一种新型直线电机及其组成的流水线介绍

程丙坤

摘  要：本文介绍了一种新型直线电机及其组成的流水线的原理、结构及特点，并通过身边实际使用案例对其经济效益做了比较，希望能够对相关从业者带来一些借鉴或启发。

关键词：直线电机;线性马达;线性直驱;柔性;智能;高速流水线

随着珠江三角洲和长江三角洲一带用工荒的蔓延，越来越多的工厂开始采用自动化装配线来代替人工。

传统装配线运动控制包含传送链、同步带、齿轮和凸轮等技术。这些解决方案限制了应用的灵活性，造成了能源浪费、过多的维护费用及产量不足。未来的智能制造将以柔性化和高产量化为发展趋势，实现多规格多批量的高效灵活生产。

为适应这种趋势，一种新型直线电机应运而生，通过采用新一代最先进的环形运动控制技术，使得简单灵活、高速高效的多动子运动成为现实，提供兼具高产量和高灵活两全其美的终极解决方案。

为便于读者对其结构有个直观认识，下图一和图二给出了新型直线电机和传统直线电机的立体图供读者比较和参考。

图一为新型直线电机，永磁动子一端固定在线性导轨上，另一端悬空套在定子上，由定子内产生的交变磁场驱动。导轨可根据需要负载、精度、刚度要求布置一根或两根。直线电机机体可以接电源线及多轴控制器的控制电缆。可以通过直线电机机体上的安装孔（另外一侧也有一排），将其固定在自己设计的机器上。图二为传统的无铁芯直线电机，可以清楚的看到其动子上带有2根电缆，这导致其在有循环要求的流水线上无法使用。

两者原理上的差异：普通直线电机的原理并不复杂.你可以理解为把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就是一台直线电机。一般直线电机为了节约成本，用永磁体一极做定子而把带线圈的一极做动子，动子中通过交流电，其就在电磁力的作用下沿着定子做直线运动。本文介绍的新型直线电机刚好与之相反，用永磁体做动子而把带线圈的一极做定子，定子中通过交流电，动子就在电磁力的作用下沿着定子做直线运动。由于动子中没有线圈及位置感应器，所以没有电缆，动子就可以沿着一个闭环做无限循环，这对于依托夹具或托盘流拉产品的加工或装配来说，因为夹具或托盘可以循环使用，所以使用起来非常方便。

用这种新型直线电机组成的循环线，按照使用导轨的不同可以划分为2种形式：第1种如图三所示，两端定子采用圆环形，中间用直线定子组成一个闭环，由于弧形导轨只能配滚轮来导向，精度只能达到0.1mm，适合在要求装配精度较低的场合使用;第2种如图四所示，两端定子用气缸或线形模组来摆渡，中间用直线定子组成一个闭环，由于都是采用线性导轨来导向，精度能够达到0.01mm或更高，适合在高精度装配的场合使用。当然这两种方式既可以在水平面内配置使用，也可以在垂直面内配置使用。

用此新型直线电机组成的流水线具有如下特点：

1）. 多动子异步控制。不同节拍的产品各个生产环节可以得到完美的整合，形成一整套高产量流水线。即使在更高层次的不同生产工 艺阶段，不同节拍的多级流水线也可以得到一 条龙整合，形成一套从毛坯到成品的高产量超级流水线。用户不同规格产品可共用一条流水线柔性 生产，通過简单调整工装夹具和节拍，就可以适应多规格柔性生产的需求，节约了流水线的改造和更新成本，创造更多的使用价值。

2）. 高速度。由于采用的是直线电机，没有中间传动机构，响应速度快，其最高速度可以达到10m/s，最高加/减速度可以达到2.5G。

3）. 高精度。由于采用的是直驱，省掉了中间传动机构，可以轻而易举零背隙，精度也得以大幅提升。如果用磁栅尺来反馈位置，则精度可以达到5微米;如果用光栅尺来反馈位置，则精度可以达到1微米.

4）. 易维护。简单的机械部件，没有机械连接，维护量大大减少。

5）. 可定制范围广，有效行程375mm～60m，避免了滑台的弱点，丝杠的变形和皮带的松动等现象。

6）. 可以使用无线控制设备及锂电池模组，增加适用性。例如为满足用户产品夹持及 二次移动的需求，在动子上加上气缸和压缩气罐来装夹工件;在动子上加马达机构及蓄电池来提供工件的装夹或二次移动;在动子上加上迷你真空泵和蓄电池，则可以用真空来吸住工件。 当然在条件许可的地方，也可以使用电刷电轨来代替蓄电池，为动子上的机构提供电力。

使用案例：如图五左侧所示，输入为首尾相连的50个产品，要求经过Limiter折弯、Outriger折弯、Head切断、Safe angle成形、DCF angle成形、切尾、分拣后成为图五右侧所示一个个独立的产品输出。传统做法是用三台机（五合一成形机/切尾机/分拣机来完成，机与机之间靠工人手工传递。导致工人体验差，机器效率低精度差，维护量大。

新机器在每一个动子上用真空吸50个产品，经左过渡单元到达拍齐单元，在这里真空关闭，气缸将其沿Y方向（垂直屏幕向里）拍齐后再开真空吸住。分选单元，此处相机依次检测每一个产品，记录带红点产品（上工序产生并标注的缺陷品）的次序，同时记录特定定位孔的X/Y坐标，为5合1模具提供精确的位置修正。5合1模具成形，切尾，产品到下料工位，根据分选单元在电脑内记录的位次，将产品吸走，投入废品箱或变节距后放入TRAY内，一个TRAY装满后会退回到输出位置，下一个空TRAY替上，如此循环，直到产品卸完。空的动子经右过渡单元回到上料位置，工人一次替五个动子上料，开始下一个循环。此机将原来的3台机（冲压机、剪尾机、分拣机）浓缩成了一台机，夹具循环流动，结构紧凑，精度及可靠性大大提高，维修工作量也大大减少。原来冲压机采用V形块定位，由于长期磨损，导致生产不稳定，经常要停机检修，维护人员疲惫不堪，现在采用新型直线电机，动子和定子不接触，没有磨损，所以质量非常稳定。即使线性导轨有磨损，但由于是滚动摩擦，磨损小，寿命长，而且选的是带预压力的线性导轨，精度有保证。即使磨损了，由于导轨是标准件，也容易更换。

此机构目前唯一缺点是有点昂贵，但由于效率高，质量可靠，适应范围广，随着未来产量上升带来的成本下降，未来必将在工业生产上有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]《iTS 智能柔性环形线线性直驱技术》、《Akribis直驱产品综合型录》、《机械设计手册》。