直线电机在高速龙门加工中心上的应用

直线电机在数控机床上的应用综述所在学院：机械工程学院学科专业：机械工程学生：解瑞建学号：********指导教师：***天津科技大学机械工程学院二零一二年十二月二十七日摘要简述了直线电机工作原理及其驱动技术，并且举例说明了直线电机直接驱动与传统数控机床“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的传动方式对比具有很大的优势。

利用直线电机结构简单、运动平稳、噪声小、运动部件摩擦小、磨损小、使用寿命长、安全可靠性等特性，采用直线电机的开放式数控系统使机床驱动控制技术获得新发展。

介绍几个直线电机应用的实例，指出直线电机进给驱动技术将是高速机床未来的发展方向。

关键词：直线电机数控机床驱动控制高速机床0 引言数控机床正在向高精密、高速、高复合、高智能和环保的方向发展。

高精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求：更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。

在传统的传动链中，作为动力源的电动机要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节才能将动力送达工作部件。

在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。

虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于是出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。

随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示出巨大的优越性。

直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机性能有了新的飞跃。

图0 SUPT Motion公司生产的一种直线电机1直线电机1.0直线电机的发展史直线电机的发展史1840年Wheatsone开始提出和制作了略具雏形的直线电机。

从那时至今，在160多年的历史中，直线电机经历了三个时期。

1840～1955年为探索实验时期：从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。

・２・《机床与液压》２００４．Ｎｏ．６的生产量。

当今世界最优秀的超高速机床，可能要数日本Ｍａｚａｋ公司开发的ＨＭＣ乃一６６０Ｌ了（见图１）。

主轴可在１．６ｓ秒内从０加速到２００００ｒ／ｍｉｎ；由ＧＥＦＡＮＵｃ直线电机驱动三轴，快移速度高达２０８ｍ／ｍｉｎ，加速度３．２９，各轴在１２０ｍ／ｍｉｎ速度下进行高速加工，换刀时间只有２．４ｓ“。

我国广东工业大学开发了感应宜线电机驱动的高速加工中心ＧＤ一３型，额定进给力２０００Ｎ，最高速度达１００Ｉｎ／ｍｉｎ，定位精度达４“ｍ”１ｏ２００３年４月，在北京举行的ｃＩＭＴ２００３中国国图ｌＭｚａｋ的ＨＭｃ际机床展览会上，德国Ｆ３—６６０ＬＧＲＯＢ公司展出ＢＺ５００Ｌ高速卧式加工中心，主轴转速１８０００ｒ／ｍｉｎ，直线电机驱动ｘ、Ｙ、ｚ三轴，行程均为６３０ｍｍ，快移速度１２０ｎ∥ｍｉｎ，加速度分别为１９、１．２９、３．４９，换刀时间只有２．５ｓ；直线电机由ｓｉｅｍｅｎｓ制造。

参展的还有德国ＤＭＧ公司的ＤＭｃ６４Ｖ立式加工中心，ＥＭＡＧ公司的ＶＧ１１０Ｄｓ立式车磨中心，都使用了直线电机驱动技术。

北京机电研究院展出了一台立式高速加工中心，直线电机驱动ｘ、Ｙ轴，快移速度６０Ｉｎ／ＩＩｌｉｎ。

类似这些高速加工中心，代表着先进制造技术的未来发展方向。

２直线电机驱动超精密机床及其它机床尖端技术、微电子工业等离不开精密和超精密加工（ｕｈｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｕｔｔｉｎｇ）技术，如制造微型机器人，陀螺仪，大型太空望远镜的镜面，大规模集成电路、芯片等。

现在的超精密加工精度已经达到百分之几微米。

可采用液体静压轴承或空气静压轴承主轴，空气静压导轨，国际上空气导轨的直线度可达０．１一Ｏ．２仙ｎ∥（２５０ｍｍ）。

直线电机用于超精密加工机床，可以获得很好的效果。

如美国Ｐｒｅｃｉｔｅｃｈ公司的Ｎａｎｏｆｏｌｍ２００，是两轴的超精密数控仿形机床，机床用的直线电机是Ｍ啊Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ公司制造，主要加工大型太空望远镜的镜面，使用金刚石刀具，压电晶体误差补偿技术，加工精度达到０．０２５斗ｍ，获得镜面效果；速度范围大，在ｌｕ皿／ｓ低速下无爬行。

