直線電機的歷史可以追溯到1840年惠斯登制作的并不成功的略現(xiàn)雛形的直線電機，其后的160多年中直線電機經(jīng)歷了探索實驗、開發(fā)應(yīng)用和使用商品化三個時期。 1971年至目前，直線電機終于進(jìn)入獨立應(yīng)用的時期，各類直線電機的應(yīng)用得到了迅速的推廣，制成了許多有實用價值的裝置和產(chǎn)品，例如直線電機驅(qū)動的鋼管輸送機、運煤機、各種電動門、電動窗等。利用直線電機驅(qū)動的磁懸浮列車，速度已超過500km/h，接近了航空飛行的速度。

　　我國的直線電機的研究和應(yīng)用是從20世紀(jì)70年代初開始的。目前主要成果有工廠行車、電磁錘、沖壓機等。我國直線電機研究雖然也取得了一些成績，但與國外相比，其推廣應(yīng)用方面尚存在很大的差距。目前，國內(nèi)不少研究單位已注意到這一點。

　　HIWIN直線電機在數(shù)控機床上應(yīng)用的現(xiàn)狀

　　近幾年，國際上對數(shù)控機床采用直線電機顯得特別熱門，其原因是：

　　為了提高生產(chǎn)效率和改善零件的加工質(zhì)量而發(fā)展的高速和超高速加工現(xiàn)已成為機床發(fā)展的一個重大趨勢，一個反應(yīng)靈敏、高速、輕便的驅(qū)動系統(tǒng)，速度要提高到 120～150m/min以上。傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”的傳動形式所能達(dá)到的高進(jìn)給速度為100m/min，加速度僅為5~10m/s2。直線電機驅(qū)動工作臺，其速度是傳統(tǒng)傳動方式的30倍，加速度是傳統(tǒng)傳動方式的10倍，大可達(dá)10g；剛度提高了7倍；直線電機直接驅(qū)動的工作臺無反向工作死區(qū)；由于電機慣量小，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)。

　　1993年，德國ZxCell-O公司推出了世界上個由直線電機驅(qū)動的工作臺HSC-240型高速加工中心，機床主軸高速達(dá)到24000r/min，大進(jìn)給速度為60n/min，加速度達(dá)到1g，當(dāng)進(jìn)給速度為 20m/min時，其輪廓精度可達(dá)0.004mm。美國的Ingersoll公司緊接著推出了HVM-800型高速加工中心，主軸高轉(zhuǎn)速為 20000r/min，大進(jìn)給速度為75.20m/min。 HIWIN直線電機的大陸直銷熱線是：

　　1996年開始，日本相繼研制成功采用直線電機的臥式加工中心、高速機床、超高速小型加工中心、超精密鏡面加工機床、高速成形機床等。

　　我國浙江大學(xué)研制了一種由直線電機驅(qū)動的沖壓機，浙江大學(xué)生產(chǎn)工程研究所設(shè)計了用圓筒型直線電機驅(qū)動的并聯(lián)機構(gòu)坐標(biāo)測量機。2001年南京四開公司推出了自行開發(fā)的采用直線電機直接驅(qū)動的數(shù)控直線電機車床，2003年第8屆中國國際機床展覽會上，展出北京電院高技術(shù)股份公司推出的VS1250直線電機取得的加工中心，該機床主軸高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min。

　　 HIWIN直線電機的工作原理

　　HIWIN直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機按徑向剖開，并展成平面而成。

　　由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。在實際應(yīng)用時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級?？紤]到制造成本、運行費用，目前一般均采用短初級長次級。 直線電動機的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機相似。以直線感應(yīng)電動機為例：當(dāng)初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；反之，則初級做直線運動。 直線電機的驅(qū)動控制技術(shù) 一個直線電機應(yīng)用系統(tǒng)不僅要有性能良好的直線電機，還必須具有能在安全可靠的條件下實現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟要求的控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術(shù)與微計算機技術(shù)的發(fā)展，直線電機的控制方法越來越多。對直線電機控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統(tǒng)控制技術(shù)，二是現(xiàn)代控制技術(shù)，三是智能控制技術(shù)。 傳統(tǒng)的控制技術(shù)如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中PID控制蘊涵動態(tài)控制過程中的過去、現(xiàn)在和未來的信息，而且配置幾乎為優(yōu)，具有較強的魯棒性，是交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)中基本的控制方式。為了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術(shù)。 在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環(huán)境是確定不變的條件下，采用傳統(tǒng)控制技術(shù)是簡單有效的。但是在高精度微進(jìn)給的高性能場合，就必須考慮對象結(jié)構(gòu)與參數(shù)的變化。各種非線性的影響，運行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時變和不確定因數(shù)，才能得到滿意的控制效果。因此，現(xiàn)代控制技術(shù)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(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制及智能控制。 近年來模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法也被引入直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID、H∞控制等現(xiàn)有的成熟的控制方法相結(jié)合，取長補短，以獲得更好的控制性能。

　　 HIWIN直線電動機和HIWIN高速滾珠絲杠的發(fā)展

　　作為裝備制造業(yè)核心加工設(shè)備的數(shù)控機床正向高速、高效、高精度、智能化、復(fù)合化、環(huán)保化方向發(fā)展。

　　在高速和超高速加工中，要求高的動態(tài)特性和控制精度；瞬間達(dá)到高速和在高速運行中瞬間準(zhǔn)停；振動小、噪聲低、運行平穩(wěn)；可靠性高、壽命長。

