梁錦濤，盧亮，王丁磊

（西安電子科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710071）

為滿足成形工藝設(shè)備在精密性和高效率方面越來越高的要求，由永磁直線電機（Permanent Magnet Linear Motor,PMLM）直接驅(qū)動工件和模具的方式能克服傳統(tǒng)傳動機構(gòu)產(chǎn)生的誤差和慣性[1]。本課題組一直致力于電磁直線驅(qū)動高速壓力機的設(shè)計理論和樣機試驗研究，并取得一定進展[2，3]，定位精度可達到5 m，最高速度可達2m/s，最大加速度10m/s2，最大行程達500mm。然而傳統(tǒng)直線導軌滑塊的導向結(jié)構(gòu)仍存在較大的摩擦阻力，限制了直線運動精度和動態(tài)響應(yīng)速度的進一步提升。

無接觸的懸浮導向技術(shù)能消除滑動摩擦力，獲得超高的精度，且無噪聲、無磨損、無死區(qū)效應(yīng)。已在集成電路光刻機、納米制造等高精度定位場合得到廣泛應(yīng)用[4，5]。載荷較大的懸浮導向方式主要為氣浮和磁懸浮兩種，相比氣浮導向，磁懸浮支撐剛度更大、控制更靈活精確、適用范圍更廣，運行和維護費用更低。因此，引入無機械接觸的磁懸浮技術(shù)并與大行程直線電機驅(qū)動技術(shù)相結(jié)合，將是實現(xiàn)高速壓力機、微成形設(shè)備等高精尖應(yīng)用場合的理想驅(qū)動方式。

本文首先探討了實現(xiàn)精密直線進給的電磁直線驅(qū)動方式，在此基礎(chǔ)上介紹磁懸浮運動平臺的基本類型和工作方式，并對國內(nèi)外開發(fā)出的磁懸浮運動平臺進行分析比較。最后分析適用于精密成形的電磁懸浮直線驅(qū)動新方式。

1 電磁直線驅(qū)動方式

為了滿足塑性成形工藝在結(jié)構(gòu)、精度（動態(tài)跟蹤和靜態(tài)定位）、動態(tài)響應(yīng)（速度和加速度）、輸出力等方面越來越高的要求，應(yīng)采用新型的直線驅(qū)動技術(shù)，取代傳統(tǒng)的電機+旋轉(zhuǎn)直線變換機構(gòu)、液壓或氣壓等驅(qū)動源。以下分別對目前研究應(yīng)用較為成熟的幾種新型直線驅(qū)動電機進行對比介紹。

1.1 永磁直線電機

目前常用的PMLM是在旋轉(zhuǎn)永磁同步電機的基礎(chǔ)上變換而來，理論上每種旋轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu)都有對應(yīng)的直線形式。如分數(shù)槽集中繞組式PMLM[6]、橫向磁場PMLM[7]、開關(guān)磁通PMLM[8]等。作者已在之前文獻[1]中探討了PMLM直驅(qū)式機械壓力機等成形設(shè)備的結(jié)構(gòu)方式，目前各類PMLM驅(qū)動技術(shù)已日趨成熟并得到廣泛應(yīng)用，此處不再贅述。

1.2 超聲直線電機

超聲直線電機（Ultrasonic Linear Motor,ULM）通過壓電材料的逆壓電效應(yīng)而激發(fā)出彈性體的超聲振動，并在定子和動子之間產(chǎn)生摩擦耦合，由彈性體的微幅振動轉(zhuǎn)換為動子輸出直線運動[9]。壓電驅(qū)動使得直線位移定位精度可達納米級別，并且結(jié)構(gòu)簡單成本較低，使其在精密定位中得到廣泛的應(yīng)用[10，11]。但是，由于采用摩擦傳動，ULM驅(qū)動也有著非常明顯的缺陷，包括：材料磨損大，耐用性差；驅(qū)動行程較短，通常小于100m；驅(qū)動功率較低，難以超過100W；推力特性軟，控制難度較大等。