直线电机在高速数控机床中的应用摘要: 高速切削加工是伴随着生产发展和科技进步而出现的一项先进制造技术，快速进给系统是其重要组成部分。

本文介绍了直线电机在高速进给机构中的巨大优势及其应用历史与现状，讨论了直线电机进给机构的伺服控制技术以及其常见问题。

关键词：直线电机;控制算法;高速进给Abstract：High-speed machining, which appears with the development of industry and the improvement of technology, is an advanced manufacturing technology andhigh-speed feed system is one of the most important components of it. The article presents the past and present applications and the great advantages of linear motor, discusses the servo control technology and the common problems of the linear motor feeding device.Keywords: Linear motor; Control algorithm; High speed1引言随着国防、航天、汽车、微电子等高技术行业不断发展，对制造加工业提出了更高的要求，超高速加工和超精密加工成为未来机床业发展的两个主题。

传统的机床进给驱动系统是“旋转电机+滚珠丝杠”机构。

这种驱动系统涉及的中间部件多，运动惯量大，而且滚珠丝杠本身具有物理局限性，因此产生的线性速度、加速度及定位精度均有限，不能满足超高速、高精密加工的需要；于是直线电机受到人们关注，它直接产生直线运动，结构简洁，运动惯量小，系统刚度高，快速响应特性好，高速情况下能实现精密定位，产生推力大，尤其运动速度、加速度高于滚珠丝杠的若干倍，工作行程可以无限长，维护少、寿命长。

线性马达在机床上的应用与展望导语：随着电子技术突飞猛进的发展，高速度多功能的或专用的微处理器及信号处理器的大量涌现（如DSP），直线电机在机床领域的应用迎来了它的高潮。

介绍直线电机在高速和超高速加工、超精密加工和异形截面加工等方向的应用。

1前言随着电子技术突飞猛进的发展，高速度多功能的或专用的微处理器及信号处理器的大量涌现（如DSP），直线电机在机床领域的应用迎来了它的高潮。

从1996年的美国芝加哥机床展览会IMTS`96，日本第18届国际机床展览会，到1999年巴黎国际EMO博览会等一系列国际有影响的展览会上，美国的Ingerellmilling公司，德国的西门子（IFNI），日本三精公司，美国的Kollmorgen公司等国际知名企业向人们展示了直流电机应用于各类机床的强大的魅力，这预示着直线电机开辟的新时代已经到来。

2在机床领域的应用2.1在高速与超高速精密加工中的应用为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展起来的高速和超高速加工，现在已成为机床发展的一个重大趋势。

一个反应灵敏、高速轻便的驱动系统，速度要提高到40-50m/min以上，加减速也要求提高到25-50m/s2，传统的“旋转电机+滚轴丝杠”的传动形式显然是不行的，这是由它自身的弱点决定的，因为中间传动环节的存在首先使刚度降低，弹性变形可使系统的阶次变高，从而系统的鲁棒性降低，伺服性能下降。

弹性变形更是数控机床产生机机械谐振的根源。

其次中间传动环节的存在，增加了运动体的惯量，使得位移和速度响应变慢。

另外诸如间隙死区、摩擦、误差积累等因素，使得这种传统的方式所能达到的最高进给速度为30m/min，加速度仅3m/s2。

而直流电机直接驱动所具有的优点则恰恰可以弥补传统传动方式的不足，其速度是滚轴丝杆副的30倍；加速度是滚轴丝杆副的10倍，最大可达10g，刚度提高了7倍；另外，直线电机直接驱动工作台，所以无反向工作死区；由于电枢惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应（如100Hz）。

《数控技术》大作业二1．综述直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。

其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，在初次级线圈之间的气隙中产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。

直线电机的工作原理设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应图电动机。

初级做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动．通入交流电后在定子中产生的磁通，根据楞次定律，在动体的金属板上感应出涡流。

设产生涡流的感应电压为E，金属板上有电感L和电阻R，涡流电流和磁通密度将（费来明法则）产生连续的推力F。

2．工作原理直线电动机的初级三相绕组通入三相交流电后，就会在气隙中产生一个沿直线移动的正弦波磁场，其移动方向由三相交流电的相序决定，如图所示。

显然该行波磁场的移动速度与普通电机旋转磁场在定子内圆表面的线速度相等。

行波磁场切割次级上的导体后，在导体中感应出电动势和电流，该电流与气隙磁场作用，在次级中产生电磁力，驱动次级沿着行波磁场移动的方向作直线运行，或者利用反作用力驱动初级朝相反的方向运动。

