傳統(tǒng)的數(shù)控機床伺服系統(tǒng)由伺服電機+軸承+聯(lián)軸器+絲桿+系統(tǒng)的支撐結構等組成，該系統(tǒng)組成成分多，結構復雜。對于這樣的系統(tǒng)，慣性質量大，動態(tài)性能的提高有限。此外，這些中間結構在運動過程中的彈性變形和摩擦損失是難以消除的。隨著使用時間的增加，其弊端會越來越突出，導致定位滯后和非線性誤差，嚴重影響硬件的處理精度。

近年來，永磁直線同步電機(PMLSM)作為一種近乎理想的饋電方式，逐漸取代了傳統(tǒng)的旋轉電機，得到了迅速的發(fā)展。打破了傳統(tǒng)的“旋轉電機+滾珠絲杠”的傳動方式，實現(xiàn)了“零傳動”。通過電磁效應,電能直接轉換成直線運動,沒有任何中間機制,它消除了不利因素如慣性矩、彈性變形、反向間隙、摩擦、振動、噪聲和磨損,極大地提高了快速反應能力和伺服系統(tǒng)的控制精度。

直線電機機床的發(fā)展歷程

1993年，德國ex-cell-o公司推出了由直線電機驅動的加工中心hsc-240，這是世界上第一臺直線電機機床。從此，直線電機逐漸應用于各種機床。

1996年，日本Sadik公司開始開發(fā)電火花加工，最終開發(fā)出專用直線電機及其配套的數(shù)控系統(tǒng)。不久，他們就把這項技術應用于電火花加工。此外，日本的松浦機械有限公司、東京智浦電氣有限公司、森精工制造有限公司和新日本工業(yè)機械有限公司也開發(fā)了不同性能的直線電機機床。

1999年，意大利喬布斯公司開發(fā)了Linx龍口加工中心，開始全面生產Linx系列產品。

2003年，該產品占公司總產出的60%，成為公司主要的利潤來源。直線電機用于法國雷諾汽車公司生產的rene20和rene25系列加工中心的軸向運動。

要探索直線電機機床領域，我們必須提到美國。直線電機機床在美國的最大優(yōu)勢在于其超精密加工，一直處于世界領先地位。美國precitech公司生產的nanoform200和freeform700超精密機床均采用直線電機，加工精度可靠。更重要的是，precitech首先將直線電機作為行業(yè)標準。

直線電機驅動系統(tǒng)及其機床產品參加了2001年歐洲機床展、2002年日本機床展和2004年美國機床展。目前世界上直線伺服電機及其驅動系統(tǒng)的主要供應商有:

西門子，indramat，發(fā)那科，三菱，安川，富士，日立，anorad, aermech, Baldor, Copley, Etel, L.D.、kollmogen等等。

國外直線電機伺服系統(tǒng)

對中國來說，這雖然令人遺憾，但并不令人意外而直線電機在機床上的應用仍處于起步階段。許多大學都研制出了直線電機機床。

例如，清華大學開發(fā)出了可以遠距離移動的永磁直線伺服單元;浙江大學開發(fā)了磨床、沖床、三坐標測量機等;國防科技大學研制了用于活塞非圓切削的直線電機刀具。與此同時，一些研究機構和企業(yè)也開發(fā)出了直線電機驅動的機床。電火花加工機床是由北京機床研究所研制開發(fā)的。

在2001年中國國際機床展覽會上，南京第四發(fā)展有限公司推出了一款高速數(shù)控機床，該機床采用直線電機進行x軸運動。

在2003年中國國際機床展上，北京機電技術學院vs1250加工中心正式亮相。2006年，中國國際金屬加工展覽會，深圳漢氏激光科技有限公司推出激光切割機clx3015a。

我國直線電機機床的研究現(xiàn)狀

在cimt2015第十四屆中國國際機床展覽會的展品中，

瑞士思德利公司斯圖爾特S141

S141是最新一代的數(shù)控萬能內圓磨床，將最新的技術整合于一體:所有軸均配有直線傳動裝置。

問題的關鍵是傳統(tǒng)的傳動鏈，從電動機作為動力源到工作部件，都要經(jīng)過齒輪、蝸輪副、傳動帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)存在較大的轉動慣量、彈性變形、反間隙、運動滯后、摩擦、振動、噪聲和磨損。

雖然通過這些方面的不斷改進提高了傳動性能，但很難從根本上解決問題。出現(xiàn)了“直接傳動”的概念，即取消從電動機到工作部件的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機及其驅動控制技術的發(fā)展，電主軸、直線電機、轉矩電機的出現(xiàn)和技術的日益成熟，主軸的“直接驅動”、直線和旋轉坐標運動的概念成為現(xiàn)實，并日益顯示出其巨大的優(yōu)越性。

直線電機及其驅動控制技術在機床進給傳動中的應用，使機床傳動結構發(fā)生了巨大的變化，機床性能有了新的飛躍。

直線電機進給驅動的主要優(yōu)點:

1. 進給速度范圍寬。從1 (1)m / s到20 m / min以上，加工中心的快進速度達到208 m / min，而傳統(tǒng)機床的快進速度小于60 m / min，一般為20-30 m / min。

2. 良好的速度特性。速度偏差可以小于(1)0.01%。

3.高加速度。直線電機的最大加速度可達30g，加工中心的進給加速度已達3.24g，激光加工機床的進給加速度已達5g，而傳統(tǒng)機床的進給加速度小于1G，一般為0.3g。

4. 高定位精度。采用光柵閉環(huán)控制，定位精度可達0.1-0.01 (1)mm。采用前饋控制的直線電機驅動系統(tǒng)，跟蹤誤差可減少200多倍。由于運動部件具有良好的動態(tài)特性和敏感響應，以及插補控制的精細化，可以實現(xiàn)納米級控制。

5. 無限的旅行。傳統(tǒng)的絲杠傳動受絲杠制造工藝的限制，一般為4-6m，更多的行程需要延長絲杠，無論是從制造工藝還是性能都不理想。采用直線電機驅動，定子可無限延伸，制造工藝簡單?，F(xiàn)有大型高速加工中心的x軸長度超過40米。

6. 結構簡單，運動平穩(wěn)，噪音低，運動部件摩擦磨損小，使用壽命長，安全可靠。

直線電機及其驅動控制技術的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)性能的不斷提高(如推力、速度、加速度、分辨率等);

(2)體積和溫升減小。

(3)品種覆蓋面廣，可滿足不同類型機床的要求;

(4)成本明顯降低;

(5)安裝保護方便;

(6)良好的可靠性;

(7)包括數(shù)控系統(tǒng)在內的配套技術越來越完善;

(8)商業(yè)化程度高。