傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)組成的數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)一般包含：伺服電機(jī)+軸承+聯(lián)軸器+絲杠+構(gòu)成該系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)等等，這樣的系統(tǒng)組成零件比較多，也比較復(fù)雜。這樣的一套系統(tǒng)，其慣性質(zhì)量大，動(dòng)態(tài)性能的提高當(dāng)然也就受到了很大的限制。更要命的是這些中間結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的彈性變形、摩擦損耗以及難以消除，且隨著使用時(shí)間的增加該弊端會(huì)越來越突出，造成定位的滯后和非線性誤差，從硬件上嚴(yán)重影響了加工精度。

而近幾年的永磁直線同步電機(jī)（PMLSM）這種近乎理想的進(jìn)給傳動(dòng)方式，漸漸取代了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，得到了快速的發(fā)展。它打破了傳統(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)”。通過電磁效應(yīng)，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，不需要任何的中間機(jī)構(gòu)，消除了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性形變、反向間隙、摩擦、振動(dòng)、噪音及磨損等不利因素，極大地提高了伺服系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和控制精度。

機(jī)床利用直線電機(jī)發(fā)展歷程

1993年，德國(guó)Eｘ-CELL-O公司推出一臺(tái)加工中心HSC-240，采用的是直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這是世界上第一臺(tái)直線電機(jī)機(jī)床。此后，直線電機(jī)逐漸的應(yīng)用到各種機(jī)床中。

1996年，日本的沙迪克公司著手開發(fā)電火花成型機(jī)，終于開發(fā)出專門的直線電機(jī)及與其匹配的數(shù)控系統(tǒng)，沒過多久，他們又將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到電火花切割機(jī)上。此外，日本的松浦機(jī)械所、東京芝浦電氣、森精機(jī)制作所和新日本工機(jī)等公司也研發(fā)出性能各異的直線電機(jī)機(jī)床。

1999年，意大利JOBS公司開發(fā)出龍口加工中心LinX，隨后開始全面生產(chǎn)LinX系列產(chǎn)品。

2003年，這款產(chǎn)品占公司總產(chǎn)量的比值為60%，因此成為公司的主要利潤(rùn)來源。法國(guó)RenaultＡutomotion公司生產(chǎn)的rene20和rene25系列的加工中心坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)均利用的是直線電機(jī)。

要探討直線電機(jī)機(jī)床領(lǐng)域一定要提到美國(guó)，美國(guó)的直線電機(jī)機(jī)床最大的優(yōu)勢(shì)在于其超精密加工，這項(xiàng)技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先地位。美國(guó)Precitech公司生產(chǎn)的超精密機(jī)床Ｎanoform200、Freeform700等均使用的直線電機(jī)，而且加工精度值得信賴，更為重要的一點(diǎn)是Precitech公司首先將直線電機(jī)作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

直線電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)及其機(jī)床產(chǎn)品均出現(xiàn)在2001年的歐洲機(jī)床展、2002年的日本機(jī)床展以及2004年的美國(guó)機(jī)床展。目前，世界上直線伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要供應(yīng)商有：

Siemens、Indramat、FANUC、三菱、安川、富士、日立、Ａnorad、ＡerMech、Baldor、Copley、ETEL、Ｌ.Ｄ和Kollmogen等。

國(guó)外直線電機(jī)伺服系統(tǒng)

對(duì)于國(guó)內(nèi)來說，很可憐但也不意外（電機(jī)研發(fā)和制造一直在后面跑），直線電機(jī)應(yīng)用到機(jī)床上還處于初級(jí)階段，剛剛起步。許多高校研發(fā)出直線電機(jī)機(jī)床設(shè)備。

例如，清華大學(xué)研發(fā)出永磁直線伺服單元，可長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)；浙江大學(xué)研發(fā)出磨床、沖床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等；國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)出直線電機(jī)刀具，用于在活塞中做非圓切削。同時(shí)有些科研單位與企業(yè)也研發(fā)了采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床。北京機(jī)床研究所研制出電火花成型機(jī)床。