如果改变直线电动机初级绕组的通电相序，即可改变电动机的运行方向。

因此直线电动机可实现往返直线运动。

3．直线电机的特点直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中问任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性强、维护方便等优点。

旋转电机所具有的品种，直线电机几乎都有相对应的品种，其应用范围正在不断扩大，并在一些它所能独特发挥作用的地方取得了令人满意的效果。

直线感应电动机的特点是：结构简单，维护方便；散热条件好，额定值高；适宜于高速运行；能承担特殊任务，如液态金属的运输、加工等。

其缺点是气隙大，功率因数低，力能指标差，低速运行时需采用低频电源，使控制装置复杂。

直线电机伺服系统在制造装备上的控制应用[摘要]近些年，国产高端装备市场份额逐年上升。

在国产装备同级别替代进口装备的行业中，系统性能稳定性竞争日益激烈，直线电机及其驱动系统无疑是高端制造装备的核心器件，在精密贴装，高精度检测，精密测量装备系统中，直线电机伺服系统以其低功耗、高速、高动态响应等优良的系统性能在各种精密装备上应用广泛。

本文主要围绕制造装备直线电机伺服系统控制应用开展深入的研究和探讨。

关键词：伺服系统、直线电机、制造装备、控制应用伴随制造业持续高速发展，各种高端制造装备控制系统控制面临着更高的挑战。

在系统速度与加速度毫秒必争的领域，直线电机伺服系统中的运动控制系统及其系统硬件的设计，对其系统性能整体提升起到至关作用。

ELMO是一款可以适配任意运动、任意控制的驱动器，搭载雅科贝思直线电机系统和雷尼绍光栅尺作为执行机构和位置反馈系统，即形成了一整套直线电机伺服系统的硬件架构。

ELMO的龙门算法是基于MIMO结构，即多输入多输出结构，处理X1/X2/Y轴的输入，图示如下：1. Y center = Y - Y方向当前位置2. X center = (X1+X2)/2 –龙门双驱X方向中心点位置3. θ = (X1-X2) –龙门双驱X方向两个轴的同步位置偏差1、直线电机与驱动选型应用直线电机相比于旋转伺服电机、无丝杆或者减速机、传动齿轮的能耗损失，在选型阶段，我们通常关注直线电机的峰值推力、持续推力、峰值电流、持续电流、配套驱动器选型，需要知道直线电机的力常数，出力电机数量、电机相数、磁极距、负载重量、速度指标、加速度指标、电机峰值推力和持续推力、电机峰值电流、反电动势常数，持续电流等指标，从而进行计算驱动器的母线电压、峰值功率和持续功率。

2、直线电机伺服系统控制应用2.1 直线电机伺服系统2.1.1直线电机伺服系统构建及配线本项目中采用ELMO驱动器作为龙门结构的驱动系统，龙门控制算法采用主从式控制方式，设计两个同型号驱动器驱动两个同型号直线电机，主从轴直线电机全部配置配光栅尺、模拟量编码器[1]。

收稿日期:2002204227;修改日期:2002207205作者简介:郜业猛(1974-),男,安徽濉溪人,国防科学技术大学硕士生.第25卷第5期合肥工业大学学报(自然科学版)V o l .25N o .52002年10月JOU RNAL O F H EFE I UN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY O ct .2002直线电机在数控机床进给系统中应用现状与趋势郜业猛,　杨正新,　于世江,　张翊诚(国防科学技术大学机电工程与自动化学院,湖南长沙　410073)摘　要:介绍了直线电机在机床进给系统中应用的进展情况和发展前景;把数字控制的直线电机进给系统与滚珠丝杠进给系统的性能进行了对比,指出了数字控制的直线电机进给系统的优点;在分析了直线电机自身特点的基础上,提出了直线电机在设计和应用中应着重解决磁路设计、控制策略和散热问题;并给出了直线电机进给系统在活塞异形外圆加工上应用的实例。

