摘要：介紹直線電機(jī)在高速和超高速加工、超精密加工和異形截面加工等方向的應(yīng)用。 　　1 前言 　　隨著電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，高速度多功能的或?qū)Ｓ玫奈⑻幚砥骷靶盘柼幚砥鞯拇罅坑楷F(xiàn)（如DSP），直線電機(jī)在機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用迎來了它的高潮。從1996年的美國芝加哥機(jī)床展覽會IMTS`96，日本第18屆國際機(jī)床展覽會，到1999年巴黎國際EMO博覽會等一系列國際有影響的展覽會上，美國的Ingerell milling公司，德國的西門子（IFNI），日本三精公司，美國的Kollmorgen公司等國際知名企業(yè)向人們展示了直流電機(jī)應(yīng)用于各類機(jī)床的強(qiáng)大的魅力，這預(yù)示著直線電機(jī)開辟的新時(shí)代已經(jīng)到來。 　　2 在機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用 　　2.1 在高速與超高速精密加工中的應(yīng)用 　　為了提高生產(chǎn)效率和改善零件的加工質(zhì)量而發(fā)展起來的高速和超高速加工，現(xiàn)在已成為機(jī)床發(fā)展的一個(gè)重大趨勢。一個(gè)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，加減速也要求提高到25-50m/s2，傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾軸絲杠”的傳動形式顯然是不行的，這是由它自身的弱點(diǎn)決定的，因?yàn)橹虚g傳動環(huán)節(jié)的存在首先使剛度降低，彈性變形可使系統(tǒng)的階次變高，從而系統(tǒng)的魯棒性降低，伺服性能下降。彈性變形更是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生機(jī)機(jī)械諧振的根源。其次中間傳動環(huán)節(jié)的存在，增加了運(yùn)動體的慣量，使得位移和速度響應(yīng)變慢。另外諸如間隙死區(qū)、摩擦、誤差積累等因素，使得這種傳統(tǒng)的方式所能達(dá)到的最高進(jìn)給速度為30m/min，加速度僅3m/s2。 　　而直流電機(jī)直接驅(qū)動所具有的優(yōu)點(diǎn)則恰恰可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳動方式的不足，其速度是滾軸絲桿副的30倍；加速度是滾軸絲桿副的10倍，最大可達(dá)10g，剛度提高了7倍；另外，直線電機(jī)直接驅(qū)動工作臺，所以無反向工作死區(qū)；由于電樞慣量小，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)（如100Hz）。 　　 通過上述的比較，在高速和超高速精密加工中，直線電機(jī)的應(yīng)用有著廣泛的前景。目前，滿足機(jī)床大推力進(jìn)給部件要求的主要是交流直線電機(jī)，從勵磁方式分，可分為永磁（同步）式和感應(yīng)（異步）式兩種。永磁式的次級（定子）是永久磁鋼，在機(jī)床上應(yīng)用時(shí)，需在機(jī)床的床身上鋪設(shè)永久磁鋼，在工作臺下部反裝著三相通電繞組，形成直線電機(jī)的初級（動件）。而感應(yīng)式初級與永磁式相同，但其次級是用電柵條來代替磁鋼，相當(dāng)于把感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的“鼠籠”沿其圓周展開。 　　永磁式直線電機(jī)在單位面積推力、功率因數(shù)、可控性等方面均要優(yōu)于感應(yīng)式，但價(jià)格較昂貴，安裝調(diào)試、防塵等方面均不如感應(yīng)式。美國Ingersoll銑床公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心HVM800的X、Y、Z軸均采用永磁式同步直線電機(jī)，最大進(jìn)給速度為76.2m/min，加速度α=1~1.5g。 　　感應(yīng)式直線電機(jī)在性能上已接近于永磁式電機(jī)的水平，再加上其自身的優(yōu)點(diǎn)，所以越來越受到歡迎。在應(yīng)用方面典型例子是德國Ex-cell-o公司開發(fā)的XHC240型高速臥式加工中心，三個(gè)進(jìn)給軸均采用Indramat公司的感應(yīng)式直線電機(jī)直接驅(qū)動進(jìn)給部件，快速移動速度最高為60m/min，最大加速度為1g。 　　在高速與超高速加工領(lǐng)域中，直線電機(jī)除廣泛應(yīng)用于高速銑床、曲軸車床、超精車床、磨床、激光車床等外，現(xiàn)在比較熱門的研究是將它應(yīng)用于高速化的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，即六軸、三軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床，通過多根滑動柱塞的伸縮來控制刀具，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜型面的高速加工。