直驱直线运动成熟

罗克韦尔自动化LZ系列直驱无铁直线伺服电机(左上)优化平稳运动，提供68-850牛(15-190磅bf)的连续推力。LC-100系列铁芯直线伺服电机(右下)用于高力应用。

与传统的直线运动系统相比，直接驱动直线(DDL)电机提供卓越的速度、加速度、负载定位精度、快速循环等。然而，DDL运动系统具有较高的初始成本，并且需要与特定机器或整体系统进行更紧密的设计集成。

典型的DDL系统的核心是直线电机。简单地说，直线电机由一个主要的和一个二次元素。它们分别对应于旋转电机的转子和定子，定子被压平。主滑块(或滑块)相对于副滑块线性移动，由气隙隔开。存在几种线性电机设计变体。

成熟，但仍在前进

博世力士乐电气传动与控制事业部认为DDL电机系统是一项成熟的技术，而且还在不断取得进步。该公司列举了一些例子，例如改进的冷却剂夹套设计，将定子和机床床之间的温差降至小于2 K，优化的磁铁形状，以减少力波动和材料成本，以及由预先组装的各种长度的不锈钢盖保护的磁铁轨道，以简化系统安装和操作。

博世力士乐(Bosch Rexroth)自动化与机床部门工业部门经理卡尔•拉普(Karl Rapp)表示:“直接驱动直线电机系统在相当简单的机械结构中结合了高速和高精度的加速度。”“这使得机器制造商能够开发出以前很难或不可能实现的新设计。”

例如，在工业玻璃切割应用中，与传统的伺服电机和机架系统相比，DDL直线运动将生产时间缩短了约20%。来自德国Hegla公司的银河平板玻璃切割机可达到3.5米/秒(11.5英尺/秒)x - y轴速和12米/秒加速度采用博世力士乐IndraDyn L直线电机，同时保持约2玻璃面积的公差。相比之下

今天的智能数字驱动器与DDL电机相结合，可以在驱动器中而不是在控制器中实现非常快速的控制环路关闭。IndraDrive中的功能，如力/转矩脉动补偿、纳米级插值和超高分辨率正弦反馈，据说可以带来优越的动态/静态刚度和运动精度。“此外，自动换向功能可以消除对绝对反馈或霍尔效应传感器盒的需求，尽管它们也被支持，”Rapp说。

安川电气强调快速简单的DDL运动系统设置的重要性。安川电机美国公司(YEA)的产品工程师Paul Zajac解释说，其新型Sigma-5系列伺服放大器的先进功能使这成为可能。这些特性包括少调优功能，据说可以提供“即时性能”，以及高级自动调优功能，以实现更高的性能。

另一个特点是增强振动抑制，减少机器共振和沉降时间。根据Zajac的说法，它还消除了由于机器共振和负载扰动引起的振动。“该功能自动检测和抑制1khz以下的振荡频率。陷波滤波器也可用于控制1千赫及以上的频率，”他说。

Parker Hannifin公司，机电自动化NA，将DDL电机系统中提高的性能和减少的运动误差连接到当今控制器和驱动器的电源。Parker公司的产品经理Jay W. Schultz表示:“控制器提高了性能，因为它们可以先发制人地解决与速度一阶和二阶导数(分别是加速度和加速度)相关的伺服误差，这些误差通常是由摩擦、摩擦和其他可重复的干扰引起的。”“在DDL系统中，由于负载直接与电机耦合，从而与反馈设备耦合，因此误差减少和性能优势尤其引人注目。”

西门子能源与自动化同意，持续的创新标志着后续几代直线电机产品。西门子E&A咨询业务开发人员杰夫·格拉赫(Jeff Gerlach)指出，2008年早些时候推出的第6版直线电机证明了该公司对产品线的承诺。Gerlach说:“新的1FN6，自冷却，无刷同步直线电机系列，具有无磁的二次(轨道)成本效益和更容易组装。”没有磁铁的轨道部分非常适合需要长行程的应用，并且无需水冷却，使安装更加简单，成本更低。

主导电机类型

DDL电机主要分为两大类:无刷PM(永磁)同步和LIM(直线感应电机)。第一种类型占主导地位。博世力士乐的拉普列举了几个原因:

• 更高的力密度和效率;

• 由于现有磁场，响应速度更快;