关键词:高速加工;直线电机;边端效应;异形外圆加工;有限元法中图分类号:TM 359.4 文献标识码:A 文章编号:100325060(2002)0520777205Appl ica tion of l i near m otor to nu m er ica lly con trolledmach i ne tool and the prospectGAO Ye 2m eng ,　YAN G Zheng 2x in ,　YU Sh i 2jiang ,　ZHAN G Y i 2cheng(Co llege of E lectrom echanical Engineering and A utom ati on ,U niversity of Science and T echno logy of N ati onal D efence ,Changsha 410073,Ch ina )Abstract :A pp licati on of the linear m o to r to the m ach ine too l is in troduced as w ell as the p ro spect .A con trast betw een the num erically con tro lled linear m o to r system and the ball bearing 2screw po le sys 2tem is m ade ,and the advan tages of the num erically con tro lled linear m o to r system are po in ted ou t .O n the basis of analyzing the characteristics of the linear m o to r ,the leading p rob lem s in the design and ap 2p licati on of the linear m o to r are given as fo llow s :the design of m agnetic w ay ,the m ean s of con tro l and the b lue po in t of coo ling system .F inally ,an exam p le of the app licati on of the linear m o to r to the irregu lar su rface tu rn ing of p iston is given .Key words :h igh 2sp eed m ach in ing ;linear m o to r ;end effect ;irregu lar su rface tu rn ing ;fin ite elem en t m ethod1　高速加工对机床进给系统的要求高速切削理论创立以来,特别是应用于立铣刀加工铝合金获得巨大成功后,高速机床得到了迅猛发展。

直线电机在数控机床的应用本文介绍了直线电机的结构和原理，与机械传动形式对比列举了直线电机在数控机床进给系统应用上的优点，举出了直线电机在应用时出现的问题及应对方案，叙述了直线电机在数控机床上实际的连接和调整策略。

标签：直线电机；数控机床；高速切削；进给系统0 引言1840年，Wheastone制造了直线电机的雏形，经过100多年的发展，直线电机已广泛应用于绘图、影视、电梯、物流运输、轨道交通、机械加工等多个领域[1]。

尤其在机械加工方面，由于大功率高转速电主轴的出现，高速切削策略在铝材及铝合金加工中的应用，要求机床各坐标轴不仅具有非常快的移动速度，还需要具有超高的加减速能力。

直线电机凭借其精度高、无磨损、噪音低、效率高、响应快、节省空间等突出优点使其在高档数控机床领域占有重要一席，而且它必将是高速机床未来发展的趋势。

1 直线电机的原理普通同步交流伺服电机，分为定子和转子两部分，两部分都有按规则缠绕的线圈。

当定子线圈通入三相交变电流时，在电机内部产生交变磁场。

转子线圈受磁场影响自身产生感应电流，由于通电导体在磁场中要受到力的作用，受到的电磁力使电机转子部分绕电机轴旋转。

直线电机好似将普通交流伺服电机沿经过圆筒半径和电机轴的截面剖开，将定子和转子平铺展成两个平直的矩形部分，其结构示意图如图1所示[2]。

直线电机的初级对应普通交流伺服电机的定子，次级对应转子，这样普通交流伺服电机定子和转子的相对旋转运动就转变为直线电机初级与次级的相对直线运动。

直线电机的初级和次级可安装于两个需要做相对运动的机械部件上，一般固定部分选择初级，运动部分选择次级。

但在一些特定场合，出于能耗等经济因素考虑，固定部分也有选择次级的情况，比如直线电机在长距离龙门移动式数控机床上的应用。

数控机床各轴的进给部分通常采用伺服电机+减速箱+丝杠丝母，或伺服电机+减速箱+齿轮齿条的传动形式，而直线电机的运用使进给部分减少了中间环节，提高了传动精度和传动效率。

随着直接驱动技术的发展，电子产品的多元化趋势走向，步进电机设备近年来深受消费者青睐，因此在社会生活领域中被广泛应用。

直线电机与传统的“旋转伺服电机滚珠丝杠”的驱动方式的对比引起业界的关注。

现如今一些技术先进的加工中心厂家开始在其高速机床上应用直线步进电机。

直线步进电机从原理上讲，就是将普通的旋转电机沿其轴线的平面剖开，并展成一平面而成.由原来旋转电机的定子转变而来的一侧(即电能馈人部分)称为初级;由原来的转子转变而来的一侧(则不馈电部分)称为次级。