2001年中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，南京四開公司推出一臺(tái)高速數(shù)控機(jī)床，其Ｘ軸的移動(dòng)利用直線電機(jī)。

2003年中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司推出了VS1250加工中心。2006年中國(guó)國(guó)際金屬加工展會(huì)上，深圳市大族激光科技股份有限公司推出激光切割機(jī)CLX3015A。

國(guó)內(nèi)直線電機(jī)機(jī)床方面研究情況

在CIMT2015第十四屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上的展品中，

STUDER斯圖特S141

S141是最新一代數(shù)控萬能內(nèi)圓磨床，其綜合了最新的技術(shù)于一身：所有軸都配備了直線驅(qū)動(dòng)裝置；工件臺(tái)可自動(dòng)回轉(zhuǎn)，以采用軸向平行磨削方式磨削錐度/錐體；最多可配備兩個(gè)修整工位，杰出的修整方案滿足任何應(yīng)用需求；

此外，除日本沙迪克和三菱電機(jī)公司4臺(tái)展機(jī)全部使用直線電機(jī)以外，臺(tái)灣慶鴻公司兩臺(tái)展機(jī)也使用了直線電機(jī)。日本沙迪克公司使用直線電機(jī)已有15年、3萬臺(tái)的歷史，10年后的機(jī)床坐標(biāo)精度仍然很好，10年的單向走絲機(jī)床殘值也有原值的50%。

隨著直線電機(jī)成本越來越低，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)在近幾年內(nèi)，在大部分單向走絲線切割機(jī)床上廣泛使用。

直線電機(jī)在機(jī)床應(yīng)用上的主要優(yōu)勢(shì)

數(shù)控機(jī)床正在向精密、高速、復(fù)合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展。精密和高速加工對(duì)傳動(dòng)及其控制提出了更高的要求，更高的動(dòng)態(tài)特性和控制精度，更高的進(jìn)給速度和加速度，更低的振動(dòng)噪聲和更小的磨損。

問題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈從作為動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)到工作部件要通過齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，在些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性變形、反向間隙、運(yùn)動(dòng)滯后、摩擦、振動(dòng)、噪聲及磨損。

雖然在這些方面通過不斷的改進(jìn)使傳動(dòng)性能有所提高，但問題很難從根本上解決，于出現(xiàn)了“直接傳動(dòng)”的概念，即取消從電動(dòng)機(jī)到工作部件之間的各種中間環(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、直線電機(jī)、力矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的“直接傳動(dòng)”概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。

直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用，使機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機(jī)床性能有了新的飛躍。

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

1、進(jìn)給速度范圍寬。可從1（1）m/s到20m/min以上，加工中心的快進(jìn)速度已達(dá)208m/min，而傳統(tǒng)機(jī)床快進(jìn)速度<60m/min，一般為20～30m/min。

2、速度特性好。速度偏差可達(dá)（1）0.01%以下。

3、加速度大。直線電機(jī)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)的進(jìn)給加速度已達(dá)5g，而傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)給加速度在1g以下，一般為0.3g。

4、定位精度高。采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達(dá)0.1～0.01（1）mm。應(yīng)用前饋控制的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)靈敏，加上插補(bǔ)控制的精細(xì)化，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。

5、行程不受限制。傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)受絲杠制造工藝限制，一般4～6m，更的行程需要接長(zhǎng)絲杠，無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定子可無限加長(zhǎng)，且制造工藝簡(jiǎn)單，已有大型高速加工中心X軸長(zhǎng)達(dá)40m以上。

6、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小，運(yùn)動(dòng)部件摩擦小、磨損小、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠。

直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)展表現(xiàn)在以下方面：

（1）性能不斷提高（如推力、速度、加速度、分辨率等）；

（2）體積減小，溫升降低；

（3）品種覆蓋面廣，可滿足不同類型機(jī)床的要求；

（4）成本大幅度下降；

（5）安裝和防護(hù)簡(jiǎn)便；

（6）可靠性好；

（7）包括數(shù)控系統(tǒng)在內(nèi)的配套技術(shù)日趨完善；

（8）商品化程度高。