為了提高ULM的驅(qū)動范圍，可采用宏—微兩級結(jié)構(gòu)，即采用PMLM實現(xiàn)大范圍驅(qū)動和粗定位，再由ULM進行精密定位。能實現(xiàn)毫米級長行程驅(qū)動，并且定位精度在納米級別，使其能應(yīng)用在微機電系統(tǒng)、精密光學系統(tǒng)和納米加工等精度定位平臺[12，13]。但是，該方式會增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制的復雜性，削弱系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度。

1.3 音圈直線電機

音圈直線電機（Linear Voice Coil Motor,LVCM）基于安培力原理直接實現(xiàn)直線運動，具有圓筒型、平板型、矩型等結(jié)構(gòu)[14]。其中筒型結(jié)構(gòu)最具代表性，帶芯軸的圓筒內(nèi)徑裝有環(huán)形永磁體產(chǎn)生徑向磁場，鐵磁芯軸上套裝有管狀線圈及其支撐套筒，線圈通電產(chǎn)生與電流大小等比例的軸向電磁力。LVCM 可設(shè)計為動圈式或動磁式；為了提高輸出力，可在芯軸上增加一套環(huán)形永磁體，實現(xiàn)雙層勵磁結(jié)構(gòu)[15]。LVCM電磁力能達到1000N，行程可設(shè)計為幾微米至數(shù)百毫米范圍內(nèi)，運動頻率可達到1kHz 及以上，定位精度可控制到5nm。在光刻機、掃描探針顯微鏡、微納加工等精密定位場合有著廣泛的應(yīng)用[16，17]。如下表1 所示為國內(nèi)外生產(chǎn)廠商制造的LVCM 系列產(chǎn)品參數(shù)。動音圈式LVCM隨著輸出力矩增大，損耗發(fā)熱量平方式遞增，熱變形容易導致定位精度大大下降。另外，隨著需求的行程增長，LVCM 的永磁體用量大大增加，并且結(jié)構(gòu)靈活性降低。因此，難以同時實現(xiàn)大推力和大行程的驅(qū)動要求。

表1 LVCM 的國內(nèi)外代表性產(chǎn)品

1.4 平面電機（Planar motor）

采用X-Y 雙軸直線電機的進給平臺難以消除層疊式結(jié)構(gòu)帶來的阿貝誤差。可采用共平面結(jié)構(gòu)，即平面電機（Planar motor），在工作臺上安裝數(shù)個電磁驅(qū)動單元實現(xiàn)二維平面甚至多自由度的運動。

與直線電機類似，根據(jù)電磁力產(chǎn)生原理將平面電機大致上可分為直流型、感應(yīng)型、同步型和磁阻型等4 類。采用永磁勵磁性能更高，因此主流平面電機通常由永磁陣列、線圈陣列和支撐結(jié)構(gòu)、定位檢測組件等組成[18]。根據(jù)永磁陣列和線圈陣列的結(jié)構(gòu)形式可將平面電機劃分為一維陣列組合式，二維陣列對稱式和混合陣列式等。

典型的一維陣列組合式平面電機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，工作臺集成4 組相互垂直的一維PMLM[19]。兩組產(chǎn)生X 軸推力，兩組產(chǎn)生Y 軸推力，各自獨立控制XY 兩個方向運動，避免復雜的電磁耦合問題。但共平面結(jié)構(gòu)限制了PMLM的電磁場范圍，使工作臺運動行程較小。

圖1 一維陣列組合式平面電機結(jié)構(gòu)

二維陣列對稱式平面電機根據(jù)動子類型可分為動磁式和動圈式，如圖2 所示。勵磁永磁體可采用Halbach、Asakawa 等各類新型永磁陣列[20，21]。矩形線圈構(gòu)成二維線圈陣列，利用復合電流驅(qū)動，可直接實現(xiàn)XY 二維平面運動。但由于需要同時控制各方向電磁力，電磁場耦合情況非常復雜，需要進行精確的解耦控制。

圖2 二維陣列組合式平面電機結(jié)構(gòu)

