直線電機(jī)------linearmotionactuator

直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種變形，它可以看作是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿其徑向剖開(kāi)，然后拉平演變而成。隨著自動(dòng)控制技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，對(duì)各類自動(dòng)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(jī)再加上一套變換機(jī)構(gòu)組成的直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求，為此，世界許多國(guó)家都在研究、發(fā)展和應(yīng)用直線電機(jī)，使得直線電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。

直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于直線電機(jī)不需要把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，重量和體積大大地下降；

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

三、反應(yīng)速度快、靈敏度高，隨動(dòng)性好。直線電機(jī)容易做到其動(dòng)子用磁懸浮支撐，因而使得動(dòng)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(dòng)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(dòng)性；

四、工作安全可靠、壽命長(zhǎng)。直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸傳遞力，機(jī)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(zhǎng)。

這些特點(diǎn)成就了直線電機(jī)在以下三個(gè)方面的主要應(yīng)用：

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

二、作為長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；

三、應(yīng)用在需要短時(shí)間、短距離內(nèi)提供巨大的直線運(yùn)動(dòng)能的裝置中。

包裝行業(yè)自動(dòng)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(jiàn)的模塊，它需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)直線加旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，從而完成瓶蓋旋緊的操作，并且在整個(gè)旋蓋過(guò)程中需要對(duì)力量進(jìn)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(jī)械旋蓋技術(shù)和半伺服旋蓋技術(shù)。

機(jī)械旋蓋技術(shù)，也就是第一代旋蓋技術(shù)，是通過(guò)機(jī)械凸輪來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)齒輪加磁力環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和旋蓋力的控制。由于整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具有旋轉(zhuǎn)力矩固定、無(wú)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(dá)到80-150mm以及無(wú)瓶蓋垂直位置反饋和裝載效果檢測(cè)等弊端。

這種機(jī)構(gòu)在使用過(guò)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(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械加工的水平，因而對(duì)于旋蓋質(zhì)量比較難以把控。由于機(jī)械設(shè)計(jì)整體相對(duì)固定，當(dāng)客戶需要改變運(yùn)動(dòng)距離和高度時(shí)，需調(diào)整機(jī)械位置或更換機(jī)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(guó)內(nèi)大部分企業(yè)使用的便是這種方式，其設(shè)計(jì)的復(fù)雜度較高，安裝和調(diào)試較為困難，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行需要的維護(hù)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(duì)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(jī)械旋蓋技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)進(jìn)行旋蓋，而直線運(yùn)動(dòng)部分依然通過(guò)機(jī)械凸輪實(shí)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(jī)，從而可以對(duì)旋蓋的力和位置進(jìn)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(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)，因而在改變瓶型進(jìn)行高度調(diào)整的時(shí)候會(huì)比較麻煩?，F(xiàn)在，國(guó)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(duì)旋蓋質(zhì)量要求較高的企業(yè)也已經(jīng)開(kāi)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(jī)來(lái)徹底取代傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的全伺服控制。

直線電機(jī)是將傳統(tǒng)電機(jī)定子的磁場(chǎng)打開(kāi)，并進(jìn)行側(cè)向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)電流的變化對(duì)內(nèi)部的動(dòng)子形成直線的磁場(chǎng)力，從而直接實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的，這樣省去了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)所需要的各種結(jié)構(gòu)。

管式直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由獨(dú)立的定子和動(dòng)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(shí)現(xiàn)高速、高響應(yīng)的多點(diǎn)位置、速度、加速度、以及力量的控制。

由于管式直線電機(jī)在結(jié)構(gòu)上具有軸對(duì)稱的特點(diǎn)，因而可以將其與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)在結(jié)構(gòu)上做成一體，從而實(shí)現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；谥本€伺服和旋轉(zhuǎn)伺服的原理，可以對(duì)直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的位置、速度、和力量都進(jìn)行控制。該直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(jī)和模塊式驅(qū)動(dòng)器組成的旋蓋模組，相比于傳統(tǒng)的模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試和維護(hù)大為簡(jiǎn)化，性能上實(shí)現(xiàn)了旋蓋過(guò)程的全伺服控制，不僅旋蓋的質(zhì)量大大提高，還實(shí)現(xiàn)了在線調(diào)整，特別適用于對(duì)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(gè)管式直線電機(jī)（相當(dāng)于40個(gè)伺服電機(jī)）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(méi)有移動(dòng)線纜。滿足了客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格要求，并可靈活的實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，在灌裝行業(yè)市場(chǎng)取得了巨大的反響。

