直驱式线性运动日趋成熟

发布时间：2009-07-24 作者：Frank J. Bartos P.E.

　　与传统线性运动系统相比，直驱式线性（DDL）电机具有高速度、高加速度、高负载定位精确性、快速循环等优点。不过，DDL运动系统具有更高的初始成本，并要求与特定设备或系统更紧凑地集成在一起。
　　典型DDL系统的核心是线性电机。简单来说，线性电机由主级和次级组成，对应于回转电机的转子和定子，只是线性电机的定子是平的。主级（或滑块）相对于次级作线性运动，两者之间由空气间隙相隔。线性电机的设计还有很多变种。

　　成熟并发展着
　　博世力士乐公司, Electric Drives公司和Controls Division公司认为DDL电机系统虽然已是成熟技术，然而对其的改进仍然大有可为。公司列举了如下例子：改进的冷却套设计可以让定子和机座之间的温差最小化至2K以内；优化的磁体形状可以减少输出力抖动和材料损耗；由不锈钢外壳保护的磁轨有各种预装长度，方便系统安装和操作。
　　博世力士乐公司自动化与机床工具部的工业经理Karl Rapp说：“直驱式线性电机系统以较为简单的机械结构，达到了高速率、高加速度和高精度。这使得设备开发商可以开发出从前很难完成的新型设计。”
　　例如，在工业玻璃切割应用中，相比于传统的伺服电机和货架系统，DDL线性运动将生产时间减少了大约20%。德国Hegla公司的玻璃板切割机采用了博世力士乐公司的IndraDyn L线性电机，可以达到3.5m/s（11.5ft/s）的x-y轴速度和12 m/s2的加速度，在20 m2的玻璃板区域内可以将容差控制在±0.05 mm (±0.002 in.)左右，与此相比，之前运动系统的精度只有±0.2 mm。
　　今天的智能数字驱动与DDL电机的结合可以实现在驱动端就获得十分快速的闭环控制循环，而无需在控制器端完成。IndraDrive的力/扭矩抖动补偿、纳米级别插补以及超高精度正弦反馈等功能据称可以获得极高的动态/静态刚性和运动精度。Rapp表示：“有了自动通讯功能，就不用绝对反馈或者霍尔效应传感器箱了，虽然它们也能得到很好地支持。”
　　安川电机公司更重视DDL运动系统设置快速和简便的特点，并因此设计出了Sigma-5系列伺服放大器。安川电机美国 (YEA)公司的产品工程师Paul Zajac解释道，它的先进功能包括免调整功能，据称可以“立即奏效”；以及先进的自调整功能，可以达到更高性能。
　　另一个特性是高级振动抑制技术，据Zajac称，它可以降低设备共振时间和调节时间，还可以消除由设备共振和负载扰动引起的振动。他说：“这个功能可以自动检测并将共振频率抑制在1kHz以下，也可以使用一个陷波滤波器来控制1kHz以上的频率。”
　　纽约州机电自动化供应商Parker Hannifin Corp. ，将DDL电机系统的优越性能、较小的运动误差与当今控制器和驱动器的强大功能完美结合。Parker公司的产品经理Jay W. Schultz介绍说：“控制器性能得以提高的原因，是因为其可以解决伺服误差，此误差与速度的一阶导数和二阶导数相关（即加速度和加加速度），而后两者通常由摩擦、静态阻力和其他重复干扰导致。误差降低和性能提高在DDL系统中尤为显著，因为负载直接与电机相连，即直接与反馈设备相连。”
　　不断的创新促进了线性电机产品的更新换代，西门子能源与自动化公司对此表示认同。西门子E&A商业开发顾问Jeff Gerlach指出，线性电机的第6个版本于2008年上半年发布，这印证了公司对线性电机产品线的努力。 “新型的1FN6系列线性电机，具有自冷却和无刷同步的特点，并且采用了非磁性二级导轨，既节省了成本，又便于安装。”他说。无磁性的导轨非常适用于要求较长横档的场合；而其无需水冷的特点，更是实现简便低廉安装的保证。

