1．得到直線運動的途徑 機(jī)械中的各種運動大體上可分為直線運動、旋轉(zhuǎn)運動和曲線運動，其中直線運動和旋轉(zhuǎn)運動是最基本的兩種運動。得到直線運動的方法很多： （1）油缸、氣缸由液壓、氣壓分別推動油缸、氣缸得到直線運動，但必須有油箱（油泵站）、空氣壓縮機(jī)等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動不夠精確、平穩(wěn)，但運用十分廣泛。 （2）旋轉(zhuǎn)電機(jī)和絲杠由旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過絲杠螺母傳動將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、傳動精度高，是當(dāng)前最常用的直線運動方式。 （3）直線電機(jī)由直線電機(jī)直接產(chǎn)生直線運動帶動工作臺，這種方式最簡單也最理想，其傳動環(huán)節(jié)少，不需要由旋轉(zhuǎn)電機(jī)經(jīng)絲杠來轉(zhuǎn)換，沒有傳動間隙（包括反向間隙），因此，精度較高，具有“直接傳動”、“無間隙傳動”、“零傳動”等美稱，有廣闊的應(yīng)用前景。 2．直線電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu) （1）直線電機(jī)的原理直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的原理相同，將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿其徑向展開就成為直線電機(jī)，如圖1所示。其中定子相當(dāng)于直線電機(jī)的初級，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電機(jī)的次級。當(dāng)在初級中通人三相正弦電流后，在初次級之間的氣隙中就會產(chǎn)生磁場，由于這個磁場是平移的，不是旋轉(zhuǎn)的，故稱為行波磁場，在行波磁場與次級的作用下，產(chǎn)生電磁推力，從而使次級產(chǎn)生直線運動。 這種由旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)變而來的直線電機(jī)，當(dāng)次級移動時就會產(chǎn)生初次級之間的耦合變化，從而電磁推力就會隨之產(chǎn)生變化，因此，應(yīng)將次級縮短，使耦合保持不變，初級長度可根據(jù)行程長度的需要而定，如圖1c所示。 從原理上來說，長初級短次級和短初級長次級都是可以的，考慮到短初級在制造成本和運行費用上均比較低，故一般多采用短初級長次級方式，如圖1c所示。 圖1所示的直線電機(jī)，只有一個初級，稱為單邊型直線電機(jī)，這種直線電機(jī)的初次級之間存在著很大的法向力，若在次級的兩邊均裝上初級，則其法向吸力可以相互抵消，且推力加大，稱為雙邊型直線電機(jī)，如圖2a所示。也可以是一個初級兩個次級的結(jié)構(gòu)，如圖2b所示。 （2）直線電機(jī)的種類根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的工作原理不同，直線電機(jī)有相應(yīng)的種類，另外直線電機(jī)為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，有不同的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。 直線直流電機(jī)：有框架式和音圈式兩種?？蚣苁讲捎脤?dǎo)磁軟鐵將激磁磁通或永磁磁通閉合，直流線圈或框架移動。音圈電機(jī)采用無鐵芯動圈式結(jié)構(gòu)，音圈通人直流電時，在所置固定磁場中移動。由于動圈慣量小，多用于小位移高頻往復(fù)運動。 直線感應(yīng)電機(jī)：采用三相交流線圈做初級，次級可做成梯形，用導(dǎo)電平板或?qū)к?，?dāng)動子移動速度與初級行波速度不同時產(chǎn)生直線推力，屬異步電機(jī)。