胡啟晏 李虹 宁煜茂
（广东润星科技有限公司 523000）
摘要：现阶段我国数控机床行业的发展取得了很大的进步，该行业的产品使社会生产、生活条件得到了加强和改善；目前数控机床的驱动装置仍主要以丝杠和伺服电机为主，少数企业已经在逐渐探索直线电机在数控机床上的应用，相比丝杠和伺服电机的组合方式，直线电机有其独特优势，能极大提高数控机床的精度以及效率。在此种情况下，我们需要发展好数控机床，最大限度地推动数控机床制造行业，向着更高的发展水平进步，就需要朝着多方向发展，以研究出最优的解决方案。文章就直线电机方向展开讨论，并提出合理化建议。
关键词：数控机床；直线电机；行业；发展
从客观的角度上分析，直线电机是新时代发展的重要产物，在很大程度上改善了传统的工作模式，而现在数控机床将向着速度更快，精度更高的方向发展，固然直线电机应用于机床仍有成本高，防护困难等问题，但是直线电机机床的高效率，高精度是不可忽视的，我相信正如数控机床一样，从以前的稀缺到现在的大规模应用，这个过程不会太过久远。机床制造行业在现阶段的发展中，正处于一个非常重要的阶段，通过对高效率、高精度数控机床的大规模应用，能够更好地改善固有的缺失和不足，创造出更高的价值。
一、数控机床行业发展现状
机床产业是国民经济发展的基础，装备制造业发展的重中之重。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将“高档数控机床与基础制造装备”确定为16个科技重大专项之一。通过国家相关计划的支持，我国在数控机床关键技术研究方面有了较大突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术。
随着经济的快速发展和社会建设水平的不断提升，我国的机床制造行业发展速度不断加快，开始从一些新的理念着手，其目的是更好地改善固有的缺失和不足。从行业自身上分析，机床制造行业对于国家生产、生活条件的改善，具有决定性的作用，要加强新技术的充分利用，加强对行业的动态掌握［1］。
二、直线电机工作原理分析
直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种改变，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。随着数控机床的高速发展，对机床的定位精度及加速度提出了更高的要求。在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求，为此，世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机需求越来越旺盛。直线电机具有结构简单、高加速度、适应性强、易于调节和控制、无横向边缘效应、初级绕组利用率高等众多优点。
直线电机特点：
2.1结构简单。直线电机不需要经过中间转换机构而直接产生直线运动，使结构大大简化，运动惯量减小，动态响应性能和定位精度大大提高；同时也提高了可靠性，节约了成本，使制造和维护更加简便。
2.2适合高速直线运动。因为不存在离心力的约束，普通材料亦可以达到较高的速度。而且如果初、次级间用气垫或磁垫保存间隙，运动时无机械接触，因而运动部分也就无摩擦和噪声。这样，传动零部件没有磨损，可大大减小机械损耗，避免拖缆、钢索、齿轮与皮带轮等所造成的噪声，从而提高整体效率。
2.3易于调节和控制。通过调节电压或频率，或更换次级材料，可以得到不同的速度、电磁推力，适用于往复运行场合。
2.4适应性强。直线电机的初级铁芯可以用环氧树脂封成整体，具有较好的防腐、防潮性能，便于在潮湿、粉尘和有害气体的环境中使用；而且可以设计成多种结构形式，满足不同情况的需要。
2.5寿命方面：直线电机因运动部件和固定部件间有安装间隙，无接触，不会因动子的高速往复运动而磨损，长时间使用对运动定位精度无变化，适合高精度的场合。滚珠丝杠则无法在高速往复运动中保证精度，因高速摩擦，会造成丝杠螺母的磨损，影响运动的精度要求。对高精度的需求场合无法满足。