蘇黎世高等工業(yè)大學(xué)開發(fā)出了具有新型結(jié)構(gòu)的六滑塊機(jī)床，它將直線驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用在該機(jī)床的高效銑削中。另外，俄羅斯的Lapik公司和美國的Ingersoll公司等均在這方面開展了研究，并且形成了產(chǎn)品。 　　2.2 在超精密加工中的應(yīng)用 　　超精密加工是制造業(yè)中的前沿科學(xué)，在工作尤其是國防工業(yè)中起著舉足輕重的作用，巡航導(dǎo)彈的慣性制導(dǎo)裝置陀螺儀，雷達(dá)的關(guān)鍵器件波導(dǎo)管，衛(wèi)星儀表上的精密軸承、大型集成電路等無不涉及到超精加工。在超精機(jī)床中，為進(jìn)行機(jī)床加工誤差的在線補(bǔ)償，以提高加工的形狀精度；為進(jìn)行某些特殊的非軸對稱表面的加工，都需要微量進(jìn)給裝置，高精度微量進(jìn)給裝置現(xiàn)已成為超精機(jī)床的重要關(guān)鍵裝置。 　　目前，壓電陶瓷直線電機(jī)在精密微進(jìn)給裝置中有著廣泛的應(yīng)用，其原理就是利用電致伸縮效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)的變形量和電場強(qiáng)度的平方成正比。它能實(shí)現(xiàn)高剛度的無間隙位移；分辨力可達(dá)1.0~2.5nm；且變形系數(shù)大；有很高頻率，其響應(yīng)時(shí)間達(dá)100μs。為增大行程，一般電機(jī)都是由多片晶體串疊在一起粘合使用，尺蠖式壓電陶瓷電機(jī)則是通過三個(gè)單獨(dú)控制的管狀陶瓷壓電器件組成，其中A、B作徑向伸縮，以便夾緊和松開電機(jī)軸，而器件C作軸向伸縮，使電機(jī)軸產(chǎn)生軸向位移，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)直線運(yùn)動。 　　美國LLL國家實(shí)驗(yàn)室的DTM-3大型金剛石車床和LODTM大型光學(xué)金剛石車床、英國Cranfieid公司的OAGM2500大型精密機(jī)床都已采用了電致伸縮式微量進(jìn)給裝置。 　　超聲波電動機(jī)（USM）是國內(nèi)外日益受到重視的一種新型直接驅(qū)動電機(jī)，廣義地說也是一種壓電陶瓷電動機(jī)，它利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將材料的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或者滑塊的宏觀運(yùn)動，壓電陶瓷在適當(dāng)?shù)碾妷鹤饔孟驴梢孕纬蓡我环较虻倪\(yùn)動的行波。轉(zhuǎn)子以適當(dāng)?shù)膲毫ψ饔糜趶椥泽w表面上，則將在質(zhì)點(diǎn)摩擦力的驅(qū)動下產(chǎn)生運(yùn)動。改變行波方向，則轉(zhuǎn)子反向。 　　在超精密加工中，為了要加工出形狀精度高的非球曲面，要求超精機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)有很高的分辨力，達(dá)到每脈沖移動量為0.01μm，國外已有幾家著名大公司擁有該產(chǎn)品，但對我國禁運(yùn)。目前國內(nèi)國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等正開展此方面的研究。超聲波電動機(jī)具有小型輕量、響應(yīng)速度快、無電磁干擾以及低速大轉(zhuǎn)矩等特點(diǎn)，行程在10cm范圍內(nèi)可取代傳統(tǒng)的電磁電機(jī)。帶有反饋閉環(huán)控制的步進(jìn)驅(qū)動超聲電動機(jī)，其步進(jìn)分辨率約0.01μm，有望代替機(jī)械式摩擦驅(qū)動方式。日本東京大學(xué)研制的聲表面波式直線USM，步進(jìn)分辨力高達(dá)5nm。 　　2.3 在異形截面加工領(lǐng)域中的應(yīng)用 　　采用直線電機(jī)的直線運(yùn)動，運(yùn)動機(jī)構(gòu)由于具有響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)，已成功地用于異型截面工件（汽車發(fā)動機(jī)活塞、波瓣形軸承外環(huán)滾道、活塞環(huán)及凸輪等）的計(jì)算機(jī)控制的精密車削和磨削加工。與傳統(tǒng)的采用“靠模”加工異型內(nèi)外圓輪廓的方法相比，具有編程修改靈活、加工精度高的特點(diǎn)，十分適合多品種、小批量產(chǎn)品的加工。 　　3 直線電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用實(shí)例 　　下面以加工發(fā)動機(jī)活塞為例來說明。 　　活塞是發(fā)動機(jī)最關(guān)鍵部件之一，它在往復(fù)工作狀態(tài)下頭部和裙部各處溫升不同，變形嚴(yán)重不均勻。因此在常溫下把活塞截面設(shè)計(jì)成異型（近似橢圓）。