混合陣列式復合了一維/二維的線圈和永磁體結(jié)構(gòu)，形式種類多樣。例如荷蘭、韓國等多個學者提出的動圈式平面電機[22，23]，由4 組相互垂直的一維線圈陣列作動子，二維永磁陣列作定子。如圖3 所示，該結(jié)構(gòu)可避免復雜的耦合控制。國內(nèi)清華大學朱煜教授團隊研制了一種有槽永磁動圈式PM[24]，鐵心設(shè)計有X、Y 方向雙層槽，分別繞制三相同步電樞線圈，控制X、Y 方向推力和運動，能大大提高輸出推力密度和功率。日本東京大學的Ueda 提出了一種動磁式大范圍運動PM，其中X、Y 雙層定子電樞線圈直接印制在PCB 電路板上[25]，結(jié)構(gòu)緊湊，控制精度高。

圖3 混合陣列式平面電機結(jié)構(gòu)

為提高定位精度，上述平面電機可由氣浮軸承，靜壓軸承等支撐機構(gòu)進行導向；也可以直接利用電磁單元陣列產(chǎn)生Z 軸向懸浮力實現(xiàn)磁懸浮。下面將結(jié)合磁懸浮原理及結(jié)構(gòu)，對電磁懸浮的直線和平面驅(qū)動進行介紹。

2 磁懸浮驅(qū)動原理與結(jié)構(gòu)

2.1 磁懸浮工作原理

磁懸浮是通過勵磁磁場和電樞電流之間相互作用產(chǎn)生的電磁力抵消被控對象的重力而懸浮空中的一種技術(shù)，根據(jù)不同的工作原理，磁懸浮可分為電磁鐵吸力懸?。‥lectromagnetic Suspension,EMS）、電動型斥力懸?。‥lectrodynamics suspension,EDS）、永磁相斥懸?。≒ermanent Repulsive Suspension,PRS）和高溫超導磁懸?。℉igh-Temperature Superconducting Magnetic Levitation,HTS-Maglev）等。

其中EMS 最為常見，通常由電磁鐵和導磁材料組成。對電磁鐵通入電流后，電磁鐵與導磁材料之間產(chǎn)生電磁吸力，控制通電電流可調(diào)節(jié)電磁吸力大小使其與重力平衡而懸浮[26]。PRS 則較為簡單，由永磁體之間同性相斥異性相吸原則實現(xiàn)懸浮。但由于永磁體磁場不可控，可增加勵磁繞組對磁場進行調(diào)節(jié)[27]。EDS 利用短路繞組與永磁體或勵磁繞組之間的相對運動，在短路繞組內(nèi)產(chǎn)生的渦流感應(yīng)磁場與勵磁磁場方向相反，從此產(chǎn)生電磁斥力來實現(xiàn)懸浮[28]。斥力大小與磁感應(yīng)強度及導體切割磁力線的速度有關(guān)，通過控制相關(guān)電磁參數(shù)可調(diào)節(jié)懸浮斥力。HTS-Maglev 根據(jù)超導體的磁通釘扎特性及抗磁性，當HTS 處在超導態(tài)并置于磁場梯度內(nèi)時，HTS 表面會產(chǎn)生感應(yīng)電流。與EDS 相似，在HTS 和勵磁體之間產(chǎn)生懸浮斥力。由于HTS 電阻為0，故產(chǎn)生的感應(yīng)電流會一直存在且穩(wěn)定，但HTS-Maglev 需要配備一套昂貴的超導低溫系統(tǒng)。目前關(guān)于HTS-Maglev 的研究主要聚焦在磁懸浮列車、電磁發(fā)射系統(tǒng)等領(lǐng)域[29，30]。

2.2 磁懸浮直線驅(qū)動結(jié)構(gòu)

上述磁懸浮類型均可結(jié)合直線電機實現(xiàn)大行程無摩擦直線進給運動，結(jié)構(gòu)形式包括磁懸浮軸承式、懸浮導向平板式等。如圖4 所示為由一對桿磁懸浮軸承取代傳統(tǒng)直線導軌的PMLM，利用EDS 產(chǎn)生電磁斥力實現(xiàn)套筒對導桿的同軸懸浮。平板式結(jié)構(gòu)除需提供縱向EMS 懸浮力，還需提供一對電磁鐵調(diào)節(jié)橫向?qū)蛄ΑＨ鐖D5 所示，EMS 磁懸浮列車均采用該結(jié)構(gòu)方式[31]。另外，亦可直接由PMLM控制繞組的d軸電流產(chǎn)生縱向懸浮力。

