傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)+軸承+聯(lián)軸器+絲桿+系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)等組成，該系統(tǒng)組成成分多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，慣性質(zhì)量大，動(dòng)態(tài)性能的提高有限。此外，這些中間結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的彈性變形和摩擦損失是難以消除的。隨著使用時(shí)間的增加，其弊端會(huì)越來(lái)越突出，導(dǎo)致定位滯后和非線(xiàn)性誤差，嚴(yán)重影響硬件的處理精度。

近年來(lái)，永磁直線(xiàn)同步電機(jī)(PMLSM)作為一種近乎理想的饋電方式，逐漸取代了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，得到了迅速的發(fā)展。打破了傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了“零傳動(dòng)”。通過(guò)電磁效應(yīng),電能直接轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),沒(méi)有任何中間機(jī)制,它消除了不利因素如慣性矩、彈性變形、反向間隙、摩擦、振動(dòng)、噪聲和磨損,極大地提高了快速反應(yīng)能力和伺服系統(tǒng)的控制精度。

直線(xiàn)電機(jī)機(jī)床的發(fā)展歷程

1993年，德國(guó)ex-cell-o公司推出了由直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心hsc-240，這是世界上第一臺(tái)直線(xiàn)電機(jī)機(jī)床。從此，直線(xiàn)電機(jī)逐漸應(yīng)用于各種機(jī)床。

1996年，日本Sadik公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)電火花加工，最終開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用直線(xiàn)電機(jī)及其配套的數(shù)控系統(tǒng)。不久，他們就把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于電火花加工。此外，日本的松浦機(jī)械有限公司、東京智浦電氣有限公司、森精工制造有限公司和新日本工業(yè)機(jī)械有限公司也開(kāi)發(fā)了不同性能的直線(xiàn)電機(jī)機(jī)床。

1999年，意大利喬布斯公司開(kāi)發(fā)了Linx龍口加工中心，開(kāi)始全面生產(chǎn)Linx系列產(chǎn)品。

2003年，該產(chǎn)品占公司總產(chǎn)出的60%，成為公司主要的利潤(rùn)來(lái)源。直線(xiàn)電機(jī)用于法國(guó)雷諾汽車(chē)公司生產(chǎn)的rene20和rene25系列加工中心的軸向運(yùn)動(dòng)。

要探索直線(xiàn)電機(jī)機(jī)床領(lǐng)域，我們必須提到美國(guó)。直線(xiàn)電機(jī)機(jī)床在美國(guó)的最大優(yōu)勢(shì)在于其超精密加工，一直處于世界領(lǐng)先地位。美國(guó)precitech公司生產(chǎn)的nanoform200和freeform700超精密機(jī)床均采用直線(xiàn)電機(jī)，加工精度可靠。更重要的是，precitech首先將直線(xiàn)電機(jī)作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其機(jī)床產(chǎn)品參加了2001年歐洲機(jī)床展、2002年日本機(jī)床展和2004年美國(guó)機(jī)床展。目前世界上直線(xiàn)伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要供應(yīng)商有:

西門(mén)子，indramat，發(fā)那科，三菱，安川，富士，日立，anorad, aermech, Baldor, Copley, Etel, L.D.、kollmogen等等。

國(guó)外直線(xiàn)電機(jī)伺服系統(tǒng)

對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，這雖然令人遺憾，但并不令人意外而直線(xiàn)電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用仍處于起步階段。許多大學(xué)都研制出了直線(xiàn)電機(jī)機(jī)床。

例如，清華大學(xué)開(kāi)發(fā)出了可以遠(yuǎn)距離移動(dòng)的永磁直線(xiàn)伺服單元;浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)了磨床、沖床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等;國(guó)防科技大學(xué)研制了用于活塞非圓切削的直線(xiàn)電機(jī)刀具。與此同時(shí)，一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也開(kāi)發(fā)出了直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床。電火花加工機(jī)床是由北京機(jī)床研究所研制開(kāi)發(fā)的。

