工控行业变革——为什么必然是直线电机带来的？
直线电机------linear motion actuator
直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，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。随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精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，使得直线电机的应用领域越来越广。
直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：
一、结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降;
二、定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度;
三、反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性;
四、工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。
这些特点成就了直线电机在以下三个方面的主要应用：
一、应用于自动控制系统，这类应用场合比较多;
二、作为长期连续运行的驱动电机;
三、应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。
包装行业自动化应用,包装行业的灌装设备上，旋盖模组是一种常见的模块，它需要同时实现直线加旋转的运动，从而完成瓶盖旋紧的操作，并且在整个旋盖过程中需要对力量进行控制，以保证旋盖的质量。目前，在包装行业的灌装设备上，有两种旋盖模组技术被广泛使，即机械旋盖技术和半伺服旋盖技术。机械旋盖技术，也就是第一代旋盖技术，是通过机械凸轮来实现直线运动，通过齿轮加磁力环来实现旋转和旋盖力的控制。由于整个机构的运动,是通过机械来实现的，具有旋转力矩固定、无力矩反馈、速度和行程都难以调整、接触力固定、最大行程仅能达到80-150mm以及无瓶盖垂直位置反馈和装载效果检测等弊端。
这种机构在使用过程中，垂直位置升降的高度、旋转部分旋转的角度等，完全依赖于机械设计和机械加工的水平，因而对于旋盖质量比较难以把控。由于机械设计整体相对固定，当客户需要改变运动距离和高度时，需调整机械位置或更换机械凸轮，可操作性差，因而不适用于小批量产品的生产。
而目前国内大部分企业使用的便是这种方式，其设计的复杂度较高，安装和调试较为困难，长时间运行需要的维护的工作量大。但由于整体的设备成本较低，所以也有不少对产品效率、性能、能耗等要求不高的企业用户。
50%伺服旋盖技术，即第二代旋盖技术，它是在第一代机械旋盖技术的基础上增加了旋转伺服电机进行旋盖，而直线运动部分依然通过机械凸轮实现。此技术在旋转力、力矩、速度的控制或调整方面已有所突破，但在行程、接触力、瓶盖垂直位置和装载效果方面还延续第一代的弊端。
由于旋转部分采用了伺服电机，从而可以对旋盖的力和位置进行更好的控制，从而提高了旋盖的质量。但是由于升降部分还是采用传统的机械凸轮结构，因而在改变瓶型进行高度调整的时候会比较麻烦。现在，国内已经有部分设备企业生产出了此类旋盖模组，而一些对旋盖质量要求较高的企业也已经开始采用这种技术设备。
被称为100%伺服技术的第三代旋盖模组，采用的是直线旋转电机来彻底取代传统的机械结构，实现了直线运动和旋转运动的全伺服控制。
直线电机是将传统电机定子的磁场打开，并进行侧向旋转，通过电流的变化对内部的动子形成直线的磁场力，从而直接实现直线运动的，这样省去了传统的旋转运动转化成直线运动所需要的各种结构。
管式直线电机结构简单，仅由独立的定子和动子两部分组成，外形类似于气缸，但性能却是电缸的数倍，可实现高速、高响应的多点位置、速度、加速度、以及力量的控制。
由于管式直线电机在结构上具有轴对称的特点，因而可以将其与传统的旋转伺服电机在结构上做成一体，从而实现直线旋转运动。基于直线伺服和旋转伺服的原理，可以对直线和旋转运动的位置、速度、和力量都进行控制。该直线旋转电机已成熟的应用于罐装设备的旋盖模组上，引领了第三代伺服旋盖技术的发展。采用科瑞LinMot直线旋转电机和模块式驱动器组成的旋盖模组，相比于传统的模式，结构简单，安装调试和维护大为简化，性能上实现了旋盖过程的全伺服控制，不仅旋盖的质量大大提高，还实现了在线调整，特别适用于对产品质量要求较高，且产品品种更改较为频繁的企业使用。
在克朗斯公司(Krones)的Contiform3罐装设备上便采用了科瑞LinMot旋盖模组。该模组将20个管式直线电机(相当于40个伺服电机)装载在了540mm的圆筒上，不仅提高了旋盖的效率和质量，还大幅降低了能耗，而且没有移动线缆。满足了客户对产品质量的严格要求，并可灵活的实现小批量产品的生产，在灌装行业市场取得了巨大的反响。