• 转移到机器结构中的热损失少;而且

• 降低堆叠高度。

西门子的第一个直线电机是LIM型，但技术已经迁移到无刷PM同步电机。Gerlach解释说，优势包括功率/力密度、效率和更少的能源使用。“例如，我们旧的异步LIM的力密度是我们新的1FN6系列的30%，”他说。

罗克韦尔自动化公司也认为无刷同步直线电机比lim更具成本效益。例如，每牛顿推力的成本要低得多。

为了说明这一点，罗克维尔直线电机和执行器产品经理Steve Feketa指出，典型的PM同步电机峰值力为2356 N (526 lbf)，线圈体积仅为1816 cm3(或1.30 N/cm3)，而LIM最大输出2224 N。，则需要25,659 cm3(或0.08 N/cm3)!此外，与lim相比，用户有更广泛的驱动器选择来控制无刷同步电机。

安川继续提供几种PM同步直线电机类型:

• 无芯u型沟道gw型，用于最小的齿槽和力波动;

• 铁芯fw型-带动圈和单边固定磁铁轨道，输出更高的力，提高系统刚度，减速和沉降时间;

• 铁芯tw型-在移动线圈两侧有磁铁，以平衡FW设计中线圈和磁铁之间产生的高磁力。t型还省去了特殊的结构和支承轴承设计;而且

• 圆柱形，无铁cw型-这形成了非接触，免维护直线电机系统的基础。

lim在运输、仓储和一些娱乐应用方面有市场吸引力，但大多数通用自动化供应商只提供无刷PM同步直线电机系统。

重要的反馈装置

罗克韦尔自动化公司看到了DDL技术在反馈设备方面的另一个重大变化。直到最近，玻璃尺度的光学编码器是唯一适合DDL运动系统的反馈设备。此外，编码器的成本和灵敏度限制了DDL运动系统在清洁环境中的高端电子和半导体应用，Feketa解释道。(一个例外是在成功应用光反馈(包括金属秤)的机床上。)

Feketa说:“技术进步，比如低成本的磁技术，现在允许自动化控制供应商应用磁编码器。”磁性编码器带来的两个主要好处证明了DDL运动作为更多应用的解决方案是正确的:它们更坚固，更适合工业使用-比玻璃级编码器对灰尘、污垢和碎片更不敏感-新的反馈技术有助于降低DDL运动系统的成本。

据Feketa介绍，玻璃尺寸的编码器反馈每米长度的成本高达2000美元，而较新的磁性编码器设备的集成成本不到200美元。他说:“虽然光学编码器更精确，但采用磁编码器的新行业发现，通常提供的1和5微米分辨率已经足够了。”(更多关于新应用程序的信息，请参阅Online Extra。)

罗克韦尔指出的另一个重大变化是开发了先进的算法和凸轮程序，有助于减少机器的抖动和抖动。Feketa补充说:“这使客户能够在保持运动系统及其组件的生命周期的同时实现高性能。”

安川DDL系统接口与各种线性编码器，包括光学和磁性类型。“光学线性编码器是最常用的反馈设备，因为与磁编码器相比，它们能够获得更高的分辨率，”Zajac说。YEA的直线电机系统还兼容绝对线性编码器-一种高抗油和水污染的电磁感应型设备(额定IP65) -分辨率为0.1或0.5微米，长度可达6米。“非接触式设计是高速，高加速度直线电机应用的最佳选择。使用绝对编码器消除了寻的需要以及磁极检测，”他补充道。

Parker Hannifin看到磁性线性编码器大量应用于工业市场。舒尔茨说:“它们比光学编码器更便宜，更容易安装，仍然具有良好的分辨率，并且对环境污染物有很高的抵抗力。”

总拥有成本

首先，直接驱动直线运动系统(主要是电机)的成本可能高于替代方案。然而，博世力士乐的拉普表示:“许多原始设备制造商承认，一旦采用直线电机技术，并将其合理设计到机器中，整个机器的成本就会降低。”这是由于更简单的结构，减少了组装和启动时间，以及更好的机器性能的产品质量。

他说:“随着移动部件和需要调整和维护的东西越来越少，成本也在下降。”但他警告说，“事实证明，仅仅在现有的设计上安装直线电机，不如从一开始就设计直驱电机成功。”

更高的性能意味着对原始设备制造商有利，特别是当使用多台机器来满足生产率时。Rapp补充道:“直接节省所需机器总数，再加上间接节省(占地面积更少，机器操作员更少)，从而降低系统总成本。”

