引言
數控機床正在向高精密、高速、高復合、高智能和環保的方向發展。高精密和高速加工對傳動及其控制提出了更高的要求：更高的動態特性和控制精度，更高的進給速度和加速度，更低的振動噪聲和更小的磨損。在傳統的傳動鏈中，作為動力源的電動機要通過齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯軸器、離合器等中間傳動環節才能將動力送達工作部件。在這些環節中產生了較大的轉動慣量、彈性變形、反向間隙、運動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過不斷的改進使傳動性能有所提高，但問題很難從根本上解決，于是出現了“直接傳動”的概念，即取消從電動機到工作部件之間的各種中間環節。隨著電機及其驅動控制技術的發展，電主軸、直線電機、力矩電機的出現和技術的日益成熟，使主軸、直線和旋轉坐標運動的“直接傳動”概念變為現實，并日益顯示出巨大的優越性。直線電機及其驅動控制技術在機床進給驅動上的應用，使機床的傳動結構出現了重大變化，并使機床性能有了新的飛躍。
1 直線電機
1．1 直線電機工作原理
所謂線性馬達又稱為直線電機，是一種將傳統的旋轉電機沿軸線方向切開后，將旋轉電機的初級展開作為直線電機(線性馬達)的定子，次級通電后在電磁力的作用下沿著初級做直線運動，稱為直線電機(線性馬達)的轉子，直線電機作為一種傳動裝置，能夠將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構。
1．2 直線電機的特點
根據直線電機概念、原理，認識直線電機應把握以下特點：
(1)進給速度范圍寬。可覆蓋從1 mm／s～20 m／min以上的速度范圍，目前加工中心的快進速度已達208 m／min，而傳統機床快進速度小于60 m／min，一般為20～30 m／min。
(2)速度特性好。速度偏差可達0．01％以下，加速度大，直線電機最大加速度可達30 g，目前加工中心的進給加速度已達3．24 g，激光加工機給加速度已達5 g，而傳統機床進給加速度在1 g以下，一般為0．3 g。
(3)定位精度高。采用光柵閉環控制，定位精度可達0．1～0．01 mm。應用前饋控制的直線電機驅動系統可減少跟蹤誤差200倍以上。由于運動部件的動態特性好，響應靈敏，加上插補控制的精細化，可實現納米級控制。
(4)行程不受限制。傳統的絲杠傳動受絲杠制造工藝限制，一般為4～6 m，更長的行程需要接長絲杠，無論從制造工藝還是在性能上都不理想。而采用直線電機驅動，定子可無限加長，且制造工藝簡單，已有大型高速加工中心x軸長達40 m以上。另外，直線電機還具有結構簡單、運動平穩、噪聲小、運動部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠等優點。
2 直線電機的驅動控制技術
一個直線電機應用系統不僅是性能良好的直線電機，還必須是能在安全可靠的條件下實現技術與經濟要求的控制系統。隨著自動控制技術與微計算機技術的發展，直線電機的控制方法越來越多。對直線電機控制技術的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統控制技術，二是現代控制技術，三是智能控制技術。
傳統的控制技術如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統中得到了廣泛的應用。其中PID控制蘊涵動態控制過程中的過去、現在和未來的信息，而且配置幾乎為最優，具有較強的魯棒性，是交流伺服電機驅動系統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。
在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環境是確定不變的條件下，采用傳統控制技術是簡單有效的。但是在高精度微進給的高性能場合，就必須考慮對象結構與參數的變化。各種非線性的影響，運行環境的改變及環境干擾等時變和不確定因數，才能得到滿意的控制效果。因此，現代控制技術在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制及智能控制。
