1．得到直線運動的途徑 機械中的各種運動大體上可分為直線運動、旋轉運動和曲線運動，其中直線運動和旋轉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）、空氣壓縮機等，系統(tǒng)結構復雜，運動不夠精確、平穩(wěn)，但運用十分廣泛。 （2）旋轉電機和絲杠由旋轉電機通過絲杠螺母傳動將旋轉運動轉換為直線運動，結構穩(wěn)定可靠、傳動精度高，是當前最常用的直線運動方式。 （3）直線電機由直線電機直接產(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，不需要由旋轉電機經(jīng)絲杠來轉換，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，有廣闊的應用前景。 2．直線電機的原理和結構 （1）直線電機的原理直線電機與旋轉電機的原理相同，將旋轉電機沿其徑向展開就成為直線電機，如圖1所示。其中定子相當于直線電機的初級，轉子相當于直線電機的次級。當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。 這種由旋轉電機轉變而來的直線電機，當次級移動時就會產(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，只有一個初級，稱為單邊型直線電機，這種直線電機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，如圖2a所示。也可以是一個初級兩個次級的結構，如圖2b所示。 （2）直線電機的種類根據(jù)旋轉電機的工作原理不同，直線電機有相應的種類，另外直線電機為了適應不同的應用場合，有不同的結構形式，如圖3所示。 直線直流電機：有框架式和音圈式兩種?？蚣苁讲捎脤Т跑涜F將激磁磁通或永磁磁通閉合，直流線圈或框架移動。音圈電機采用無鐵芯動圈式結構，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運動。 直線感應電機：采用三相交流線圈做初級，次級可做成梯形，用導電平板或導軌，當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。這種電機次級，結構簡單，但需采用復雜的矢量控制方法，初級發(fā)熱嚴重，效率較低。 直線同步電機：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，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，需要冷卻，多采用單邊型平板式，用于數(shù)控機床上。 直線步進電機：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。當初級通以三相交流電時，初次極問產(chǎn)生推力而步進移動，這種電機多采用開環(huán)控制，結構簡單，價格低廉，但精度不高、推力小。它應屬于同步電機的一種。 直線壓電電機：系利用壓電晶體的逆壓電效應，即當晶體在外電場的激勵下，在某些方向上產(chǎn)生形變，其形變與外電場強度成線性正比關系，通常采用壓電陶瓷材料，通過控制外電場強度產(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給，可將多塊壓電晶體粘接在一起以擴大行程，可達幾毫米。 直線磁阻電機：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，利用凸極效應產(chǎn)生直線推力。這種電機結構簡單、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)控機床上所用的直線電機，當然首推交流直線電機，主要有感應式和同步式兩大類。 （3）直線電機的結構現(xiàn)以永磁式直線同步電機為例，畫出其結構簡圖如圖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，由初級、次級、導軌、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計的。初級與次級之間由兩個直線滾動導軌相連，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。電機底板上有固定孔，可用以將電機固定在機床上或其他裝置上，在機床上使用時尚須考慮切屑和切削液防護等問題。 3．直線電機的特點 對于直線運動來說，直線電機可直接產(chǎn)生直線運動，而目前大多采用旋轉電機通過絲杠螺母轉換為直線運動，兩者相比，可歸納出直線電機的特點如下： （1）結構簡單，以一個運動部件實現(xiàn)直線移動，只有導軌處有摩擦力，維護簡單，使用壽命長。而數(shù)控機床上直線進給運動，大多要通過交流伺服電機和滾珠絲杠得到，結構相對復雜，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10g。 （4）運動平穩(wěn)，因為初、次級之間只有支撐導軌，沒有其他機械環(huán)節(jié)。 （5）精度和重復精度高，因為沒有中間傳動環(huán)節(jié)，系統(tǒng)精度取決于導軌、位置檢測裝置和控制系統(tǒng)，可達亞微米級。 （6）有端部效應和齒槽效應，引起推力波動，若控制系統(tǒng)的魯棒性不強，會造成系統(tǒng)失穩(wěn)和性能下降。端部效應是指直線電機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，使電機損耗增加，推力減少，從而引起推力波動。齒槽效應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。兩種效應均應從電機結構和控制系統(tǒng)來解決。 （7）控制系統(tǒng)難度大，當前可采用基于數(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?？芍苯友b在機床上，有位置精度要求，且有切屑、冷卻液防護和安全保護等問題。 （9）目前雖已有商品問世，但技術上不夠成熟，且成本高、價格昂貴。 表1列出了旋轉電機和滾珠絲杠方式與直線電機方式的傳動性能比較。 目前，對于數(shù)控機床和加工中心上所用的直線電機，以同步式和感應式為多，它們的性能各有特點，表2中對比了它們的性能，可以看出，同步式直線電機結構簡單、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)控機床和加工中心上占據(jù)主流。 4．直線電機的應用 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，由于制造不精、效率低而未獲應用，此后停滯了很長一段時間，被旋轉電機所壟斷。一直到20世紀中葉，由于控制系統(tǒng)、材料、制造技術的發(fā)展，將直線電機提到了日程上，受到了世界各國的重視。 直線電機的應用十分廣泛，如列車驅動（磁懸浮列車）、物料運送、機床工作、食品和輕工機械、自動繪圖儀、液壓金屬泵、空氣壓縮機、電磁錘、家用電器以及半導體器件等。 從數(shù)控機床和加工中心來看，所用的直線電機多由國外生產(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)控機床和加工中心用的直線電機專門生產(chǎn)廠家。目前，用于數(shù)控機床和加工中心上的直線電機可分為兩大類： （1）高精度高頻響小行程直線電機大多用音圈式直線直流電機，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行閉環(huán)控制以獲得高精度。這種電機的應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，它由計算機控制x和z向交流伺服電機、直線電機及其位置檢測傳感器以及主軸回轉位置檢測傳感器。x和z向交流伺服電機的控制構成普通車削數(shù)控系統(tǒng)；Z向交流伺服電機、直線電機及其位置檢測傳感器、主軸回轉位置檢測傳感器構成活塞車削數(shù)控系統(tǒng)。 當前，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，刀具裝在直線電機動圈軸上，以獲得高頻往復移動，并與主軸回轉位置相配合，形成橢圓或不規(guī)則非圓形狀?，F(xiàn)在清華大學制造工程研究所與廣州機床廠合作生產(chǎn)的這種機床，主軸轉速為3-2500r／min，直線電機脈沖當量為0．5“m，行程lmm，重復定位精度為3 m。 （2）大推力長行程高精度直線電機大多用永磁交流同步直線電機、感應交流異步直線電機，在某些國家，直線步進電機的應用也比較廣泛。這種大推力、長行程、高精度永磁交流同步直線電機的推力可達1500～2000N，可以更大、更小，進行系列化；速度為60～200m／min，可以更高，更低，如可達3000m／min；加速度為2～0g，可大可小，適應了高速和超高速切削的要求。目前直線電機已用于加工中心、激光切割、等離子切割和電火花加工機床上。 5．直線電機的發(fā)展方向 直線電機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，當前值得提出來的有以下一些發(fā)展方向： （1）結構設計從模塊化、規(guī)格化和系列化形成功能部件，除電機主體外，應在防塵、防切屑、冷卻、防磁和安全保護等方面進行研究，形成完整的直線電機，且易于安裝和調整。 （2）技術性能提高動態(tài)性能和剛度，減少端部效應、齒槽效應等所造成的推力波動，通過磁路設計達到推力和推力波動的要求。提高速度和加速度以適應高速和超高速切削的要求。精度是一個重要的技術指標，要提高定位精度和重復定位精度，這不僅和電機結構、磁路設計有關，同時和位置檢測裝置、控制系統(tǒng)等有關。當前，位置檢測用光柵和磁尺較多，可考慮利用激光檢測。 （3）控制技術直線電機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，當前多采用工控機和數(shù)字信號處理器（DSP）的方案，形成上、下位機的分層控制?？刂撇呗砸彩欠浅Ｖ匾模赑ID控制的基礎上發(fā)展了前饋控制、重復學習控制和非線性控制等技術。 （4）性能測試和質量檢測直線電機還正處于開發(fā)和研究中，對其靜動態(tài)推力、速度、加速度、位移等都應有相應的測試方法和標準，設計和制造專門的試驗臺。 （5）商品化盡快將科研、攻關成果轉化為商品，物色生產(chǎn)廠家進行生產(chǎn)，進一步推廣應用。