西门子的格拉赫还认为，长期成本——操作、维护和机器停机时间——会更少。他引用了DDL运动系统的低部件数量，与“伺服电机/滚珠丝杠系统中所有可能失效的部件”形成鲜明对比。

Gerlach补充道:“使用滚珠丝杠还涉及更多步骤，比如将扭矩和螺距变化映射到控制计算中。对于直接驱动系统，潜在的部件故障仅限于直线电机的主要部分和反馈装置。”

罗克韦尔自动化专注于降低总拥有成本(TCO)和更快的投资回报(ROI)，使DDL运动系统与较低的初始成本替代方案具有竞争力。罗克韦尔直线运动解决方案的营销总监John Good建议，提高生产率的优势，减少维护或设备故障的停机时间，必须与降低TCO明确联系起来，以提高客户的意识。

DDL运动系统卓越的准确性和可重复性可以转化为生产力的提高。古德提到了一个食品行业的例子，严格的法规要求产品的实际重量达到或超过广告重量。为了避免重量过轻，一家制造商选择了DDL运动系统，该系统能够将食品切割到更精确的重量，而不是浪费但常见的做法，即每个容器包装略多于所需的产品。古德说:“公司在大约18个月的时间里就获得了投资回报。

Yaskawa同样认为，DDL电机系统的总拥有成本远低于其他线性执行器技术。该公司也提到了上述提到的好处，这些好处“远远超过”更高的初始成本。

派克汉尼汾将DDL运动系统的成本效益与精度、速度和灵活性的互补优势联系起来。舒尔茨解释说，客户在使用带轮传动时，可以用精度换取速度，现在可以切换到DDL电机，在不牺牲速度的情况下将精度提高一个数量级。此外，还可以在同一个次级电机上运行多个电机线圈——这是带磁轨的系统中最昂贵的部分——因为每个线圈在物理上与力传递分离。Schultz说:“这增加了灵活性，降低了每个轴的成本，并可以在许多应用程序中带来更多的吞吐量和空间节省。”其他削减成本的潜力来自于相对大量的DDL运动供应商和低成本的反馈创新。”

市场地位

罗克韦尔自动化公司的John Good表示:“DDL运动系统的年增长率约为10-12%，而一般运动控制解决方案的年增长率约为6%。”虽然DDL技术的市场规模相对较小，但目前在全球拥有7.25亿美元的诱人市场基础。

市场增长主要是由于更多的行业转向DDL运动系统(见更多在线)。磁编码器反馈和成本较低的磁铁材料等技术的发展，大大降低了该技术的总体成本，有助于这种技术的普及。Good总结道:“此外，机器制造商和制造商开始达到旋转伺服技术的性能限制，并寻找新的解决方案来帮助将机器性能提升到一个新的水平。”

西门子注意到，DDL运动系统的询问量每天都在增加，特别是来自定制机械制造商。Gerlach说:“随着原始设备制造商更新产品线，我们也看到他们对将线轴(和旋转轴)转换为现有机器设计的直驱电机的兴趣越来越大。”他建议，“接下来的合理步骤是用线性电机的主部分和足够的副部分来取代伺服电机、滚珠丝杠和相关部件。更少的组件，更少的组装时间，以及更高效的操作。”

安川的DDL运动销量增长了10倍，特别是半导体和太阳能电池板行业，”Zajac说。“我们预计这种增长趋势将继续下去。”

根据帕克汉尼汾的舒尔茨，DDL直线电机市场的增长是高度不稳定的。他说:“一些市场预计未来几年的复合年增长率将高达15%，而半导体制造等其他市场则在下滑。”帕克一直在稳步提高产能，以满足直线电机的需求。即使在这种不确定的经济，我们仍然看到我们的直线电机销售强劲。”

DDL运动系统的增量进展包括大量工程资源的支出，以简化电机设计，方便客户安装。Parker称其直线电机是最容易集成到应用中的，这主要是由于其“慷慨的气隙”设计。舒尔茨强调了这一点，据报道，他使用日常工具组装了一个DDL电机系统，尽管他“只是一个营销人员”。

直驱直线运动系统可能已经成熟，但还没有失去创新的能力。

系统属性	DDL电机系统	旋转电机
		滚珠螺杆	齿条和齿轮	皮带传动
资料来源:博世力士乐公司控制工程．
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作者信息

弗兰克J.巴托斯，体育，是一名顾问编辑控制工程。与他联络:braunbart@sbcglobal.net．

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