直線電機------linearmotionactuator

直線電機可以認為是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)方面的一種變形，它可以看作是一臺旋轉(zhuǎn)電機沿其徑向剖開，然后拉平演變而成。隨著自動控制技術(shù)和微型計算機的高速發(fā)展，對各類自動控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機再加上一套變換機構(gòu)組成的直線運動驅(qū)動裝置，已經(jīng)遠不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求，為此，世界許多國家都在研究、發(fā)展和應(yīng)用直線電機，使得直線電機的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。

直線電機與旋轉(zhuǎn)電機相比，主要有如下幾個特點：

一、結(jié)構(gòu)簡單，由于直線電機不需要把旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡化，重量和體積大大地下降；

二、定位精度高，在需要直線運動的地方，直線電機可以實現(xiàn)直接傳動，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機控制，則還可以大大地提高整個系統(tǒng)的定位精度；

三、反應(yīng)速度快、靈敏度高，隨動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐，因而使得動子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動性；

四、工作安全可靠、壽命長。直線電機可以實現(xiàn)無接觸傳遞力，機械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠、壽命長。

這些特點成就了直線電機在以下三個方面的主要應(yīng)用：

一、應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)，這類應(yīng)用場合比較多；

二、作為長期連續(xù)運行的驅(qū)動電機；

三、應(yīng)用在需要短時間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運動能的裝置中。

包裝行業(yè)自動化應(yīng)用

包裝行業(yè)的灌裝設(shè)備上，旋蓋模組是一種常見的模塊，它需要同時實現(xiàn)直線加旋轉(zhuǎn)的運動，從而完成瓶蓋旋緊的操作，并且在整個旋蓋過程中需要對力量進行控制，以保證旋蓋的質(zhì)量。目前，在包裝行業(yè)的灌裝設(shè)備上，有兩種旋蓋模組技術(shù)被廣泛使用，即機械旋蓋技術(shù)和半伺服旋蓋技術(shù)。

機械旋蓋技術(shù)，也就是第一代旋蓋技術(shù)，是通過機械凸輪來實現(xiàn)直線運動，通過齒輪加磁力環(huán)來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和旋蓋力的控制。由于整個機構(gòu)的運動都是通過機械來實現(xiàn)的，具有旋轉(zhuǎn)力矩固定、無力矩反饋、速度和行程都難以調(diào)整、接觸力固定、最大行程僅能達到80-150mm以及無瓶蓋垂直位置反饋和裝載效果檢測等弊端。

這種機構(gòu)在使用過程中，垂直位置升降的高度、旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)的角度等，完全依賴于機械設(shè)計和機械加工的水平，因而對于旋蓋質(zhì)量比較難以把控。由于機械設(shè)計整體相對固定，當客戶需要改變運動距離和高度時，需調(diào)整機械位置或更換機械凸輪，可操作性差，因而不適用于小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。

而目前國內(nèi)大部分企業(yè)使用的便是這種方式，其設(shè)計的復(fù)雜度較高，安裝和調(diào)試較為困難，長時間運行需要的維護的工作量大。但由于整體的設(shè)備成本較低，所以也有不少對產(chǎn)品效率、性能、能耗等要求不高的企業(yè)用戶。

50%伺服旋蓋技術(shù)，即第二代旋蓋技術(shù)，它是在第一代機械旋蓋技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了旋轉(zhuǎn)伺服電機進行旋蓋，而直線運動部分依然通過機械凸輪實現(xiàn)。此技術(shù)在旋轉(zhuǎn)力、力矩、速度的控制或調(diào)整方面已有所突破，但在行程、接觸力、瓶蓋垂直位置和裝載效果方面還延續(xù)第一代的弊端。

由于旋轉(zhuǎn)部分采用了伺服電機，從而可以對旋蓋的力和位置進行更好的控制，從而提高了旋蓋的質(zhì)量。但是由于升降部分還是采用傳統(tǒng)的機械凸輪結(jié)構(gòu)，因而在改變瓶型進行高度調(diào)整的時候會比較麻煩?，F(xiàn)在，國內(nèi)已經(jīng)有部分設(shè)備企業(yè)生產(chǎn)出了此類旋蓋模組，而一些對旋蓋質(zhì)量要求較高的企業(yè)也已經(jīng)開始采用這種技術(shù)設(shè)備。