管式直线电机在包装行业的应用、数控机床上的应用
近几年，国际上对数控机床采用直线电机显得特别热门，其原因是：
为了提高生产效率和改善零件的加工质量而发展的高速和超高速加工现已成为机床发展的一个重大趋势，一个反应灵敏、高速、轻便的驱动系统，速度要提高到40～50m/min以上。传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的传动形式所能达到的最高进给速度为30m/min，加速度仅为3m/s2。
直线电机驱动工作台，其速度是传统传动方式的30倍，加速度是传统传动方式的10倍，最大可达10g;刚度提高了7倍;直线电机直接驱动的工作台无反向工作死区;由于电机惯量小，所以由其构成的直线伺服系统可以达到较高的频率响应。
1993年，德国ZxCell-O公司推出了世界上第一个由直线电机驱动的工作台HSC-240型高速加工中心，机床主轴最高速达到24000r/min，最大进给速度为60n/min，加速度达到1g，当进给速度为20m/min时，其轮廓精度可达0.004mm。美国的Ingersoll公司紧接着推出了HVM-800型高速加工中心，主轴最高转速为20000r/min，最大进给速度为75.20m/min。
1996年开始，日本相继研制成功采用直线电机的卧式加工中心、高速机床、超高速小型加工中心、超精密镜面加工机床、高速成形机床等[1]。
我国浙江大学研制了一种由直线电机驱动的冲压机，浙江大学生产工程研究所设计了用圆筒型直线电机驱动的并联机构坐标测量机[2]。2001年南京四开公司推出了自行开发的采用直线电机直接驱动的数控直线电机车床，2003年第8届中国国际机床展览会上，展出北京电院高技术股份公司推出的VS1250直线电机取得的加工中心，该机床主轴最高转速达15000r/min。
直线电机的驱动控制技术
一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。
传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制过程中的过去、现在和未来的信息，而且配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机驱动系统中最基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。
在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象结构与参数的变化。各种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数，才能得到满意的控制效果。因此，现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。常用控制方法有：自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。
近年来模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法也被引入直线电动机驱动系统的控制中。目前主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H∞控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控制性能。
直线电机在数控机床中的应用实例。
采用直线电机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点，已成功地应用于异型截面工件的CNC车削和磨削加工中。针对产量最大的非圆截面零件，国防科学技术大学非圆切削研究中心开发了基于直线电机的高频响大行程数控进给单元。
当用于数控活塞机床时，工作台尺寸为600mm×320mm，行程100mm，最大推力为160N，最大加速度可达13g。由于直线电机动子和工作台已固定在一起，所以只能采用闭环控制。这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。采用高精度光栅尺作为位置检测元件。定位精度取决于光栅的分辨率，系统的机械误差可以由反馈消除，获得较高的精度。
采用PC机与开放式可编程运功控制器构成数控系统，这种系统以通用微机及Windows为平台，以PC机上的标准插件形式的运动控制器为控制核心，实现了数控系统的开放。基于直线电机的开放式数控系统的总体设计方案。
该系统采用在PC机的扩展槽中插入运动控制卡的方案组成，系统由PC机、运动控制卡、伺服驱动器、直线电机、数控工作台等部分组成。数控工作台由直线电机驱动，伺服控制和机床逻辑控制均由运动控制器完成，运动控制器可编程，以运动子程序的方式解释执行数控程序(G代码等，支持用户扩展)。运动控制卡型号为PCI-8132。
当今的工业控制技术中PCI总线渐渐地取代了ISA总线，成为主流总线形式，它有很多优点，如即插即用(PlugandPlay)、中断共享等。