2.6速度方面：直线电机具有相当大的优势，直线电机速度达到5m/s时，加速度达到10g；而滚珠丝杠速度为2m/s时，加速度为仅为1.5g。从速度上和加速度的对比上，直线电机具有相当大的优势，而且直线电机在成功解决发热问题后速度还会进一步提高，而“旋转伺服电机滚珠丝杠”在速度上却受到限制很难再提高较多。
2.7高加速度。这是直线电机驱动，相比其他丝杠、同步带和齿轮齿条驱动的一个显著优势。
2.8精度方面：直线电机因传动机构简单，定位精度、重复精度，通过位置检测反馈控制都会较“旋转伺服电机滚珠丝杠”高，且容易实现。直线电机定位精度可达0.1μm。而“旋转伺服电机滚珠丝杠”通常只能达到2~5μm。
直线电机供给情况统计数据显示，近年来我国直线电机的供给量呈现逐年上升的发展态势，增速较为平稳。2011年我国直线电机的产量为5.3亿台；到2016年，直线电机的产量已达到8.5亿台左右，2011-2016年的年均复合增长率为10.0%。
图表1：2011-2017年中国直线电机产量统计（单位：亿台，%）
三、直线电机在我国数控机床行业应用分析
直线电机快速响应特性好，高速情况下能实现精密定位，产生推力大，尤其运动速度、加速度高于滚珠丝杠的若干倍，工作行程可以无限长，维护少、寿命长。这些优点使它成为现代机床进给驱动的理想部件。
随着稀土钕铁硼（NdFeB）永磁材料的出现和性价比的提高，永磁同步直线电机发展成为主流，应用最多。现以这类直线电机在高速、高精密机床上的应用为例，分析需要克服的关键问题。
3.1绝热与散热问题，永磁直线电机运行时，由于铜损和铁损，线圈会发热，带来负面影响；如果热量传递到机床、工作台或者导轨，产生热变形会影响加工精度，所以，尤其是平板形大推力直线电机，必须降温，要求磁铁温度最高不超过70℃，线圈温度不超过130 ℃。
3.2隔磁与防护问题，机床切削液、铁屑、灰尘等会污染腐蚀电机，甚至堵塞气隙，所以必须封闭电机。永磁铁对铁磁性物质有强吸引力，为安全起见应该隔磁，可采用不锈钢罩封闭。
3.3线性导轨要求承受较大载荷，适应高速运动并保证精度，选择导轨要考虑行程大小、机械特性、精密性与速度承受能力等。一般用滚动（滚珠或滚柱）直线导轨，安装时要保证相互平行度。
在现阶段的工作中，机床制造行业的发展速度非常快，直线电机的很多指标也取得了较大的突破。因此，将直线电机应用到机床制造行业，是具有很高可靠性、可行性。直线电机作为当代驱动系统的代表部分，做出良好的应用后，在行业的经济层面定能产生较大的推动作用。
四、直线电机在我国数控机床行业应用的发展趋势
直线电机是一种具有广阔应用前景的新颖电机［2］。在国内市场上，直线电机虽然还处于发展的初期阶段，产品工艺和技术方面还需进一步完善和成熟，但是乘着数控机床不断升级的浪潮，未来的发展前景良好。随着直线电机制造工艺的不断革新，生产的规模化，以及永磁材料、电子产品价格的下降，直线电机的成本正以每年20%的速度下降，在机床上的应用前景广阔。但这一应用毕竟是新事物，无论是直线电机本身还是相配套的数控技术，潜力很大。我国是制造大国，发展直线电机及高档数控机床任重道远。
五、总结
本文对直线电机在我国数控机床行业的应用与发展展开讨论，现阶段的工作开展中，相比以往有了很大的转变。今后，应继续在机床制造行业方面，进一步强化对直线电机的研发与应用，坚持从长远的角度出发，不断地加强直线电机的应用水平，要坚持推动机床制造行业快速的进步，最大限度地改善固有的隐患和不足，要让国家的机床制造行业具有更高的地位。
参考文献：
［1］许香.数控技术在我国机械制造行业应用.煤炭技术，2016.7
［2］叶云岳，直线电机原理与应用.机械工业出版社，2014.6
论文作者:胡啟晏,李虹,宁煜茂
论文发表刊物:《河南电力》2018年5期
论文发表时间:2018/9/7
标签：直线论文; 电机论文; 数控机床论文; 机床论文; 行业论文; 精度论文; 永磁论文; 《河南电力》2018年5期论文;