被稱為100%伺服技術(shù)的第三代旋蓋模組，采用的是直線旋轉(zhuǎn)電機來徹底取代傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了直線運動和旋轉(zhuǎn)運動的全伺服控制。

直線電機是將傳統(tǒng)電機定子的磁場打開，并進行側(cè)向旋轉(zhuǎn)，通過電流的變化對內(nèi)部的動子形成直線的磁場力，從而直接實現(xiàn)直線運動的，這樣省去了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動所需要的各種結(jié)構(gòu)。

管式直線電機結(jié)構(gòu)簡單，僅由獨立的定子和動子兩部分組成，外形類似于氣缸，但性能卻是電缸的數(shù)倍，可實現(xiàn)高速、高響應(yīng)的多點位置、速度、加速度、以及力量的控制。

由于管式直線電機在結(jié)構(gòu)上具有軸對稱的特點，因而可以將其與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)伺服電機在結(jié)構(gòu)上做成一體，從而實現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)運動?；谥本€伺服和旋轉(zhuǎn)伺服的原理，可以對直線和旋轉(zhuǎn)運動的位置、速度、和力量都進行控制。該直線旋轉(zhuǎn)電機已成熟的應(yīng)用于罐裝設(shè)備的旋蓋模組上，引領(lǐng)了第三代伺服旋蓋技術(shù)的發(fā)展。

采用科瑞LinMot直線旋轉(zhuǎn)電機和模塊式驅(qū)動器組成的旋蓋模組，相比于傳統(tǒng)的模式，結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試和維護大為簡化，性能上實現(xiàn)了旋蓋過程的全伺服控制，不僅旋蓋的質(zhì)量大大提高，還實現(xiàn)了在線調(diào)整，特別適用于對產(chǎn)品質(zhì)量要求較高，且產(chǎn)品品種更改較為頻繁的企業(yè)使用。

在克朗斯公司（Krones）的Contiform3罐裝設(shè)備上便采用了科瑞LinMot旋蓋模組。該模組將20個管式直線電機（相當于40個伺服電機）裝載在了540mm的圓筒上，不僅提高了旋蓋的效率和質(zhì)量，還大幅降低了能耗，而且沒有移動線纜。滿足了客戶對產(chǎn)品質(zhì)量的嚴格要求，并可靈活的實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，在灌裝行業(yè)市場取得了巨大的反響。

管式直線電機在包裝行業(yè)的應(yīng)用

數(shù)控機床上的應(yīng)用

近幾年，國際上對數(shù)控機床采用直線電機顯得特別熱門，其原因是：

為了提高生產(chǎn)效率和改善零件的加工質(zhì)量而發(fā)展的高速和超高速加工現(xiàn)已成為機床發(fā)展的一個重大趨勢，一個反應(yīng)靈敏、高速、輕便的驅(qū)動系統(tǒng)，速度要提高到40～50m/min以上。傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”的傳動形式所能達到的最高進給速度為30m/min，加速度僅為3m/s2。

直線電機驅(qū)動工作臺，其速度是傳統(tǒng)傳動方式的30倍，加速度是傳統(tǒng)傳動方式的10倍，最大可達10g;剛度提高了7倍;直線電機直接驅(qū)動的工作臺無反向工作死區(qū);由于電機慣量小，所以由其構(gòu)成的直線伺服系統(tǒng)可以達到較高的頻率響應(yīng)。

1993年，德國ZxCell-O公司推出了世界上第一個由直線電機驅(qū)動的工作臺HSC-240型高速加工中心，機床主軸最高速達到24000r/min，最大進給速度為60n/min，加速度達到1g，當進給速度為20m/min時，其輪廓精度可達0.004mm。美國的Ingersoll公司緊接著推出了HVM-800型高速加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速為20000r/min，最大進給速度為75.20m/min。