圖4 磁懸浮軸承式PMLM結(jié)構(gòu)

圖5 懸浮導向平板式PMLM結(jié)構(gòu)

2.3 多自由度磁懸浮驅(qū)動結(jié)構(gòu)

磁懸浮結(jié)合平面電機除能實現(xiàn)平面無接觸懸浮驅(qū)動外，靈活控制多個電磁模塊電磁力能實現(xiàn)空間6自由度（Degree of freedom,DOF）的懸浮驅(qū)動，即在直角坐標系Oxyz 下x、y、z 三個方向的平動，以及繞Sx、Sy、Sz三個軸的轉(zhuǎn)動θx、θy、θz。如圖6 所示的四個共平臺驅(qū)動的PMLM模塊。除實現(xiàn)的平面運動Sx、Sy、Sz外，四PMLM產(chǎn)生同方向z 軸電磁力可實現(xiàn)z向微動Sz，x，y 相同方向的兩PMLM產(chǎn)生相反方向z向電磁力，即可分別實現(xiàn)繞x、y 軸旋轉(zhuǎn)運動θx、θy。該模式可在單一平臺上進行多DOF 的超精密位移控制，且動態(tài)響應(yīng)極快，但運動范圍相對較小。適合構(gòu)建納米精度級別的微動工作平臺，如光刻機的定位平臺、掃描探針顯微鏡等。

圖6 懸浮力耦合推力驅(qū)動多DOF 微動平臺

這種懸浮力及推力由同一模塊產(chǎn)生的驅(qū)動方式存在強烈的非線性電磁耦合，控制算法十分復雜。但結(jié)構(gòu)簡單緊湊，加工裝配較為容易。另一種方式是懸浮力和推力分別由各自獨立模塊實現(xiàn)，如圖7 所示。PMLM只產(chǎn)生推力，懸浮力由電磁鐵產(chǎn)生。使其直接在機械結(jié)構(gòu)上對懸浮力和推力進行解耦，控制方法較為簡單，不足之處在于組成結(jié)構(gòu)復雜，加工精度要求較高，裝配較為困難。

圖7 懸浮力獨立控制多DOF 微動平臺

3 電磁懸浮驅(qū)動的國內(nèi)外研究

以下結(jié)合電磁懸浮直線驅(qū)動的國內(nèi)外研究情況，分析其應(yīng)用場合及優(yōu)缺點。

20 世紀末，美國科研機構(gòu)開始了集成電路光刻機的磁懸浮精密定位平臺的相關(guān)研究工作。1997年，麻省理工學院的Trumper 教授團隊研發(fā)了世界上第一臺6 DOF 高精度磁懸浮平臺[31]。工作臺由4 個直線電機模塊同步驅(qū)動，電機的Halbach 永磁陣列安裝在工作臺底部，對應(yīng)的定子線圈安裝在永磁陣列下方的基座上。每個直線電機均能提供垂直懸浮力和水平方向（x 或y，由線圈繞線方向決定）的推力，使工作臺懸浮在基座定子上，實現(xiàn)用于晶圓定位的x-y平面50mm×50mm 位移，定位誤差在5nm（RMS）內(nèi)，加速度可超過1g。通過4 電機相互配合還能實現(xiàn)其他自由度的微動用于光刻聚焦對準。

參考了Trumper 教授團隊的設(shè)計和理論，北卡羅來納大學夏洛特分校的精密測量中心在1999 年搭建了一套用于掃描探針顯微鏡的長行程掃描平臺（Long-range scanning stage,LORS）[32]。同樣采用4個懸浮直線電機實現(xiàn)6-DOF 運動，25mm×25mm×0.1mm 的移動范圍，定位精度在10nm 以內(nèi)。2007年，該中心聯(lián)合加州大學洛杉磯分校等多所高校研制了用于納米加工制造的新一代磁懸浮平臺-多尺度對準定位系統(tǒng)（Multi Scale Alignment &Positioning System,MAPS）[33]。

