迅速發展的嶄新世界：平面電動機
????作者：Stuart F. Brown? ????想一想熟悉的圓桶型電動機，把它開個口子，展開成平面。接通電源后，一臺線性電動機，作前后穿梭運動，而不是旋轉運動。多年來，報刊上登載了大量文章，關于未來的武器軌道炮和磁懸浮鐵路，火車和鐵路是綿延數百英里長的“電動機”上的兩個部件。現在的新聞是：從幾英寸到50英尺長的平面電動機目前已經在現實生活中應用。 ????這種機器能從左到右，自下而上，由內到外運動，速度快得驚人，就像驚險電影“宇宙來客”中追捕宇宙飛船乘員的惡魔一樣。當電動機減速時，你可看到它的動作柔順、穩定和平靜。這幕芭蕾舞是在阿諾拉德公司的車間里表演的。該公司位于紐約州的華波布，業務蒸蒸日上，年營業額高達4000萬美元，在推廣線性電動機方面做了大量的開拓性工作。 ????阿諾拉德公司的平面電動機可安裝在像電子元件裝配線、激光發射器和精密檢測儀器這類設備上。設計者們正在研究如何把這種電動機應用在其他需要線性動力的機器上，電梯、飛行模擬裝置、甚至轉盤觀光車都在考慮之列。在線性電動機大批量投產后，價格將變得十分便宜，可用于驅動電腦打印機機頭，或者用于升降汽車車窗玻璃。 ????目前最大的新市場是機床，線性電動機可以提高機床的運轉速度、加工精度和靈活性，并可在極短的時間內轉而加工其他的產品。理查德?奧格爾特里是福特汽車公司在密執安州迪爾伯恩“未來工廠”開發組的經理。他說：“線性電動機是100年來機械制造業的一項重大突破。”經過多年艱苦的努力，這個小組在一個實驗生產車間里制造出了線性電動機。 ????訂單從各汽車公司和飛機制造公司紛至沓來，這些公司開始投資采購高性能的金屬切削設備，這些設備都采用了平面電動機。在克萊斯勒公司的墨西哥制造廠，平面電動機被用于加工發動機缸體，在麥道公司的圣路易斯工廠被用于制造巨大的飛機機體部件。德國戴姆勒-奔馳汽車公司訂購了兩臺線性電機，他們做了德國公司幾乎從來沒有做過的事情：為德國本土的汽車公司購買美國機器。 ????當然，平面電動機并非適合一切領域。只有很少一部分靠電能驅動的運動是線性的，絕大部分的工作仍然要靠那種老式的、用途廣泛的旋轉式電動機，這種電機現在又有了幾個新的特點。在馬力相同的情況下，線性感應電動機由于使用了昂貴的磁合金，其成本要比旋轉式電動機高出一至三倍。 ????但應用在機床上，平面電動機替代了笨重的圓軸螺杠裝置，在成本上的不利因素減少了30％，圓軸螺杠裝置的原理是夾板下的螺母沿心軸上的絲杠移動，把電動機的旋轉動作轉換成推移動作。由多臺以線性電動機為動力的機器組成的“加工單元”，可以極大地提高勞動生產率，有助于改善經濟狀況，有時效果是很顯著的。大規模生產帶來的高效率無疑為更廣泛地應用這種電動機開辟了前景。阿諾拉德公司預測，當前，全世界的年銷售量估計為6000萬美元，在2000年可望增加到2.5億美元。 ????到線性電動機引起了人們愈來愈大的興趣，阿諾拉德公司具有革新精神的總裁兼首席執行官安沃?奇塔耶特比任何人都更加欣喜。好幾年來，人們一直在試圖用電磁原理精確地控制線性運動。66歲的奇塔耶特花費了很大的精力才剛剛開頭。奇塔耶特出生于伊拉克一個猶太家庭，40年代末到美國攻讀工程學，畢業后留在美國，先在阿拉斯加州美國陸軍從事雷達工作，后來在在1972年創建了阿諾拉德公司。當初計劃為IBM這樣的公司制造高速度和高精度的機器，這些公司需要加快計算機磁盤驅動器和主機上的多芯片組件的裝配速度。 ????