管式直線電機(jī)在包裝行業(yè)的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

近幾年，國(guó)際上對(duì)數(shù)控機(jī)床采用直線電機(jī)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(jī)床發(fā)展的一個(gè)重大趨勢(shì)，一個(gè)反應(yīng)靈敏、高速、輕便的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，速度要提高到40～50m/min以上。傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的傳動(dòng)形式所能達(dá)到的最高進(jìn)給速度為30m/min，加速度僅為3m/s2。

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，其速度是傳統(tǒng)傳動(dòng)方式的30倍，加速度是傳統(tǒng)傳動(dòng)方式的10倍，最大可達(dá)10g;剛度提高了7倍;直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)無(wú)反向工作死區(qū);由于電機(jī)慣量小，所以由其構(gòu)成的直線伺服系統(tǒng)可以達(dá)到較高的頻率響應(yīng)。

1993年，德國(guó)ZxCell-O公司推出了世界上第一個(gè)由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)HSC-240型高速加工中心，機(jī)床主軸最高速達(dá)到24000r/min，最大進(jìn)給速度為60n/min，加速度達(dá)到1g，當(dāng)進(jìn)給速度為20m/min時(shí)，其輪廓精度可達(dá)0.004mm。美國(guó)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(jìn)給速度為75.20m/min。

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

我國(guó)浙江大學(xué)研制了一種由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖壓機(jī)，浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所設(shè)計(jì)了用圓筒型直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)[2]。2001年南京四開(kāi)公司推出了自行開(kāi)發(fā)的采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的數(shù)控直線電機(jī)車床，2003年第8屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，展出北京電院高技術(shù)股份公司推出的VS1250直線電機(jī)取得的加工中心，該機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min。

直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

一個(gè)直線電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不僅要有性能良好的直線電機(jī)，還必須具有能在安全可靠的條件下實(shí)現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)要求的控制系統(tǒng)。隨著自動(dòng)控制技術(shù)與微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)的控制方法越來(lái)越多。對(duì)直線電機(jī)控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個(gè)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(yùn)涵動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的信息，而且配置幾乎為最優(yōu)，具有較強(qiáng)的魯棒性，是交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運(yùn)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(jiǎn)單有效的。但是在高精度微進(jìn)給的高性能場(chǎng)合，就必須考慮對(duì)象結(jié)構(gòu)與參數(shù)的變化。各種非線性的影響，運(yùn)行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時(shí)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(jī)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(lái)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)補(bǔ)短，以獲得更好的控制性能。

直線電機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用實(shí)例

活塞車削數(shù)控系統(tǒng)

采用直線電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由于具有響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)，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(duì)產(chǎn)量最大的非圓截面零件，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)非圓切削研究中心開(kāi)發(fā)了基于直線電機(jī)的高頻響大行程數(shù)控進(jìn)給單元。

當(dāng)用于數(shù)控活塞機(jī)床時(shí)，工作臺(tái)尺寸為600mm×320mm，行程100mm，最大推力為160N，最大加速度可達(dá)13g。由于直線電機(jī)動(dòng)子和工作臺(tái)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(jiǎn)圖。

直線電機(jī)位置控制器的原理框圖

這是一個(gè)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(cè)元件。定位精度取決于光柵的分辨率，系統(tǒng)的機(jī)械誤差可以由反饋消除，獲得較高的精度。

采用直線電機(jī)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)

采用PC機(jī)與開(kāi)放式可編程運(yùn)功控制器構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)以通用微機(jī)及Windows為平臺(tái)，以PC機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)插件形式的運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放。基于直線電機(jī)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖所示。

基于直線電機(jī)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)采用在PC機(jī)的擴(kuò)展槽中插入運(yùn)動(dòng)控制卡的方案組成，系統(tǒng)由PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、直線電機(jī)、數(shù)控工作臺(tái)等部分組成。數(shù)控工作臺(tái)由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服控制和機(jī)床邏輯控制均由運(yùn)動(dòng)控制器完成，運(yùn)動(dòng)控制器可編程，以運(yùn)動(dòng)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(kuò)展）。運(yùn)動(dòng)控制卡型號(hào)為PCI-8132。

當(dāng)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(diǎn)，如即插即用（PlugandPlay）、中斷共享等。