這種電機(jī)次級，結(jié)構(gòu)簡單，但需采用復(fù)雜的矢量控制方法，初級發(fā)熱嚴(yán)重，效率較低。 直線同步電機(jī)：初級為交流線圈，產(chǎn)生行波磁場，次級為固定磁場，有激磁式和永磁式兩種。當(dāng)初級通以交流電時，動子以行波磁場的運動速度同步移動。換向方式可分為電刷式和無刷式，電刷式采用電刷換向，成本低，但電刷易變形、接觸不良、易磨損老化，運行有火花；無刷式采用電子換向，為非接觸式，安全可靠。直線同步電機(jī)的初級線圈可用鋼芯、鋁芯或樹脂芯包容，采用鋁芯和樹脂芯時，不會產(chǎn)生由于齒槽磁阻變化而產(chǎn)生的推力波動現(xiàn)象，稱為齒槽效應(yīng)，從而運動平穩(wěn)；采用硅鋼片疊成的鐵芯時，推力大，發(fā)熱大，有齒槽效應(yīng)，需要冷卻，多采用單邊型平板式，用于數(shù)控機(jī)床上。 直線步進(jìn)電機(jī)：初級為交流線圈并有等距齒槽，次級為帶有與初級相同齒距齒槽的鋼制平板。當(dāng)初級通以三相交流電時，初次極問產(chǎn)生推力而步進(jìn)移動，這種電機(jī)多采用開環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，但精度不高、推力小。它應(yīng)屬于同步電機(jī)的一種。 直線壓電電機(jī)：系利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，即當(dāng)晶體在外電場的激勵下，在某些方向上產(chǎn)生形變，其形變與外電場強(qiáng)度成線性正比關(guān)系，通常采用壓電陶瓷材料，通過控制外電場強(qiáng)度產(chǎn)生直線位移，由于行程很短，只有幾微米．故多用于小推力高精度的微進(jìn)給，可將多塊壓電晶體粘接在一起以擴(kuò)大行程，可達(dá)幾毫米。 直線磁阻電機(jī)：初級為三相交流線圈，通電時產(chǎn)生行波磁場，次級的直軸電抗和交軸電抗不等，利用凸極效應(yīng)產(chǎn)生直線推力。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但推力電流比小、發(fā)熱大、效率低。 綜上所述，對于數(shù)控機(jī)床上所用的直線電機(jī)，當(dāng)然首推交流直線電機(jī)，主要有感應(yīng)式和同步式兩大類。 （3）直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)以永磁式直線同步電機(jī)為例，畫出其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。 由圖4可知，它是一個單邊型平板式永磁式直線同步電機(jī)，由初級、次級、導(dǎo)軌、位置檢測裝置、底板以及控制系統(tǒng)所組成。初級短，由硅鋼鐵芯和交流線圈構(gòu)成，為了防止發(fā)熱，有冷卻水系統(tǒng)。次級由軟鐵底板和永久磁鐵構(gòu)成，永久磁鐵由多塊拼接而成，并粘貼在軟鐵底板上，永久磁鐵的形狀及其排列方式是要設(shè)計的。初級與次級之間由兩個直線滾動導(dǎo)軌相連，保證運動的平穩(wěn)性、直線度和氣隙均勻，次級長度決定于所需行程，可以系列化，理論上無限制。采用光柵或磁尺直線位置檢測裝置，系統(tǒng)為閉環(huán)控制。電機(jī)底板上有固定孔，可用以將電機(jī)固定在機(jī)床上或其他裝置上，在機(jī)床上使用時尚須考慮切屑和切削液防護(hù)等問題。 3．直線電機(jī)的特點 對于直線運動來說，直線電機(jī)可直接產(chǎn)生直線運動，而目前大多采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過絲杠螺母轉(zhuǎn)換為直線運動，兩者相比，可歸納出直線電機(jī)的特點如下： （1）結(jié)構(gòu)簡單，以一個運動部件實現(xiàn)直線移動，只有導(dǎo)軌處有摩擦力，維護(hù)簡單，使用壽命長。而數(shù)控機(jī)床上直線進(jìn)給運動，大多要通過交流伺服電機(jī)和滾珠絲杠得到，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，摩擦環(huán)節(jié)多。 （2）速度范圍寬，以每秒幾微米到數(shù)米，具有高速的特點，可適于高速切削。而交流伺服和滾珠絲杠的方式，其速度范圍較小。 （3）加速度很大，最大可達(dá)10g。 （4）運動平穩(wěn)，因為初、次級之間只有支撐導(dǎo)軌，沒有其他機(jī)械環(huán)節(jié)。 （5）精度和重復(fù)精度高，因為沒有中間傳動環(huán)節(jié)，系統(tǒng)精度取決于導(dǎo)軌、位置檢測裝置和控制系統(tǒng)，可達(dá)亞微米級。 （6）有端部效應(yīng)和齒槽效應(yīng)，引起推力波動，若控制系統(tǒng)的魯棒性不強(qiáng)，會造成系統(tǒng)失穩(wěn)和性能下降。端部效應(yīng)是指直線電機(jī)次極兩端部是敞開的，從而端部磁場畸變，影響行波磁場的完整性，使電機(jī)損耗增加，推力減少，從而引起推力波動。齒槽效應(yīng)在初級線圈用硅鋼片疊成的鐵芯時，由于硅鋼疊片鋼芯的開槽導(dǎo)致氣隙磁場空間分布的不均勻，在不同空間位置上通過氣隙進(jìn)入初級繞組鐵芯的磁通有所不同，即齒槽磁阻的變化而造成的。兩種效應(yīng)均應(yīng)從電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)來解決。 （7）控制系統(tǒng)難度大，當(dāng)前可采用基于數(shù)字信號處理器（DsP）的全數(shù)字伺服控錨系統(tǒng)。 （8）安裝困難。可直接裝在機(jī)床上，有位置精度要求，且有切屑、冷卻液防護(hù)和安全保護(hù)等問題。 （9）目前雖已有商品問世，但技術(shù)上不夠成熟，且成本高、價格昂貴。 表1列出了旋轉(zhuǎn)電機(jī)和滾珠絲杠方式與直線電機(jī)方式的傳動性能比較。 目前，對于數(shù)控機(jī)床和加工中心上所用的直線電機(jī)，以同步式和感應(yīng)式為多，它們的性能各有特點，表2中對比了它們的性能，可以看出，同步式直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、次級不用冷卻、效率高、控制方便，但成本較高、裝配困難、需要屏蔽磁場，不過隨著釹鐵硼（NdFeB）等新永磁材料的發(fā)展，將在數(shù)控機(jī)床和加工中心上占據(jù)主流。 4．直線電機(jī)的應(yīng)用 1845年英國人查爾期·惠斯頓（Charles·Wheastone）發(fā)明了世界上第一臺直線電機(jī)，由于制造不精、效率低而未獲應(yīng)用，此后停滯了很長一段時間，被旋轉(zhuǎn)電機(jī)所壟斷。一直到20世紀(jì)中葉，由于控制系統(tǒng)、材料、制造技術(shù)的發(fā)展，將直線電機(jī)提到了日程上，受到了世界各國的重視。 直線電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，如列車驅(qū)動（磁懸浮列車）、物料運送、機(jī)床工作、食品和輕工機(jī)械、自動繪圖儀、液壓金屬泵、空氣壓縮機(jī)、電磁錘、家用電器以及半導(dǎo)體器件等。 從數(shù)控機(jī)床和加工中心來看，所用的直線電機(jī)多由國外生產(chǎn)，其中著名的廠家有美國的Anorad公司、德國的Indramat公司、GE·Fanuc·Automation·North·America公司和瑞士Sulzer·Electronics公司以及德國的西門子公司等我國尚沒有生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床和加工中心用的直線電機(jī)專門生產(chǎn)廠家。目前，用于數(shù)控機(jī)床和加工中心上的直線電機(jī)可分為兩大類： （1）高精度高頻響小行程直線電機(jī)大多用音圈式直線直流電機(jī)，由于動圈慣量小，可獲得很高頻響，利用電渦流傳感器或光柵傳感器可以檢測反饋信號進(jìn)行閉環(huán)控制以獲得高精度。