　　主流电机种类
　　DDL电机主要有两类：无刷PM（永磁）同步和LIM（线性感应电机）。第一种类型是目前的主流。博世力士乐公司的Rapp陈述理由如下：
　　■  更高的力密度和效率；
　　■ 由于具有永驻磁场，所以响应更快；
　　■  传导到设备结构内的热量损耗更少；
　　■  更低的总层厚度。
　　西门子公司的第一台线性电机是LIM型，但是其技术重点已经向无刷PM同步电机转移。Gerlach解释道，无刷PM同步电机的优势包括功率/力密度、效率和更低的功耗。他说：“例如，我们的老式同步LIM电机的力密度是新型1FN6系列的30%”。
　　罗克韦尔自动化公司也认为无刷同步线性电机比LIM电机更具有成本效益。例如，每牛顿推力的功耗更低。
　　为了进一步解释，罗克韦尔公司的线性电机和致动器产品经理Steve Feketa指出，典型的具有2356N（526lbf）峰值推力的PM同步电机的线圈容量只有1816cm3 (或者 1.30 N/cm3)，而LIM电机最多输出2224N，却需要25659 cm3 (或者0.08 N/cm3)的线圈容量！而且，无刷同步电机相比于LIM电机，用户有更多的驱动可供选择。
　　安川电机又提供了几种PM同步线性电机种类：
　　■  无芯U通道GW型——旨在最小化契合和推力波动；
　　■  铁芯FW型——可动铁芯和单边固定电磁导轨，可以输出更大的力，而且具有更好的系统刚性、减速机构和稳定时间；
　　■  铁芯TW型——可动铁芯的两侧均有磁体，用于平衡FW设计中铁芯和磁体之间的磁吸力。TW型还可以省略专用支撑机构，支持轴承设计。
　　■  圆柱型无铁芯CW型——它是非接触式免维护线性电机系统的基础。
　　LIM电机的市场定位于运输、仓库存储和某些娱乐应用，但是大多数通用自动化设备供应商只供应无刷PM同步线性电机系统。

罗克韦尔自动化公司的LZ系列直驱式无铁芯线性伺服电机（左上）具有优化的平滑运动能力，
可以输出68-850 N (15-190 lbf)的持续推进力。LC-100系列有铁芯线性伺服电机适合高推进力应用场合。

　　关键反馈设备
　　罗克韦尔自动化公司在反馈设备的发展过程中见证了DDL技术的另一个重大改变。直到近期，玻璃刻度尺光学编码器还是适用于DDL运动系统的唯一反馈设备。而且，Feketa解释道，编码器费用和敏感度限制了DDL运动系统向洁净环境中高端电子和半导体领域的发展。（一个例外是机床中的光学反馈包括金属刻度尺已经成功应用）
　　Feketa说：“由于低功耗电磁技术之类的进步，如今自动化控制设备供应商可以采用电磁编码器。”电磁编码器带来了两大好处，使DDL运动技术适用于更多应用场合：对于工业应用，它们更加稳定——相比较而言，玻璃刻度尺编码器对灰尘、污垢和碎片敏感度更差——和新反馈技术帮助DDL运动系统降低了成本。
　　据Feketa称，玻璃刻度尺编码器反馈每米费用为2000美元，而新型电磁编码器设备可以将费用降低至200美元以下。他陈述道：“虽然光学编码器更加精确，但是采用电磁编码器的工厂发现，通常1和5微米的精度就足够了。”（其他新型应用可查阅在线信息）
　　罗克韦尔公司指出了另一个巨大的改变就是先进算法和凸轮机构可以减少设备抖动。Feketa补充道：“这使用户在获得更高的性能的同时，还可以维持运动系统及其部件的使用寿命不至于降低。”
　　安川的DDL系统可以与多种现行编码器接口，包括光学和电磁编码器。Zajac说：“光学线性编码器是最常用的反馈设备，因为它们比电磁编码器具有更高的精度。”YEA公司的线性电机系统也兼容绝对线性编码器——一种电磁感应式设备，具有对油和水污染（IP65等级）高度的抵抗能力，精度为0.1微米或0.5微米，行程6m。他补充道：“非接触式设计对于高速、高加速度线性电机应用场合是完美的选择。使用绝对编码器，就可以省去回零点和磁极检测。”
　　Parker Hannifin见证了电磁线性编码器在工业市场应用的普及。Schultz说：“它们比光学编码器更加便宜、便于安装，也具有不错的精度，而且对于环境污染物具有更高等级的耐受能力。”