近年來模糊邏輯控制、神經網絡控制等智能控制方法也被引入直線電動機驅動系統的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經網絡與PID、H∞控制等現有的成熟的控制方法相結合，取長補短，以獲得更好的控制性能。
3 直線電機的驅動控制技術應用
3．1 活塞車削數控系統
在機床進給系統中，采用直線電動機直接驅動與原旋轉電機傳動的最大區別是取消了從電機到工作臺(拖板)之間的機械傳動環節，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為“零傳動”。正是由于這種“零傳動”方式，帶來了原旋轉電機驅動方式無法達到的性能指標和優點。其一，高速響應。由于系統中直接取消了一些響應時間常數較大的機械傳動件(如絲杠等)，使整個閉環控制系統動態響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。其二，精度高。直線驅動系統取消了由于絲杠等機械機構產生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。采用直線電機的直線運動機構由于具有響應快、精度高的特點，已成功地應用于異型截面工件的CNC車削和磨削加工中。針對產量最大的非圓截面零件，國防科學技術大學非圓切削研究中心開發了基于直線電機的高頻響大行程數控進給單元。當用于數控活塞機床時，工作臺尺寸為600 mm×320 mm，行程為100 mm，最大推力為160 N，最大加速度可達13 g。由于直線電機動子和工作臺已固定在一起，所以只能采用閉環控制。
這是一個雙閉環系統，內環是速度環，外環是位置環。采用高精度光柵尺作為位置檢測元件。定位精度取決于光柵的分辨率，系統的機械誤差可以由反饋消除，獲得較高的精度。
3．2 采用直線電機的開放式數控系統
采用PC機與開放式可編程運動控制器構成數控系統，以通用微機及Windows操作系統為平臺，用PC機上的標準插件形式的運動控制器為控制核心，實現了數控系統的開放?；谥本€電機的開放式數控系統的總體設計方案。
系統采用在PC機的擴展槽中插入PCI-8132型運動控制卡的方案，由PC機、運動控制卡、伺服驅動器、直線電機、數控工作臺等部分組成。其中，數控工作臺由直線電機驅動，伺服控制和機床邏輯控制均由運動控制器完成，運動控制器可編程，以運動子程序的方式解釋執行數控程序(G代碼等，支持用戶擴展)。PCI-8132是具有PCI接口的2軸運動控制卡。它能產生高頻脈沖驅動步進電機和伺服電機，控制2個軸的電機運動，實現直線和圓弧插補。在數控加工中，提供位置反饋。當今的工業控制技術中PCI總線漸漸地取代了ISA總線，成為主流總線形式，它有很多優點，如即插即用(Plug and Play)、中斷共享等，為用戶提供了極大的方便，是目前PC機上最先進、最通用的一種總線。
4 采用直線電機數控系統軟件
系統軟件在Windows平臺上開發。采用模塊化程序設計，由用戶輸入輸出界面、預處理模塊等組成。用戶輸入輸出界面實現用戶的輸入、系統的輸出。用戶輸入的主要功能是讓用戶輸入數控代碼，發出控制命令，進行系統的參數配置，生成數控機床零件加工程序(G代碼指令)。預處理模塊讀取G代碼指令后，通過編譯生成能夠讓PCI-8132運動控制卡運行的程序，從而驅動直線電機，完成直線或圓弧插補。讀取G代碼的過程是首先進行參數的設定，然后讀取G代碼。
系統選用PARKER406LXR系列直線電機。對于兩坐標數控工作臺，x向選用406T07型直線電機，行程為550 mm，y向選用406T05型直線電機，行程為450mm。
5 結論
采用直線電機的數控機床控制技術已在不同種類的機床上得到應用。直線電機及其驅動控制系統在技術上已日趨成熟，具有傳統傳動裝置無法比擬的優越性能。過去人們所擔心的直線電機推力小、體積大、溫升高、可靠性差、不安全、難安裝、難防護等問題，隨著電機制造技術的改進，有關問題相應解決。而驅動與控制技術的發展又為其性能拓展和安全性提供了保證。選擇合適的直線電機及驅動控制系統，配以合理的機床設計，完全可以設計制造出高性能、高可靠性的數控機床。