這種電機(jī)的應(yīng)用實例是精密活塞數(shù)控車床，圖5表示了這種車床的工作原理圖，它由計算機(jī)控制x和z向交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)及其位置檢測傳感器以及主軸回轉(zhuǎn)位置檢測傳感器。x和z向交流伺服電機(jī)的控制構(gòu)成普通車削數(shù)控系統(tǒng)；Z向交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)及其位置檢測傳感器、主軸回轉(zhuǎn)位置檢測傳感器構(gòu)成活塞車削數(shù)控系統(tǒng)。 當(dāng)前，精密活塞都是中凸變橢圓形狀，其軸向截面呈中凸形（桶形），徑向截面呈橢圓形或不規(guī)則的非圓形，且沿軸向的各個徑向截面其橢圓度不等，故稱之為中凸變橢圓活塞，因此要用數(shù)控車削。車削時，刀具裝在直線電機(jī)動圈軸上，以獲得高頻往復(fù)移動，并與主軸回轉(zhuǎn)位置相配合，形成橢圓或不規(guī)則非圓形狀?，F(xiàn)在清華大學(xué)制造工程研究所與廣州機(jī)床廠合作生產(chǎn)的這種機(jī)床，主軸轉(zhuǎn)速為3-2500r／min，直線電機(jī)脈沖當(dāng)量為0．5“m，行程lmm，重復(fù)定位精度為3 m。 （2）大推力長行程高精度直線電機(jī)大多用永磁交流同步直線電機(jī)、感應(yīng)交流異步直線電機(jī)，在某些國家，直線步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用也比較廣泛。這種大推力、長行程、高精度永磁交流同步直線電機(jī)的推力可達(dá)1500～2000N，可以更大、更小，進(jìn)行系列化；速度為60～200m／min，可以更高，更低，如可達(dá)3000m／min；加速度為2～0g，可大可小，適應(yīng)了高速和超高速切削的要求。目前直線電機(jī)已用于加工中心、激光切割、等離子切割和電火花加工機(jī)床上。 5．直線電機(jī)的發(fā)展方向 直線電機(jī)是一個重要的功能部件，受到了世界各國工業(yè)界的重視，由于用途廣闊，發(fā)展很快，當(dāng)前值得提出來的有以下一些發(fā)展方向： （1）結(jié)構(gòu)設(shè)計從模塊化、規(guī)格化和系列化形成功能部件，除電機(jī)主體外，應(yīng)在防塵、防切屑、冷卻、防磁和安全保護(hù)等方面進(jìn)行研究，形成完整的直線電機(jī)，且易于安裝和調(diào)整。 （2）技術(shù)性能提高動態(tài)性能和剛度，減少端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)等所造成的推力波動，通過磁路設(shè)計達(dá)到推力和推力波動的要求。提高速度和加速度以適應(yīng)高速和超高速切削的要求。精度是一個重要的技術(shù)指標(biāo)，要提高定位精度和重復(fù)定位精度，這不僅和電機(jī)結(jié)構(gòu)、磁路設(shè)計有關(guān)，同時和位置檢測裝置、控制系統(tǒng)等有關(guān)。當(dāng)前，位置檢測用光柵和磁尺較多，可考慮利用激光檢測。 （3）控制技術(shù)直線電機(jī)實際上是一個直線運動伺服單元，控制系統(tǒng)是其不可分割的部分?？刂葡到y(tǒng)包括硬件和軟件兩方面，當(dāng)前多采用工控機(jī)和數(shù)字信號處理器（DSP）的方案，形成上、下位機(jī)的分層控制?？刂撇呗砸彩欠浅Ｖ匾模赑ID控制的基礎(chǔ)上發(fā)展了前饋控制、重復(fù)學(xué)習(xí)控制和非線性控制等技術(shù)。 （4）性能測試和質(zhì)量檢測直線電機(jī)還正處于開發(fā)和研究中，對其靜動態(tài)推力、速度、加速度、位移等都應(yīng)有相應(yīng)的測試方法和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計和制造專門的試驗臺。 （5）商品化盡快將科研、攻關(guān)成果轉(zhuǎn)化為商品，物色生產(chǎn)廠家進(jìn)行生產(chǎn)，進(jìn)一步推廣應(yīng)用。