　　所需的总费用
　　直驱式线性运动系统（主要是电机）的第一笔支出比其他同类技术要高。然而，博世力士乐公司的Rapp说：“很多OEM厂商承认，一旦线性电机技术被合理设计到设备中，设备总费用将会降低。”这归功于结构的简化、零件的减少、搭建时间的缩短，以及可以提高产品质量的更好的设备性能。
　　他说：“运动部件减少，需要排列和维护的零件也减少，所以成本下降了。”但是他也警告道：“为已有设计增加线性电机的探索已经被证明不太成功，更好的做法是从一开始就采用直驱式设计。”
　　更好的性能意味着OEM厂商将会从中受益，特别是当为了满足生产率而采用了多种设备的时候。Rapp补充道：“设备整体需求的减少直接导致成本节省，加上一些间接成本节省（占用更少的空间、更少的设备操作人员）导致系统整体成本的降低。”
　　西门子公司的Gerlach也认为长期成本——操作、维护和设备停机时间——更少了。他引述道：DDL运动系统零件数量更少，相应的“伺服电机/滚珠丝杠系统所有的零件都可能出现故障”。
　　Gerlach补充道：“使用滚珠丝杠还引入了更多的工序，例如在控制计算中要考虑扭矩映射和齿距变化量。采用直驱系统，潜在零件故障仅限于发生在线性电机的主级和反馈设备。”
　　罗克韦尔自动化公司聚焦于总体拥有成本 (TCO)和更快的投资回报率 (ROI)，使DDL运动系统具有低初始成本，是市场的有利竞争者。罗克韦尔线性运动解决方案市场总监John Good建议道，更高的生产率和更低的用于维护或者设备故障的停机时间一定会导致更低的TCO。
　　DDL运动系统优良的精度和重复性会导致生产率的提高。Good提到了一个食品工业的例子，产品重量满足指标或者超过指标有一个严格的标准。为了避免超重，一个生产商采用了DDL运动系统，此系统能够将食品以更精确的重量切割，而不会像通常的方法那样，在每一个包装容器内稍微多装一些产品。Good说：“公司大约在18个月时就看到了收益。”
　　安川也同样认为DDL电机系统的总费用比其他线性致动器技术要低得多。公司引述的例子与前文讨论的“超重”和更高的初始成本类似。
　　Parker Hannifin公司将DDL运动系统的成本效益看作是对精度、速度和灵活性的补充。Schultz解释道，使用皮带轮传送的用户要想提高速度必须牺牲精度，现在，如果转而使用DDL电机，精度将会提高一个数量级，而速度也不会降低。而且，在同一个次级上使用多种电机铁心也成为可能——次级是电磁导轨系统中最昂贵的部分——因为每一个铁心在完成力传输时都会解耦。Schultz说：“这增加了灵活性，每个轴减少了成本，在很多应用场合中，这意味着更多的生产力和节省更多的空间。其他的潜在成本降低来自于大量的DDL运动设备供应商和更低廉的反馈设备创新。”

　　市场现状
　　罗克韦尔自动化公司的John Good称：“工业界正在见证DDL运动系统每年10-20%的增长率，而通用运动控制解决方案的增长率在6%左右。”虽然DDL技术的市场比通用运动市场要小，然而其全世界7.25亿美元的市场仍旧极具吸引力。
　　市场增长主要归功于更多领域开始接纳DDL运动系统（更多信息查阅在线资源）。电磁编码器反馈设备和更低廉的磁体材料极大地降低了DDL技术的总成本，也推动了DDL技术的普及。Good总结道：“而且，设备搭建商和生产商已经渐渐触及了回转伺服技术的性能极限，他们正在寻找新的解决方案，以求将设备性能提高到下一等级。”
　　西门子公司关注更多DDL运动系统的调查资料，特别是那些来自于定制设备搭建商的资料。Gerlach说：“我们也注意到，在OEM厂商升级产品线时，他们对在现有设备设计中将线性（回转）轴转换成直驱电机饶有兴趣。”他建议道：“下一个逻辑步骤是将伺服电机、滚珠丝杠和相应元件替换成线性电机的主级和次级机构，以覆盖整个行程，更少的元件，更少的装配时间和更有效的操作不是奢望。”
　　安川见证了DDL运动设备销售额十番的增长，特别是对于半导体和太阳能电池板工业的销售。Zajac说：“我们希望这种增长势头能够持续。”
　　据Parker Hannifin公司的Schultz称，DDL线性电机市场的增长速度不稳定，他说：“某些市场之后几年的增长还能达到年均15%，而其他的，例如半导体制造行业，增长将会放缓。Parker已经逐步地提高了线性电机的性能，以适应不断提高的要求，哪怕是在当今不确定的经济环境下，我们仍继续期待我们线性电机的销售有强劲的增长。”
　　DDL运动系统的其他优势包括巨大的工程资源投资，这简化了电机的设计，便于用户安装。Parker声明，其线性电机是最容易集成到项目应用中的，这极大地归功于他们的“大空气间隙”设计。据报道，Schultz为强调这一点，称虽然他只是“一个销售人员”，然而曾经仅使用日常工具就安装了一套DDL电机系统。
　　直驱线性运动系统可能已经成熟，但仍未丧失继续创新的能力。

　　翻译：辛磊夫