在2001年中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，南京第四發(fā)展有限公司推出了一款高速數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床采用直線(xiàn)電機(jī)進(jìn)行x軸運(yùn)動(dòng)。

在2003年中國(guó)國(guó)際機(jī)床展上，北京機(jī)電技術(shù)學(xué)院vs1250加工中心正式亮相。2006年，中國(guó)國(guó)際金屬加工展覽會(huì)，深圳漢氏激光科技有限公司推出激光切割機(jī)clx3015a。

我國(guó)直線(xiàn)電機(jī)機(jī)床的研究現(xiàn)狀

在cimt2015第十四屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)的展品中，

瑞士思德利公司斯圖爾特S141

S141是最新一代的數(shù)控萬(wàn)能內(nèi)圓磨床，將最新的技術(shù)整合于一體:所有軸均配有直線(xiàn)傳動(dòng)裝置。

問(wèn)題的關(guān)鍵是傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈，從電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源到工作部件，都要經(jīng)過(guò)齒輪、蝸輪副、傳動(dòng)帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)存在較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性變形、反間隙、運(yùn)動(dòng)滯后、摩擦、振動(dòng)、噪聲和磨損。

雖然通過(guò)這些方面的不斷改進(jìn)提高了傳動(dòng)性能，但很難從根本上解決問(wèn)題。出現(xiàn)了“直接傳動(dòng)”的概念，即取消從電動(dòng)機(jī)到工作部件的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線(xiàn)電機(jī)、轉(zhuǎn)矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，主軸的“直接驅(qū)動(dòng)”、直線(xiàn)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的概念成為現(xiàn)實(shí)，并日益顯示出其巨大的優(yōu)越性。

直線(xiàn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)中的應(yīng)用，使機(jī)床傳動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，機(jī)床性能有了新的飛躍。

直線(xiàn)電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn):

1. 進(jìn)給速度范圍寬。從1 (1)m / s到20 m / min以上，加工中心的快進(jìn)速度達(dá)到208 m / min，而傳統(tǒng)機(jī)床的快進(jìn)速度小于60 m / min，一般為20-30 m / min。

2. 良好的速度特性。速度偏差可以小于(1)0.01%。

3.高加速度。直線(xiàn)電機(jī)的最大加速度可達(dá)30g，加工中心的進(jìn)給加速度已達(dá)3.24g，激光加工機(jī)床的進(jìn)給加速度已達(dá)5g，而傳統(tǒng)機(jī)床的進(jìn)給加速度小于1G，一般為0.3g。

4. 高定位精度。采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達(dá)0.1-0.01 (1)mm。采用前饋控制的直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，跟蹤誤差可減少200多倍。由于運(yùn)動(dòng)部件具有良好的動(dòng)態(tài)特性和敏感響應(yīng)，以及插補(bǔ)控制的精細(xì)化，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。

5. 無(wú)限的旅行。傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)受絲杠制造工藝的限制，一般為4-6m，更多的行程需要延長(zhǎng)絲杠，無(wú)論是從制造工藝還是性能都不理想。采用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定子可無(wú)限延伸，制造工藝簡(jiǎn)單?，F(xiàn)有大型高速加工中心的x軸長(zhǎng)度超過(guò)40米。

6. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，噪音低，運(yùn)動(dòng)部件摩擦磨損小，使用壽命長(zhǎng)，安全可靠。

直線(xiàn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)性能的不斷提高(如推力、速度、加速度、分辨率等);

(2)體積和溫升減小。

(3)品種覆蓋面廣，可滿(mǎn)足不同類(lèi)型機(jī)床的要求;

(4)成本明顯降低;

(5)安裝保護(hù)方便;

(6)良好的可靠性;

(7)包括數(shù)控系統(tǒng)在內(nèi)的配套技術(shù)越來(lái)越完善;

(8)商業(yè)化程度高。