俄亥俄州立大學的Menq 教授團隊也先后研制了多臺6-DOF 磁懸浮平臺（Magnetic Suspension Stage,MSS），第一臺采用10 個電磁致動器對懸浮動子進行控制，其中4 個用于垂直致動，6 個用于水平致動[34]。其動子移動范圍為3.0×3.0×1.8mm3，位置跟蹤誤差在±10 nm 內(nèi)。在此基礎(chǔ)上進行改進，采用4 個直流直線電機提升水平驅(qū)動性能，定位跟蹤誤差縮小至±5nm 內(nèi)[35]。新一代的微型6 軸磁懸浮平臺（magnetic levitation stage,MLS）采用洛倫茲力原理[36]，只有CD 唱片大小，重量僅350g。采用3 個微型雙軸直線致動器實現(xiàn)動平臺的懸浮和驅(qū)動，上平移動范圍為2×2×2mm，轉(zhuǎn)動范圍為4° ×4° ×4°，定位精度高，x、y、z 誤差分別為1.1nm（RMS）、0.74 nm（RMS）4.4 nm（RMS）。

Trumper 教授團隊的Kim 博士畢業(yè)后在德克薩斯農(nóng)工大學研制了多套納米級高精度微定位平臺。第一代為Δ 型平臺，Δ 型動平臺的三個邊分別由3 個致動器用于水平向運動；Δ 型動平臺的底部由3 個致動器用于垂直向運動[37]。x-y-z 平移范圍300mm，各軸轉(zhuǎn)動角范圍3.5mrad，定位精度高于5±2nm。每個致動器的動子只有磁鋼，定子無鐵心，平臺結(jié)構(gòu)簡單緊湊。其后設(shè)計了第二代Y 型平臺，其與Δ型動平臺類似，由6 個致動器實現(xiàn)6DOF 驅(qū)動，但其水平移動范圍可擴展到5mm×5mm[38]。

此外，德國、荷蘭、日本、新加坡等發(fā)達國家科研機構(gòu)均有磁懸浮電磁驅(qū)動平臺的相關(guān)研究和樣機實驗[39-41]。

國內(nèi)對磁懸浮驅(qū)動技術(shù)的研究起步于21 世紀初。西安交通大學的李黎川教授采用一對三磁極電磁鐵控制工作臺的3 個自由度（z，θx，θy），另外3個自由度（x，y，θz）由平面電機控制[42]。梅雪松教授團隊先后研究了多個懸浮與驅(qū)動相互獨立的精密定位平臺[43，44]，其中一種的定子由12 個空心線圈組成懸浮繞組，在懸浮繞組中心有4 個相互垂直的推力繞組，對應(yīng)由36 塊永磁體作動子；另一種結(jié)構(gòu)懸浮和驅(qū)動均采用電磁吸力方式，在動子上方布置4個U 型電磁鐵實現(xiàn)動子懸?。辉趧幼铀剿闹懿贾? 個水平驅(qū)動線圈實現(xiàn)動子平動。浙江理工大學的陳本永教授團隊設(shè)計了一種磁懸浮運動平臺[45]，通過四組永磁陣列和定子繞組模塊之間產(chǎn)生的電磁力作用下，運動平臺實現(xiàn)6 個自由度（x，y，z，θx，θy，θz）的微運動。

中南大學的段吉安教授團隊研究了磁懸浮直線運動平臺[46]，在懸浮體內(nèi)對稱安裝六對電磁鐵實現(xiàn)差動式雙電磁力控制，使懸浮體穩(wěn)定懸浮在定子基座上，直線電機驅(qū)動懸浮體沿基座方向進給，實現(xiàn)高精度無接觸式直線驅(qū)動。在X 軸的基礎(chǔ)上可疊加一套相同系統(tǒng)，形成X-Y 雙軸運動平臺[47]。

