1 引言

　　直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)至誕生發(fā)展至今已越來越成熟，它以精度高、無磨損、噪音低、效率高、響應(yīng)快、節(jié)省空間等突出優(yōu)點(diǎn)使其在高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，且應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)還可使機(jī)床布局更加緊湊，結(jié)構(gòu)更多變，易于實(shí)現(xiàn)整機(jī)高剛性，增加機(jī)床的總體性能。隨著高速加工技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的要求越來越高，使直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究力度在逐步加大。因此，加大對(duì)直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究既是技術(shù)向更高更快發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)也更能滿足市場(chǎng)需要，帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益，成為未來機(jī)床發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

　　目前國外一些大型機(jī)床廠商都在加大直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研發(fā)力度，如日本的森精機(jī)、大隈，德國的DMG等。較為突出的DMG公司近年來一直致力于推廣具有代表性的直線驅(qū)動(dòng)應(yīng)用產(chǎn)品，涵蓋車床、車銑復(fù)合及加工中心等多款機(jī)床，并取得了顯著效果，在行業(yè)內(nèi)引起廣泛關(guān)注。隨著直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的日益完善，目前，應(yīng)用直線電機(jī)的高檔機(jī)床，最大快移速度可達(dá)120m／min，加速度29.8m/s2，雖然直線電機(jī)的實(shí)驗(yàn)加速度可達(dá)10x9.8m/s2，但由于所驅(qū)動(dòng)部件的質(zhì)量及慣性問題等影響，使直線電機(jī)的使用加速度大大降低。可以采取固定質(zhì)量較大零部件方式減少總體驅(qū)動(dòng)質(zhì)量及采用密度較低的材料作為移動(dòng)零部件的方法，盡量減少驅(qū)動(dòng)質(zhì)量，以提高加速度。未來加速度的提升還有很大空問。

　　在我國，以清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院電工所等為代表的多家院校及研究所也一直致力于開發(fā)更快更好的直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)，并通過校企結(jié)合等方式應(yīng)用到實(shí)踐中來，為此項(xiàng)技術(shù)在我國的應(yīng)用與發(fā)展做出不懈的努力，并取得了很大進(jìn)步。但我們同樣需要正視自己的不足，與目前國際先進(jìn)水平相比，我國目前機(jī)床業(yè)依舊存在經(jīng)濟(jì)型機(jī)床偏多、產(chǎn)品技術(shù)含量不高的問題，具有較高技術(shù)含量的高檔數(shù)控機(jī)床較少，技術(shù)水平與世界先進(jìn)國家存在一定差距。因此，需要我們加大機(jī)床基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究力度，努力追趕國際先進(jìn)水平，研發(fā)出適合我國國情的高檔直線電機(jī)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)等配套產(chǎn)品，滿足高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品需要，提高自身總體競(jìng)爭力。

3 應(yīng)用難點(diǎn)分析

　　由于目前直線電機(jī)定子多采用永磁材料，本身具有較強(qiáng)磁性，因此在應(yīng)用直線電機(jī)時(shí)將會(huì)存在一些特異性的問題，合理解決這些問題將成為能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵，具體應(yīng)用時(shí)需注意以下幾個(gè)方面：

　　(1)保證動(dòng)子與定子間的裝配尺寸。直線電機(jī)動(dòng)子與定子的間隙是重要參數(shù)，它的微小變化可以引起電機(jī)性能的很大改變，間隙過大將直接影響直線電機(jī)的出力情況，間隙過小可能會(huì)由于磁性吸附雜物對(duì)電機(jī)造成損壞。因此，在安裝時(shí)必須嚴(yán)格控制，保證電機(jī)正常使用。目前，此間隙一般在1mm左右。機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，可使用有限元分析軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，設(shè)計(jì)保證使用間隙，但在裝配環(huán)節(jié)中如何保證此間隙將成為一個(gè)重要問題。

　　(2)減少磁吸力。目前，直線電機(jī)的定子多為稀土永磁體，而稀土永磁體對(duì)鐵磁性材料的吸力為自身質(zhì)量的幾百倍，且對(duì)鐵磁性材料具有極強(qiáng)的磁化能力。實(shí)驗(yàn)表明，直線電機(jī)永磁定子的法向磁吸力是電機(jī)可提供持續(xù)推力的10倍左右，且定子的磁吸力與電機(jī)動(dòng)子是否通電無關(guān)。磁吸力存在于定子與動(dòng)子之間及定子與安裝件之間。布置單電機(jī)通常采用平行于部件導(dǎo)軌的方式，此時(shí)磁吸力使直線導(dǎo)軌承受力大大增加，致使產(chǎn)生較大的變形，影響了數(shù)控機(jī)床的加工精度，同時(shí)也增大了導(dǎo)軌與滑塊之間的壓力，進(jìn)而使滑塊移動(dòng)摩擦力增大，可能會(huì)產(chǎn)生推力波動(dòng)，影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。因此，合理減小電機(jī)的磁吸力將是一個(gè)突出問題。

　　(3)防磁及抗干擾。由于直線電機(jī)磁場(chǎng)是敞開的，金屬灰塵、切屑粉末等磁性材料很容易被電機(jī)磁場(chǎng)吸住而妨礙正常工作，甚至損壞電機(jī)，因此應(yīng)對(duì)其進(jìn)行隔磁處理。另外還需要考慮機(jī)床冷卻液、潤滑油、電纜線等的防護(hù)，信號(hào)線屏蔽處理，負(fù)載干擾與系統(tǒng)控制問題。由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，工件質(zhì)量、切削力的變化等干擾直接作用于電機(jī)，同時(shí)，直線電機(jī)的邊端效應(yīng)也增加了系統(tǒng)控制難度，所以需要控制器具有較強(qiáng)抗干擾能力，且穩(wěn)定性好。