1996年開始，日本相繼研制成功采用直線電機的臥式加工中心、高速機床、超高速小型加工中心、超精密鏡面加工機床、高速成形機床等[1]。

我國浙江大學研制了一種由直線電機驅(qū)動的沖壓機，浙江大學生產(chǎn)工程研究所設(shè)計了用圓筒型直線電機驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)坐標測量機[2]。2001年南京四開公司推出了自行開發(fā)的采用直線電機直接驅(qū)動的數(shù)控直線電機車床，2003年第8屆中國國際機床展覽會上，展出北京電院高技術(shù)股份公司推出的VS1250直線電機取得的加工中心，該機床主軸最高轉(zhuǎn)速達15000r/min。

直線電機的驅(qū)動控制技術(shù)

一個直線電機應(yīng)用系統(tǒng)不僅要有性能良好的直線電機，還必須具有能在安全可靠的條件下實現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟要求的控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術(shù)與微計算機技術(shù)的發(fā)展，直線電機的控制方法越來越多。對直線電機控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統(tǒng)控制技術(shù)，二是現(xiàn)代控制技術(shù)，三是智能控制技術(shù)。

傳統(tǒng)的控制技術(shù)如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中PID控制蘊涵動態(tài)控制過程中的過去、現(xiàn)在和未來的信息，而且配置幾乎為最優(yōu)，具有較強的魯棒性，是交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術(shù)。

在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環(huán)境是確定不變的條件下，采用傳統(tǒng)控制技術(shù)是簡單有效的。但是在高精度微進給的高性能場合，就必須考慮對象結(jié)構(gòu)與參數(shù)的變化。各種非線性的影響，運行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時變和不確定因數(shù)，才能得到滿意的控制效果。因此，現(xiàn)代控制技術(shù)在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有：自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制及智能控制。

近年來模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法也被引入直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID、H∞控制等現(xiàn)有的成熟的控制方法相結(jié)合，取長補短，以獲得更好的控制性能。

直線電機在數(shù)控機床中的應(yīng)用實例

活塞車削數(shù)控系統(tǒng)

采用直線電機的直線運動機構(gòu)由于具有響應(yīng)快、精度高的特點，已成功地應(yīng)用于異型截面工件的CNC車削和磨削加工中。針對產(chǎn)量最大的非圓截面零件，國防科學技術(shù)大學非圓切削研究中心開發(fā)了基于直線電機的高頻響大行程數(shù)控進給單元。

當用于數(shù)控活塞機床時，工作臺尺寸為600mm×320mm，行程100mm，最大推力為160N，最大加速度可達13g。由于直線電機動子和工作臺已固定在一起，所以只能采用閉環(huán)控制，如圖所示為該單元的控制系統(tǒng)簡圖。

直線電機位置控制器的原理框圖

這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。采用高精度光柵尺作為位置檢測元件。定位精度取決于光柵的分辨率，系統(tǒng)的機械誤差可以由反饋消除，獲得較高的精度。

采用直線電機的開放式數(shù)控系統(tǒng)

采用PC機與開放式可編程運功控制器構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)以通用微機及Windows為平臺，以PC機上的標準插件形式的運動控制器為控制核心，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放。基于直線電機的開放式數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖所示。

基于直線電機的開放式數(shù)控系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)采用在PC機的擴展槽中插入運動控制卡的方案組成，系統(tǒng)由PC機、運動控制卡、伺服驅(qū)動器、直線電機、數(shù)控工作臺等部分組成。數(shù)控工作臺由直線電機驅(qū)動，伺服控制和機床邏輯控制均由運動控制器完成，運動控制器可編程，以運動子程序的方式解釋執(zhí)行數(shù)控程序（G代碼等，支持用戶擴展）。運動控制卡型號為PCI-8132。

當今的工業(yè)控制技術(shù)中PCI總線漸漸地取代了ISA總線，成為主流總線形式，它有很多優(yōu)點，如即插即用（PlugandPlay）、中斷共享等。