初级(铁心和绕组)的长度是有限的，称为直线感应电机实际长度，它有—个始端和—个终端。

这两个端部有端部效应，这种现象只有直线步进电机才有。

如果向初级线圈通入交流电，则在初级和次级导体之间产生直线方向移动的交变磁场。

由于这个交变磁场在次级导板中产生感应电流与磁场互相作用，使次级产生感生电流，此电流与初级磁场互相作用产生电磁力，从而推动初级与次级作相对运动。

精度方面：直线步进电机因传动机构简单减少了插补滞后的问题，定位精度、重现精度、绝对精度，通过位置检测反馈控制都会较“旋转伺服电机滚珠丝杠”高，且容易实现。

直线电机定位精度可达0.1μm.“旋转伺服电机滚珠丝杠”最高达到2~5μm，且要求CNC-伺服电机-无隙连轴器-止推轴承-冷却系统-高精度滚动导轨-螺母座-工作台闭环整个系统的传动部分要轻量化，光栅精度要高。

若想达到较高平稳性，“旋转伺服电机滚珠丝杠”要采取双轴驱动，直线电机是高发热部件，需采取强冷措施，要达到相同目的，直线电机则要付出更大的代价。

速度方面：直线电机具有相当大的优势，直线电机速度达到300m/min，加速度达到10g;滚珠丝杠速度为120m/min，加速度为1.5g.从速度上和加速度的对比上，直线电机具有相当大的优势，而且直线电机在成功解决发热问题后速度还会进一步提高，而“旋转伺服电机滚珠丝杠”在速度上却受到限制很难再提高较多。

寿命方面：直线步进电机因运动部件和固定部件间有安装间隙，无接触，不会因动子的高速往复运动而磨损，长间使用对运动定位精度无变化，适合高精度的场合。

直线电机在数控机床行业未来的发展摘要：现阶段我国数控机床行业的发展取得了很大的进步，该行业的产品使社会生产、生活条件得到了加强和改善；目前数控机床的驱动装置仍主要以丝杠和伺服电机为主，少数企业已经在逐渐探索直线电机在数控机床上的应用，相比丝杠和伺服电机的组合方式，直线电机有其独特优势，能极大提高数控机床的精度以及效率。

在此种情况下，我们需要发展好数控机床，最大限度地推动数控机床制造行业，向着更高的发展水平进步，就需要朝着多方向发展，以研究出最优的解决方案。

文章就直线电机方向展开讨论，并提出合理化建议。

关键词：数控机床；直线电机；行业；发展从客观的角度上分析，直线电机是新时代发展的重要产物，在很大程度上改善了传统的工作模式，而现在数控机床将向着速度更快，精度更高的方向发展，固然直线电机应用于机床仍有成本高，防护困难等问题，但是直线电机机床的高效率，高精度是不可忽视的，我相信正如数控机床一样，从以前的稀缺到现在的大规模应用，这个过程不会太过久远。

机床制造行业在现阶段的发展中，正处于一个非常重要的阶段，通过对高效率、高精度数控机床的大规模应用，能够更好地改善固有的缺失和不足，创造出更高的价值。

一、数控机床行业发展现状机床产业是国民经济发展的基础，装备制造业发展的重中之重。

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将“高档数控机床与基础制造装备”确定为16个科技重大专项之一。

通过国家相关计划的支持，我国在数控机床关键技术研究方面有了较大突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术。

随着经济的快速发展和社会建设水平的不断提升，我国的机床制造行业发展速度不断加快，开始从一些新的理念着手，其目的是更好地改善固有的缺失和不足。

从行业自身上分析，机床制造行业对于国家生产、生活条件的改善，具有决定性的作用，要加强新技术的充分利用，加强对行业的动态掌握［1］。

二、直线电机工作原理分析直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种改变，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。

直线电机的工作原理及应用摘要：直线电机是一种应用广泛的直线运动轴，它具有无接触、高精度、高速度、高加速度和长寿命等优点，在自动化生产和交通工具上得到广泛应用。

本文概括介绍了直线电机的构造、工作原理和应用，以及其优势和局限性。

关键词：直线电机、无接触、高精度、高速度、高加速度、长寿命正文：直线电机是一种使用电磁力来产生直线运动的电动机，它与传统的旋转电动机不同，可以实现无接触、高精度、高速度、高加速度和长寿命等优点。

直线电机的工作原理是利用电磁力的作用来使电机运动，当电流通过电线时，就会在电线周围产生一个磁场，当磁场与其他磁场发生相互作用时，就会产生电磁力，从而使电机产生直线运动。