沈陽工業(yè)大學的藍益鵬副教授提出了一種雙繞組動圈式磁懸浮PMLM[48]。設(shè)計初級動子槽上有兩套獨立繞組，推力繞組輸出電磁推力，懸浮繞組產(chǎn)生磁懸浮力，無需額外增加懸浮作用模塊。隨后又提出了一種可控勵磁磁懸浮PMLM[49]，把磁懸浮PMLM中定子的永磁勵磁替換為電勵磁繞組，勵磁繞組同時產(chǎn)生懸浮力，而推力繞組仍設(shè)置在次級動子上產(chǎn)生電磁推力。

北京理工大學研發(fā)了一種新型磁懸浮二維定位平臺[50，51]。兩組Halbach 永磁陣列和平面線圈布置在移動平臺上側(cè)面的X 軸方向；另兩組布置在平臺下側(cè)面的Y 軸方向，形成“雙層驅(qū)動+夾層結(jié)構(gòu)”，實現(xiàn)平臺的6 自由度運動。

4 塑性成形的電磁懸浮直線驅(qū)動

綜上所述，電磁懸浮直線驅(qū)動各類成形裝備能突破傳統(tǒng)驅(qū)動方式的限制，實現(xiàn)高沖壓速度、微納級精度的塑性成形工藝。長行程大力矩的磁懸浮PMLM適合單自由度的沖頭或模具驅(qū)動，實現(xiàn)沖裁、拉深、鉚接、擠壓等工藝。但具體采用何種電磁驅(qū)動及懸浮結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)具體的成形工藝需求進行設(shè)計分析。

如圖8 所示為本課題組設(shè)計的一種電磁懸浮直線驅(qū)動沖頭結(jié)構(gòu)。PMLM采用雙定子單動子結(jié)構(gòu)，一方可以提高驅(qū)動力密度，另一方面雙邊法向吸力可以相互抵消，從而降低懸浮導向力。采用混合式磁懸浮結(jié)構(gòu)，其中前后兩側(cè)通過PMLM的電樞繞組控制d 軸電流實現(xiàn)前后位置定位及導向；左右兩側(cè)通過獨立電磁鐵模塊控制左右位置定位及導向。模具直接安裝在動子上實現(xiàn)直線往復的沖壓工藝。

圖8 電磁懸浮直線驅(qū)動沖頭結(jié)構(gòu)

如圖9 所示，采用X-Y 雙軸PMLM實現(xiàn)雙輥夾持漸進式旋壓成形工藝。但由于雙輥旋壓頭模具重量較大，并且X 軸的承重比Y 軸更大。若采用磁懸浮對PMLM導向，需要較大的懸浮電磁鐵結(jié)構(gòu)尺寸。因此，可采用磁懸浮平面電機結(jié)構(gòu)，通過共平面降低設(shè)備復雜程度。

圖9 雙輥夾持旋壓成形設(shè)備直驅(qū)式結(jié)構(gòu)

對于復雜的成形工藝，需要對工件和模具的多個自由度進行驅(qū)動，如圖10 所示為電磁直驅(qū)式實現(xiàn)輥軋、旋鍛、徑向鍛等復合成形設(shè)備。采用雙邊結(jié)構(gòu)的磁懸浮PMLM對模具徑向進給，并結(jié)合直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)力矩電機實現(xiàn)模具的旋轉(zhuǎn)—直線復合運動；采用四邊結(jié)構(gòu)的磁懸浮PMLM實現(xiàn)工件軸向進給。

圖10 直驅(qū)式多自由度復合成形設(shè)備結(jié)構(gòu)

相比磁懸浮直線模塊，多DOF 磁懸浮微動平臺行程較短，但精度更高，適合納米級精度的微成形工藝。本課題組將在后續(xù)工作中，研究用于微成形的電磁懸浮直線驅(qū)動理論。

5 結(jié)語

在直線驅(qū)動的基礎(chǔ)上配置磁懸浮提高成形驅(qū)動的動態(tài)速度和定位精度，滿足高速精密成形工藝需求。本文在介紹直線驅(qū)動和磁懸浮拓撲結(jié)構(gòu)、工作原理、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析比較各種驅(qū)動結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，并針對單自由度、雙自由度以及多自由度的成形工藝，提出電磁懸浮直線驅(qū)動的新方式。