直線電機(jī)的歷史可以追溯到1840年惠斯登制作的并不成功的略現(xiàn)雛形的直線電機(jī)，其后的160多年中直線電機(jī)經(jīng)歷了探索實(shí)驗(yàn)、開發(fā)應(yīng)用和使用商品化三個時期。
1971年至目前，直線電機(jī)終于進(jìn)入獨(dú)立應(yīng)用的時期，各類直線電機(jī)的應(yīng)用得到了迅速的推廣，制成了許多有實(shí)用價值的裝置和產(chǎn)品，例如直線電機(jī)驅(qū)動的鋼管輸送機(jī)、運(yùn)煤機(jī)、各種電動門、電動窗等。利用直線電機(jī)驅(qū)動的磁懸浮列車，速度已超過500km/h，接近了航空飛行的速度。
我國的直線電機(jī)的研究和應(yīng)用是從20世紀(jì)70年代初開始的。目前主要成果有工廠行車、電磁錘、沖壓機(jī)等。我國直線電機(jī)研究雖然也取得了一些成績，但與國外相比，其推廣應(yīng)用方面尚存在很大的差距。目前，國內(nèi)不少研究單位已注意到這一點(diǎn)[1]。
直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的現(xiàn)狀
近幾年，國際上對數(shù)控機(jī)床采用直線電機(jī)顯得特別熱門，其原因是：
為了提高生產(chǎn)效率和改善零件的加工質(zhì)量而發(fā)展的高速和超高速加工現(xiàn)已成為機(jī)床發(fā)展的一個重大趨勢，一個反應(yīng)靈敏、高速、輕便的驅(qū)動系統(tǒng)，速度要提高到40～50m/min以上。傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的傳動形式所能達(dá)到的最高進(jìn)給速度為30m/min，加速度僅為3m/s2。直線電機(jī)驅(qū)動工作臺，其速度是傳統(tǒng)傳動方式的30倍，加速度是傳統(tǒng)傳動方式的10倍，最大可達(dá)10g；剛度提高了7倍；直線電機(jī)直接驅(qū)動的工作臺無反向工作死區(qū)；由于電機(jī)慣量小，所以由其構(gòu)成的直線伺服系統(tǒng)可以達(dá)到較高的頻率響應(yīng)。
1993年，德國ZxCell-O公司推出了世界上第一個由直線電機(jī)驅(qū)動的工作臺HSC-240型高速加工中心，機(jī)床主軸最高速達(dá)到24000r/min，最大進(jìn)給速度為60n/min，加速度達(dá)到1g，當(dāng)進(jìn)給速度為20m/min時，其輪廓精度可達(dá)0.004mm。美國的Ingersoll公司緊接著推出了HVM-800型高速加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速為20000r/min，最大進(jìn)給速度為75.20m/min。
1996年開始，日本相繼研制成功采用直線電機(jī)的臥式加工中心、高速機(jī)床、超高速小型加工中心、超精密鏡面加工機(jī)床、高速成形機(jī)床等[1]。
我國浙江大學(xué)研制了一種由直線電機(jī)驅(qū)動的沖壓機(jī)，浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所設(shè)計了用圓筒型直線電機(jī)驅(qū)動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測量機(jī)[2]。2001年南京四開公司推出了自行開發(fā)的采用直線電機(jī)直接驅(qū)動的數(shù)控直線電機(jī)車床，2003年第8屆中國國際機(jī)床展覽會上，展出北京電院高技術(shù)股份公司推出的VS1250直線電機(jī)取得的加工中心，該機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min。
直線電機(jī)的工作原理
直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開，并展成平面而成，如圖１所示。
圖1直線電機(jī)的轉(zhuǎn)變過程
由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。在實(shí)際應(yīng)用時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機(jī)可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級。考慮到制造成本、運(yùn)行費(fèi)用，目前一般均采用短初級長次級。
直線電動機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相似。以直線感應(yīng)電動機(jī)為例：當(dāng)初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運(yùn)動；反之，則初級做直線運(yùn)動。
直線電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)
一個直線電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不僅要有性能良好的直線電機(jī)，還必須具有能在安全可靠的條件下實(shí)現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)要求的控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術(shù)與微計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)的控制方法越來越多。對直線電機(jī)控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統(tǒng)控制技術(shù)，二是現(xiàn)代控制技術(shù)，三是智能控制技術(shù)。
傳統(tǒng)的控制技術(shù)如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中PID控制蘊(yùn)涵動態(tài)控制過程中的過去、現(xiàn)在和未來的信息，而且配置幾乎為最優(yōu)，具有較強(qiáng)的魯棒性，是交流伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術(shù)。
在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運(yùn)行環(huán)境是確定不變的條件下，采用傳統(tǒng)控制技術(shù)是簡單有效的。但是在高精度微進(jìn)給的高性能場合，就必須考慮對象結(jié)構(gòu)與參數(shù)的變化。各種非線性的影響，運(yùn)行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時變和不確定因數(shù)，才能得到滿意的控制效果。因此，現(xiàn)代控制技術(shù)在直線伺服電機(jī)控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有：自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制及智能控制。