直线电机主要分为两类，一类是利用固定磁铁和线圈之间的作用来产生运动，另外一类是利用电流在直线电机内部形成强大的磁场，从而使电机产生运动。

其中，利用磁铁和线圈之间作用的直线电机类似于传统的电动机，结构相对简单，速度和力矩较小，主要应用于较小的装置上。

利用内部磁场形成直线运动的直线电机，结构相对复杂，但可以实现高速度、高加速度等高性能。

直线电机具有广泛的应用，最常见的是在自动化生产线上，利用其高精度和高速度的特点来实现准确的运动控制。

例如，在半导体制造过程中，直线电机可以用于自动化装配设备来保证产品质量和生产效率。

此外，直线电机还可以应用于交通工具中，例如磁悬浮列车、磁浮飞车等。

尽管直线电机具有很多优点，但也存在其局限性。

例如，直线电机需要特殊的导轨和磁铁来实现运动，造价相对较高；此外，在高负载情况下，直线电机会产生较大的热量，导致设备损坏或性能下降等问题。

综上所述，直线电机是一种先进的电动机，具有很多优点，但在实践应用中还需要针对具体情况进行优化和改进。

未来，随着科技水平的不断提高，直线电机将会在更广泛的领域中得到应用。

在当前的制造业和自动化生产中，直线电机的应用越来越广泛。

它可以对生产效率进行优化，并且减少了劳动力成本，并实现了生产环境的安全和人员安全性，因此具有重要的优点和应用前景。

直线电机在数控机床中的应用直线电机在数控机床中的应用一、引言数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。

精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求，更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。

问题的症结在传统的传动链从作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节，在些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。

虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。

随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示其巨大的优越性。

直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机床性能有了新的飞跃。

二、直线电机进给驱动的主要优点进给速度范围宽。

可从1（1）m/s到20m/min以上，目前加工中心的快进速度已达208m/min，而传统机床快进速度<60m/min，一般为20～30m/min。

速度特性好。

速度偏差可达（1）0.01%以下。

加速度大。

直线电机最大加速度可达30g，目前加工中心的进给加速度已达3.24g，激光加工机的进给加速度已达5g，而传统机床进给加速度在1g以下，一般为0.3g。

定位精度高。

采用光栅闭环控制，定位精度可达0.1～0.01（1）mm。

应用前馈控制的直线电机驱动系统可减少跟踪误差200倍以上。

由于运动部件的动态特性好，响应灵敏，加上插补控制的精细化，可实现纳米级控制。

行程不受限制。

传统的丝杠传动受丝杠制造工艺限制，一般4～6m，更的行程需要接长丝杠，无论从制造工艺还是在性能上都不理想。

而采用直线电机驱动，定子可无限加长，且制造工艺简单，已有大型高速加工中心X轴长达40m以上。

直线电机工作原理及其驱动技术的应用摘要：简述了直线电机工作原理及其驱动技术，并且举例说明了直线电机直接驱动与传统数控机床“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的传动方式对比具有的巨大优势。

介绍了直线电机进给驱动技术在数控机床上的几个应用实例，指出直线电机进给驱动技术将是高速数控机床未来发展的方向。

引言随着航空航天、汽车制造、模具加工、电子制造行业等领域对高效率地进行加工的要求越来越高，需要大量高速数控机床。

机床进给系统是高速机床的主要功能部件。

而直线电机进给系统彻底改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的弹性变形大、响应速度慢、存在反向间隙、易磨损等先天性的缺点，并具有速度高、加速度大、定位精度高、行程长度不受限制等优点，令其在数控机床高速进给系统领域逐渐发展为主导方向。

1 直线电机及其驱动技术现代先进的驱动技术主要分为两大类：一类为电磁式的，另一类则为非电磁式的。

电磁类的现代先进的驱动技术主要由现代电磁类驱动器与现代控制系统组成，它的驱动器包括传统改进型的电磁驱动器与新发展型的电磁驱动器。

它们中有旋转的、直线的、磁浮的、电磁发射的等等。

除了在一般通用电机技术基础上改进获得的电机技术外，还有更多的是在通用电机技术基础上进一步发展的新型电机技术，如直线电机技术、无刷直流电机技术、开关磁阻电机技术和各种新型永磁电机技术等。

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中问任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性强、维护方便等优点。