　　在各類線性驅(qū)動元部件中，精密高速HIWIN滾珠絲杠（Precicion High-speed Ball Screws——本文簡稱PHS-BS）和AC直線電動機（AC Linear Motor本文簡稱AC-LM）是大型、精密、高速數(shù)控裝備的快速伺服進(jìn)給系統(tǒng)中能滿足上述要求的核心功能部件。

　　 邁入數(shù)控裝備領(lǐng)域的AC直線電動機

　　HIWIN直線電動機是借助于電磁作用原理，HIWIN導(dǎo)軌直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運動的驅(qū)動裝置。世界上臺直線電動機是英國物理學(xué)家惠斯登（Sir Charles Wheatstone）發(fā)明，并于1845年取得專利。初以高速運輸和牽引為主，經(jīng)過不斷改進(jìn)后應(yīng)用范圍逐漸擴大到電腦及辦公設(shè)備、半導(dǎo)體制造裝備、醫(yī)療裝備、工業(yè)自動化、自動繪圖儀等等。根據(jù)不同應(yīng)用場合的差異，直線電動機的種類也很多。近年出現(xiàn)一種由直線電動機與鋁合金滾柱導(dǎo)軌組合的高速線性驅(qū)動部件。Vmax=600m/min，加速度4g，應(yīng)用在快速抓取和放下的場合。圖為中國臺灣HIWIN公司的LMS、LMC小推力伺服直線電動機，Vmax=210m/min。

　　隨著控制技術(shù)、電子技術(shù)、材料技術(shù)的發(fā)展，HIWIN直線電動機經(jīng)歷了由快速輕載到快速大推力，由一般工業(yè)領(lǐng)域向大型、精密、高速數(shù)控裝備領(lǐng)域發(fā)展的過程。美國Ingersoll公司于1982年開發(fā)出用AC-LM驅(qū)動的高速加工中心樣機，在EMO’93展會上Ex-cell-O公司首次展出在各坐標(biāo)軸上配置感應(yīng)式直線電動機（Indramat公司生產(chǎn)）的XHC240型臥式加工中心，各軸快移速度80m/min，加速度1g，定位精度0.004mm。上述公司邁出了AC-LM在數(shù)控機床上應(yīng)用的步。AC-LM作為高速、高精度、高剛度的直接驅(qū)動系統(tǒng)已引起業(yè)界的高度重視，在隨后的EMO’97又掀起了“歐洲的直線電機熱”。

　　中國雖然早在1969年浙江大學(xué)等單位就開始研究工業(yè)用直線電動機，但是AC-LM在數(shù)控機床上的應(yīng)用還是近十多年的事情，清華大學(xué)、廣東工學(xué)院、沈陽工業(yè)大學(xué)、哈工大等單位在研究AC-LM用于高速數(shù)控機床方面做了大量工作。清華大學(xué)承擔(dān)了國家“十五”科技項目，并與江蘇瑞安特公司聯(lián)合推出“數(shù)控機床用直線電機及伺服系統(tǒng)”，在CCMT2004（上海）展會上展出。中國用于數(shù)控機床的AC-LM仍處于成長期，離化生產(chǎn)還有一定的距離。HIWIN直線導(dǎo)軌近年來，中國研發(fā)高速、高檔數(shù)控機床的企業(yè)開始采用AC-LM，但多數(shù)是從國外進(jìn)口。

　　向AC直線電動機挑戰(zhàn)的HIWIN高速滾珠絲杠

　　具有成熟制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的HIWIN滾珠絲杠，從它誕生至今已有100多年歷史，在中國也有46年歷史。其產(chǎn)品功能隨主機的發(fā)展不斷擴展、提高，從初的“敏捷省能傳動”（上世紀(jì)六十年代前）到“精密定位”（上世紀(jì)七十年代后），再從“大導(dǎo)程快速驅(qū)動”（上世紀(jì)八十年代）到“精密高速驅(qū)動”（上世紀(jì)九十年代中期），“速度”與“精度”的發(fā)展可謂與時俱進(jìn)，特別是進(jìn)入21世紀(jì)，PHS-BS得到迅速發(fā)展，成為數(shù)控裝備伺服快速進(jìn)給系統(tǒng)中與AC-LM并列的兩顆耀眼明星。

　　當(dāng)滾珠絲杠與滾珠螺母相對位移時，其加速度≥1g、線速度≥60m/min、或DN值≥220000（DN值的定義是：滾珠絲杠副公稱直徑do(mm)和滾珠絲杠與滾珠螺母相對轉(zhuǎn)速n(r/min)的乘積）、精度達(dá)到P3級以上（國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18587），而各項性能指標(biāo)（力矩變化、剛度、溫升、噪聲等）滿足主機要求者，就可稱之為精密高速滾珠絲杠副(PHS-BS)。

　　由于HIWIN絲杠優(yōu)良的滾動摩擦特性和傳動效率高（η=90~95%）、傳動敏捷靈活等功能，使其具備提速的有利條件。提速有三個途徑：(1)加大導(dǎo)程Pn，這就是我們常說的大導(dǎo)程（或超大導(dǎo)程）滾珠絲杠副。因Pn增大不利于提高導(dǎo)程精度，而且進(jìn)給系統(tǒng)的靜剛度迅速下降，所以只適用于對定位精度要求不高的快速驅(qū)動場合。(2)兼顧精度、速度、動態(tài)特性，適度增加Pn和n（轉(zhuǎn)速）以及螺紋頭數(shù)。因為受臨界轉(zhuǎn)速Nc的制約，追求高轉(zhuǎn)速是不可取的。(3)從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式上進(jìn)行改革創(chuàng)新，例如：變絲杠主驅(qū)動為螺母主驅(qū)動；變單驅(qū)動為雙驅(qū)動；絲杠空心化、螺母小徑化、滾動體輕量化等。