直接驱动直线电机伺服单元概述

（xx大学xx系制造工程研究所，北京，1000xx）
1  高速加工与直线电机
    以高效率和高精度为基本特征的高速加工技术，近十多年来迅速崛起，并成为当今制造业不可回避的先进制造技术之一，传统制造业发达国家已经把高速加工看成是推动经济发展的一项新技术。进入90年代以来，一批又一批的高速机床已投放国际市场，开始成功地应运于汽车工业、航空航天工业、复杂曲面加工以及难加工材料的加工等领域，这标志着高速加工已进入工业实用化阶段，并将给世界机床工业带来巨大的推动和冲击[1-5]。
    为实现高速加工，除要求高速加工机床必须具有适宜高速加工的主轴部件，动、静、热刚度好的机床支撑部件，高刚度、高精度的刀柄和快速换刀装置，以及高压大流量的喷射冷却系统和安全装置等之外，对高速机床的进给系统也提出了更高的要求，即:
    1.高进给速度，最大进给速度达到60～200m/min。
    2.高加速度，最大加速度应达到1～10g。
    3.高精度。
    对此，由“旋转伺服电机＋滚珠丝杠”构成的传统直线运动进给方式已很难适应这样的高要求。在解决上述难题的过程中，一种崭新的传动方式应运而生了，这就是直线电机直接驱动系统。由于它取消了从电机到工作台之间的一切中间传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因此这种传动方式被称作“直接驱动”(Direct Drive) [2],国内也有人称之为“零驱动” [5]。其优点是：
    1.速度高，可达60～200m/min;
    2.惯性小，加速度特性好，可达1～2g，易于高速精定位；
    3.无中间传动环节，不存在摩擦磨损、反向间隙等问题，可靠性高，寿命长；
    4.刚性好，动态特性好；
    5.行程长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工作台。
    世界上第一台在展览会上展出的，采用直线电机直接驱动的高速加工中心是德国Ex-Cell-O公司1993年9月在德国汉诺威欧洲机床博览会上展出的XHC 240型加工中心,采用了德国Indrmat公司的感应式直线电机，各轴的快速移动速度高达80m/min，加速度高达1g[4]。
    美国Ingersoll公司也早在1985年就开始与Ford公司合作研制超高速加工中心，在研制出采用美国Anorad公司永磁式直线电机的“高速模块”HVM800型卧式加工中心之后，1996年初又推出了HVM600高速模块，最大进给速度76m/min，加速度1g(z轴1.5g)，定位精度0.005mm，重复定位精度0.0025mm[4,6]。
    直线电机在高速加工中心上的成功应用轰动了国际机床界，被同行专家评价为90年代国际机床工业的一个新的技术高峰，是对机床设计理论的一个重大突破。    为此，中国机床工具工业协会1994年派出了赴美、日考察工作组，对两国在高速加工与下一代新机床和直线电机伺服驱动等方面的技术现状和发展趋势做了专门考察[1]。此后，广东工业大学开始对强力直线伺服电机及其在超高速数控机床中的应用进行了系统研究，并设计和制造出GD－3型直线电机高速数控进给单元[5]。该进给单元以高速加工为应用目标，采用感应式直线电机，最高进给速度达100m/min。
    清华大学制造工程研究所在永磁直流直线电机及其驱动控制系统方面已有十余年的研究经验，1996年本所研制的新一代直流永磁直线电机及其驱动控制系统成功地应用于和广州机床厂合作生产的G-CNCP 200型中凸变椭圆活塞数控车床上[7]。
2  直线电机及其分类
    所谓直线电机就是将旋转电机的转子、定子以及气隙分别沿轴线剖开，展成平面状，使电能直接转换成直线机械运动的一种推力装置的总称。世界上出现旋转电机不久，英国人Charles Wheatstone就于公元1845年最早提出了直线电机的方案并获得专利。此后，由于直线电机没能在成本与效率方面战胜旋转电机，因而长期未能得到广泛应用。直到本世纪70年代之后，随着控制技术、电子技术和材料性能的显著提高，直线电机才终于迎来了独立应用的时代，在高速磁悬浮列车、工业设备、办公自动化设备、家用电器以及军事装备中获得了广泛应用[8,9]。
    根据工作原理，可以将直线电机分为以下几类：
    1.直线感应电机(LIM)；
    2.直线同步电机(LSM)；包括交流永磁直线电机(LPMSM)和无刷直流直线电机(LBLDM)；
    3.有刷直流直线电机；
    4.直线步进电机(LPM);
    5.音圈直线电机(VCM);
    6.其它类型直线电机。
各种直线电机的主要特性对比如表1所示。
表1. 各种直线电机的主要特性对比
类  型 推力 速度 气隙 行程 位置反馈 控制 备  注
直线感应电机 大 高 小 长 增量式 复杂 能耗大，散热要求高
交流永磁直线电机 大 高 中 长 绝对式 较复杂 磁力吸引大
无刷直流直线电机 大 高 中 长 增量式 较简单 磁力吸引大
有刷直流直线电机 大 较高 中 长 增量式 较简单 电刷易磨损、打火
直线步进电机 小 中 较小 长 无 简单 易丢步
音圈电机 中 高频 较大 小 增量式 较简单 适于高频小行程应用

    其中感应式直线电机和永磁式直线电机的较详细性能对比如表2所示。
表2. 感应式直线电机和永磁式直线电机性能对比
类  型 感应式直线电机 永磁式直线电机
交流永磁直线电机 无刷直流直线电机
驱动电流波形 正弦波 正弦波 方波
运动平稳性 差，低速平稳性差 好 差，换相时有冲击
单位体积出力 小 稍小 大
效率 低 稍低 高
控制算法 复杂 较简单 简单
换相用霍尔传感器 不要 不要 要
位置反馈元件 相对式 绝对式 相对式
气隙要求 高，0.1mm 低，1mm 低，1mm
防尘要求 较低 高 高
磁力吸引 变量，通电才有 常量 常量
动力制动 尚无 可能 可能

    根据结构形式，可以将直线电机分为以下几类：
    1.单边直线电机，包括单边励磁平板式结构和双边励磁U型结构；
    2.双边直线电机；
    3.圆筒式(螺线管)直线电机。
    其性能比较如表3所示。
表3. 不同结构形式的直线电机的主要性能对比
结构形式 单边直线电机 双边直线电机 圆筒式(螺线管)
直线电机
单边励磁平板式 双边励磁U型
单位体积出力 大 较大 很大 大
峰值出力 大 较小 很大 较大
结构刚度 高 较高 低 中
行程长度 无限制 较长 短 短
漏 磁 大 小 较小 有可能很小
散热条件 好 较好 较差 有可能较好

3  直线电机技术发展状况
    从近年来国际上的发展状况来看，直线电机技术主要掌握在少数直线电机和伺服控制装置制造商手中，而科研机构和大学的参与则相对较少。
    美国Anorad公司是国际上最大的直线电机供应商之一，从80年代初开始研制直线电机，主导产品是正弦波交流永磁直线电机和方波无刷直流直线电机，已广泛应用于IC芯片制造设备、电子元件装配线和精密检测仪器等领域。从80年代中期开始，该公司与Ford公司和Ingersoll公司合作开发高速加工中心，目前，机床制造业已成为其最大的新兴市场[6,10-11]。
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