它許多非線性誤差：這些中間環(huán)節(jié)也加大了系統(tǒng)的慣性質(zhì)量，影響了對運動指令的快速響應(yīng)。另外，絲杠是細長桿，在力和熱的作用下，會產(chǎn)生變形，影響加工精度。

為了克服傳統(tǒng)進給系統(tǒng)的缺點，簡化機床結(jié)構(gòu)，滿足高速精密加工的要求，人們開始研究新型的進給系統(tǒng)，直線電動機就是最有前途的快速進給系統(tǒng)。它取消了源動力和工作臺部件之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，使得機床進給傳動鏈的長度為零，這就是所謂的“直接驅(qū)動”或“零傳動”。

2 直線電動機的原理和分類

所謂直線電動機就是利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換直線運動動能的設(shè)備。在實際的應(yīng)用中，為了保證在整個行程之內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變，一般要將初級與次級制造成不同的長度。直線電動機與旋轉(zhuǎn)電動機類似，通入三相電流后，也會在氣隙中產(chǎn)生磁場，如果不考慮端部效應(yīng)，磁場在直線方向呈正弦分布，只是這個磁場是平移而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場。行波磁場與次級相互作用便產(chǎn)生電磁推力，這就是直線電動機運行的基本原理。由于直線電動機和旋轉(zhuǎn)電動機之間存在以上對應(yīng)關(guān)系，因此每種旋轉(zhuǎn)電動機都有相對應(yīng)的直線電動機，但直線電動機的結(jié)構(gòu)形式比旋轉(zhuǎn)電動機更靈活。直線電動機按工作原理可分為：直線直流電動機、直線感應(yīng)電動機、直線同步電動機、直線步進電動機、直線壓電電動機及直線磁阻電動機：按結(jié)構(gòu)形式可分為平板式、U形及圓筒式。

3 直線電動機的優(yōu)缺點分析

直線電動機的特點在于直接產(chǎn)生直線運動，與間接產(chǎn)生直線運動的“旋轉(zhuǎn)電動機，滾動絲杠”相比，其優(yōu)點是（具體性能見下表）：
 

（1）沒有機械接觸，傳動力是在氣隙中產(chǎn)生的，除了導(dǎo)軌外沒有其它摩擦：（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，以最少的零部件數(shù)量實現(xiàn)直線驅(qū)動，而且是只有一個運動的部件：（3）行程在理論上不受限制，而且性能不會因為行程的改變而受到影響：（4）可以提供很寬的速度范圍，從每秒幾微米到數(shù)米，特別是高速是其一個突出的優(yōu)點：（5）加速度很大，最大可達10g：（6）運動平穩(wěn)，這是因為除了起支撐作用的直線導(dǎo)軌或氣浮軸承外，沒有其它機械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故：（7）精度和重復(fù)精度高，因為消除了影響精度的中間環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的精度取決于位置檢測元件，有合適的反饋裝置可達亞微米級：（8）維護簡單，由于部件少，運動時無機械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無需維護，使用壽命更長。

    直線電動機與“旋轉(zhuǎn)電動機，滾珠絲杠”傳動性能比較表

 　　直線電動機的缺點是：首先直線電動機端部磁場的畸變影響到行波磁場的完整性，使直線電動機損耗增加，推力減小，而且存在較大的推力波動，這就是直線電動機特有的“端部效應(yīng)（Edge Effect）”。直線電動機的結(jié)構(gòu)特點決定了端部效應(yīng)是不可避免的。其次直線電動機的控制難度大，因為在電動機的運行過程中負載（如工件重量、切削力等）的變化、系統(tǒng)參數(shù)攝動和各種干擾（如摩擦力等），包括端部效應(yīng)都直接作用到電動機上，沒有任何緩沖或削弱環(huán)節(jié)，如果控制系統(tǒng)的魯棒性不強，會造成系統(tǒng)的失穩(wěn)和性能的下降。其他缺點包括安裝困難、需要隔磁、效率低、成本高等。

制造業(yè)中滿足高速加工中心進給系統(tǒng)要求的主要是交流直線電動機。交流直線電動機可分為感應(yīng)式和同步式兩大類。雖然同步式直線電動機比感應(yīng)式直線電動機成本較高、裝配困難、需要屏蔽磁場，但效率較高、結(jié)構(gòu)簡單、次級不用冷卻、控制方便、更容易達到所要求的高性能，并且隨著釹鐵硼（NdFeB）永磁材料的出現(xiàn)和發(fā)展，永磁同步直線電動機將逐漸發(fā)展成主流。因此在高速加工中心中永磁交流同步直線電動機所占的比例將越來越高。