旋转电机所具有的品种，直线电机几乎都有相对应的品种，其应用范围正在不断扩大，并在一些它所能独特发挥作用的地方取得了令人满意的效果。

直线电机结构示意图如下图所示。

直线电机是将传统圆筒型电机的初级展开拉直，变初级的封闭磁场为开放磁场，而旋转电机的定子部分变为直线电机的初级，旋转电机的转子部分变为直线电机的次级。

在电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，在初级和次级间产生气隙磁场，气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，沿展开的直线方向呈正弦分布。

直线电机应用场景1. 引言直线电机是一种将电能转化为机械能的装置，它与传统的旋转电机相比，具有更为广泛的应用场景。

直线电机通过产生直线运动，可以用于各种机械设备和系统中，提供精确的位置控制和高效的运动性能。

本文将深入探讨直线电机的应用场景，包括工业自动化、交通运输、医疗设备、航空航天等领域。

2. 工业自动化2.1 机床直线电机在机床上的应用越来越广泛。

传统的机床通常采用液压或气动系统来实现运动控制，但是这种方式存在能量浪费、噪音大、精度低等问题。

而直线电机具有高速、高精度、低噪音等优点，可以用于驱动铣床、磨床、车床等机床的进给运动和切削运动，提高加工效率和加工质量。

2.2 机器人直线电机在工业机器人中的应用也非常广泛。

传统的工业机器人通常采用旋转电机驱动关节运动，而直线电机可以直接实现直线运动，避免了传统机器人中的传动机构，提高了运动的精度和响应速度。

直线电机可以用于机器人的手臂、腿部等部位的驱动，实现各种复杂的运动轨迹和动作。

2.3 自动化生产线在自动化生产线中，直线电机可以用于物料搬运、装配、检测等环节。

直线电机具有高速、高精度的特点，可以实现快速准确地将物料从一个位置转移到另一个位置，提高生产线的效率和自动化水平。

直线电机还可以用于装配过程中的定位和夹持，确保装配的精度和质量。

3. 交通运输3.1 磁悬浮列车直线电机在磁悬浮列车中起到了至关重要的作用。

磁悬浮列车通过电磁力实现悬浮和推进，而直线电机作为推进系统的核心部件，可以提供高速、平稳的推进力，使列车在轨道上快速行驶。

直线电机还可以实现列车的制动和调速，提高列车的安全性和舒适性。

3.2 电动汽车直线电机在电动汽车中的应用也越来越广泛。

传统的电动汽车通常采用旋转电机驱动车轮转动，而直线电机可以直接驱动车轮进行直线运动，避免了传统电动汽车中的传动装置，提高了传动效率和能量利用率。

直线电机可以用于电动汽车的加速、制动和定速巡航等功能，提高了电动汽车的性能和续航里程。

图1　龙门机器人结构图
　直线电机
直线电机相当于旋转电机结构上在顶部沿径向剖开并将其圆周拉直，不需要任何中间环节，可直接驱动被控制对象产生直线轨迹运动，打破了传统“旋转电机+化环节”的传动形式。

对给定路径可用高速进行高精度跟踪与定位，具有比传统旋转电动机大得多的加速度和减速。

直线电机安装底座采用大理石材质，具有平面度高、温升变形量小优点。

电机选型主要计算推力公式如下：
()**a i f m a m g F u
F F =∗++=+ ()
2
221231234
()*i
f
f i f F F t F t F F t t t t t +∗+∗+−=
+++ 式（1）中F p 为最大推力；m 为负载重量；a 为最大加g 为重力加速度；F a 为额外垂直压力；u 为摩擦系数，
图3　龙门双驱控制架构
表1　滚珠丝杠花键轴耦合控制算法
丝杠螺母电机花键螺帽电机轴运动运行停止Z垂直运动运行运行θ旋转运动停止运行Z和θ
图4　机器人样机
4　结语
直线电机双驱龙门机器人采用直线电机和滚珠丝杠花键轴作为主要传动结构，并进行龙门双驱控制和丝杠花键耦合控制。

实测结果表明，速度、同步精度达到预期，系统运行可靠性高且成本低，在电子、半导体等行业具有重要的实用价值。

参考文献
[1]王伟进.直线电机的发展与应用概述[J].微电机，2004，（1）：
45-46.
[2]陈海森，张德新，王继河.基于H-交叉耦合算法的双驱同步控
制[J].浙江大学学报，2017，（1）：131-137.
图6　同步控制精度监控。