　　(4)發(fā)熱問題。直線電機(jī)在工作狀態(tài)下，由于線圈做功的能量損失，將產(chǎn)生很大熱量，如果驅(qū)動(dòng)部分空間較小，將使電機(jī)動(dòng)子溫度急劇增加，而動(dòng)子一般處在機(jī)床導(dǎo)軌附近，過高的熱量將引起機(jī)床導(dǎo)軌溫度變化太大，致使導(dǎo)軌產(chǎn)生熱變形，進(jìn)而影響機(jī)床的工作精度。同時(shí)，動(dòng)子的溫升將引起內(nèi)部線圈繞組電阻值的增大，如系統(tǒng)需要保持出力不變，必將需要更大的電流，而電流的增大同時(shí)伴有更多的能量損耗，使溫度更加升高，從而形成惡性循環(huán)。因此，必須采取有效的冷卻措施，將溫度控制在合理范圍內(nèi)，保證電機(jī)正常使用。

4 面向裝配的解決方法

　　針對(duì)以上應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，可采用以下解決方法：

　　(1)保證定子與動(dòng)子的間隙。定子與動(dòng)子的間隙較小，且使用中要求表面平行，當(dāng)行程較大時(shí)，在加工中較難保證。因此可在動(dòng)子與移動(dòng)部件間加裝1020ram厚電工純鐵墊片，不僅可以減少動(dòng)子通電產(chǎn)生對(duì)連接部件的磁吸力，同時(shí)方便調(diào)節(jié)，采用配磨方法進(jìn)行調(diào)整，保證定子與動(dòng)子間的平行及間隙。

　　(2)克服定子磁吸力方法。直線電機(jī)理想應(yīng)用方式為采用水平放置的雙邊型布局結(jié)構(gòu)，兩個(gè)電機(jī)定子布置于運(yùn)動(dòng)模塊的兩側(cè)，組成倒v字型結(jié)構(gòu)。工作時(shí)定子與動(dòng)子間的磁吸力水平方向的分力抵消為零，垂直方向的分力可抵消移動(dòng)部件部分重力，減小滑塊承載力及滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦。定子、動(dòng)子的連接部分可采用梯形截面設(shè)計(jì)，保證驅(qū)動(dòng)部分更容易安裝在床身、立柱等部件上。然而，大部分隋況下驅(qū)動(dòng)部分無法做成雙邊驅(qū)動(dòng)型，因此在進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮減小磁吸力問題。裝配定子時(shí)，強(qiáng)磁吸力的干擾給裝配及使用帶來不便，可在定子下面加裝20mm厚電工純鐵墊片，采用磨削方式達(dá)到裝配要求精度。研究表明20mm電工純鐵可將定子的磁吸力減小90％，大大降低了磁吸力的影響，給裝配帶來方便。在裝配直線電機(jī)時(shí)，可采用增加輔助導(dǎo)軌或采用分段安裝方式進(jìn)行裝配，即先安裝部分定子，然后安裝動(dòng)子，將帶有動(dòng)子的部分移動(dòng)到已裝定子上方，再安裝余下定子，可最大程度減少定子與動(dòng)子間磁吸力對(duì)裝配的影響。此外，為保證電機(jī)出力平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)部分布局應(yīng)盡量做成對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

　　(3)隔磁與防護(hù)。為避免直線電機(jī)的強(qiáng)磁效應(yīng)帶來不良的影響，必須采取措施進(jìn)行隔磁處理?？梢栽诙ㄗ颖砻婕臃雷o(hù)套，或采用折疊式密封防護(hù)罩將直線電機(jī)的磁場(chǎng)完全封閉起來；也可在驅(qū)動(dòng)部分內(nèi)部安裝噴氣裝置，從內(nèi)部向外噴出空氣，達(dá)到灰塵、切屑粉末不被吸入的目的。此外，其它部件所需信號(hào)電纜及動(dòng)力電纜等雖然具有屏蔽膜，仍要盡量遠(yuǎn)離直線電機(jī)磁場(chǎng)區(qū)域，避免磁場(chǎng)給控制系統(tǒng)帶來干擾。為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床必須采用全閉環(huán)控制。

　　(4)冷卻方式。常用的冷卻措施為水冷，使用冷卻水泵將水注入直線電機(jī)動(dòng)子內(nèi)，水流經(jīng)過動(dòng)子線圈繞組旁的冷卻水套迂回流出，將動(dòng)子產(chǎn)生的熱量帶走，實(shí)現(xiàn)冷卻循環(huán)。實(shí)際應(yīng)用中，具體冷卻參數(shù)的確定將視電機(jī)參數(shù)及其要求而定。

5 結(jié)語

　　直線電機(jī)在高檔數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用已呈加速增長態(tài)勢(shì)，隨著直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的日益改進(jìn)與完善，未來直線電機(jī)將逐步取代傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)方式，使直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)成為高檔數(shù)控機(jī)床的必備傳動(dòng)形式。因此，必須逐步完善直線電機(jī)使用及維護(hù)等其它配套技術(shù)，滿足多變的市場(chǎng)需要，增加自己的市場(chǎng)競(jìng)爭能力。