近年來模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法也被引入直線電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID、H∞控制等現(xiàn)有的成熟的控制方法相結(jié)合，取長補(bǔ)短，以獲得更好的控制性能[3]。
直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用實(shí)例
活塞車削數(shù)控系統(tǒng)
采用直線電機(jī)的直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)由于具有響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于異型截面工件的CNC車削和磨削加工中。針對產(chǎn)量最大的非圓截面零件，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)非圓切削研究中心開發(fā)了基于直線電機(jī)的高頻響大行程數(shù)控進(jìn)給單元。當(dāng)用于數(shù)控活塞機(jī)床時，工作臺尺寸為600mm×320mm，行程100mm，最大推力為160N，最大加速度可達(dá)13g。由于直線電機(jī)動子和工作臺已固定在一起，所以只能采用閉環(huán)控制，圖2所示為該單元的控制系統(tǒng)簡圖。
圖2 直線電機(jī)位置控制器的原理框圖
這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。采用高精度光柵尺作為位置檢測元件。定位精度取決于光柵的分辨率，系統(tǒng)的機(jī)械誤差可以由反饋消除，獲得較高的精度[4]。
采用直線電機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)
采用PC機(jī)與開放式可編程運(yùn)功控制器構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)以通用微機(jī)及Windows為平臺，以PC機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)插件形式的運(yùn)動控制器為控制核心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放。基于直線電機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖3所示。
圖3基于直線電機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)原理圖
該系統(tǒng)采用在PC機(jī)的擴(kuò)展槽中插入運(yùn)動控制卡的方案組成，系統(tǒng)由PC機(jī)、運(yùn)動控制卡、伺服驅(qū)動器、直線電機(jī)、數(shù)控工作臺等部分組成。數(shù)控工作臺由直線電機(jī)驅(qū)動，伺服控制和機(jī)床邏輯控制均由運(yùn)動控制器完成，運(yùn)動控制器可編程，以運(yùn)動子程序的方式解釋執(zhí)行數(shù)控程序（G代碼等，支持用戶擴(kuò)展）。運(yùn)動控制卡型號為PCI-8132。
當(dāng)今的工業(yè)控制技術(shù)中PCI總線漸漸地取代了ISA總線，成為主流總線形式，它有很多優(yōu)點(diǎn)，如即插即用(Plug and Play)、中斷共享等。PCI總線具有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這就保證了它具有良好的兼容性，可靠性高；傳送數(shù)據(jù)速率高（132Mbps）或(264Mbps); PCI總線與CPU無關(guān)，與時鐘頻率無關(guān)，適用于各種平臺，支持多處理器和并行工作；PCI總線還具有良好的擴(kuò)展性，通過PCI_PCI橋路，可進(jìn)行多級擴(kuò)展。PCI總線為用戶提供了極大的方便，是目前PC機(jī)上最先進(jìn)、最通用的一種總線。PCI-8132是具有PCI接口的2軸運(yùn)動控制卡。它能產(chǎn)生高頻脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，控制2個軸的電機(jī)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)直線和圓弧插補(bǔ)。在數(shù)控加工中，提供位置反饋。
系統(tǒng)軟件在WINDOWS平臺上開發(fā)。該軟件采用模塊化程序設(shè)計，由用戶輸入輸出界面、預(yù)處理模塊等組成。用戶輸入輸出界面實(shí)現(xiàn)用戶的輸入、系統(tǒng)的輸出。用戶輸入的主要功能是讓用戶輸入數(shù)控代碼，發(fā)出控制命令，進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)配置，生成數(shù)控機(jī)床零件加工程序（G代碼指令）。預(yù)處理模塊讀取G代碼指令后，通過編譯生成能夠讓PCI－8132運(yùn)動控制卡運(yùn)行的程序，從而驅(qū)動直線電機(jī)，完成直線或圓弧插補(bǔ)。讀取G代碼的過程是首先進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，然后讀取G代碼，該程序流程如下如圖4所示。
圖4讀取G代碼程序流程圖
在這一系統(tǒng)中選用PARKER406LXR系列直線電機(jī)。對于兩坐標(biāo)數(shù)控工作臺，X向選用406T07型直線電機(jī)，行程550mm，Y向選用406T05型直線電機(jī)，行程450mm。
結(jié)語
采用直線伺服電機(jī)的高速加工中心，已成為國際上各大機(jī)床制造商競相研究和開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，并已在汽車工業(yè)和航空工業(yè)中取得初步應(yīng)用和成效，作為高速加工中心的新一代直接驅(qū)動伺服執(zhí)行元件，直線伺服電機(jī)技術(shù)在國內(nèi)外也已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。但是，國內(nèi)在這方面的研究仍處于起步階段，差距還很大，本文在直線電機(jī)的應(yīng)用方面作了一些探討，許多技術(shù)問題還有待于今后的努力。