隨著市場上對高速度和高精密的機器需求的增長，奇塔耶特對傳統的圓軸螺杠結構固有的細微顫動和反應遲緩感到不滿。奇塔耶特回憶說：“15年前，我開始對線性電動機感興趣，我問電動機工廠能否為我生產l000臺。工廠認為無利可圖，就拒絕了。于是，我決定制造自己的線性電動機。” ????奇塔耶特的努力在80年代得到了回報，他的線性電動機革新成果有一部分獲得了專利，其中包括高效電子線圈及其制造方法、大功率電動機高速運轉時用冷卻液降溫的方法。 ????阿諾拉德公司還開發了電腦控制系統，使線性電動機能在極短的瞬間加速或者減速，而且能以誤差不超過1微米(小于萬分之一英寸)的精度停止在要求的位置上。這些先進的方法有助于處理穩定性方面的問題，如芯片制造廠處理細薄易碎的硅晶片等等。現在，阿諾拉德已經生產了30000多臺線性電動機，正在需要高速度、穩定性和高精度的特殊機器中前后往復運轉。 ????面對取得的成功，奇塔耶特十分得意，他決定吸引更多的對此感興趣的電機制造商參與合作，以提高產量、降低成本。最的情況頗為艱難，直到幾年前，有消息說福特汽車公司在“概念驗證系統”中使用了他的電動機，用來制造發動機的主要部件，情況才有所改觀。奇塔耶特說：“各行各業的人在聽說福特對線性電動機感興趣，就開始找我們打聽線性電動機的情況。” ????在80年代中期，福特汽車公司決心要找到一個辦法，來解決長久未決的問題：即巨額成本和笨拙的移動加工系統。移動生產線——車間里的人就是這樣稱呼它的——是根據產品要求定做的怪物，有時比足球場還長，主要用于大批量加工某一種部件。當毛坯鑄件通過這個系統時，數百臺旋轉著和固定的加工機械，將毛坯攻出螺紋、打眼和壓洞，把鑄件加工成閃光發亮的發動機缸體或者缸蓋。問題是，這樣一條巨大的、沒有智能程序控制的、裝備笨重的移動生產線只能制造專門為它設計的一種部件，不能按新的工序生產其他的部件。 ????隨著消費者需求快速地變化，福特需要實行柔性生產，以適應產品的快速調整和變化，這就需要能夠按照市場要求進行小批量或中等批量加工機器設備。因此，公司決定采用加工中心——由計算機控制、能自動置換刀具的單軸機床，這些加工中心可對緊固在機器上的部件進行多種方式的加工。問題在于機器制造商在產品目錄中提供的加工中心往往動作太慢，達不到汽車廠的速度要求。 ????54歲的理查德?奧格爾特里承擔了這樣的任務：在全世界范圍考察機器制造廠和大學研究小組，以求制造出超高速加工中心的樣機，他是福特公司未來工廠開發組的經理作為電子工程師，他曾在公司制造部門的好幾個地方工作過，他最近的兩項任務都集中在柔性加工機器上。 ????奧格爾特里回想起一件事，從秒表記錄中上可以看出，現在的機床在加工過程中，要前后移動刀具找準加工部件的位置很費時間，更換新刀具也同樣如此，實際用在切削金屬部件的時間少得可憐。加工中心中的圓型螺杠裝置能使心軸每分鐘前后移動300英寸。奧格爾特里設想把心軸推進速度加快十倍，就象蜂鳥從花朵中采集花蜜一樣。這使他想到了線性電動機。阿諾拉德公司參與了這個計劃，后來，福特有選擇權購買這家私有公司16％的股權。福特意識到，必須找一家有經驗的機床制造商來參與合作，這個計劃才有可能獲得成果，它決定與伊利諾伊州羅克福德的英格索爾銑床廠聯手。來自三家公司的工程師歷經數年，埋頭苦干，解決問題，做了好幾代樣機，終于在英格索爾銑床廠非常秘密地研制成功了高速加工機器，這種機器能以不同的批量生產各種部件，而這樣的批量太小，用加工中心生產不合算。奧格爾特里自豪地帶著來訪者參觀了他那小型實驗機器車間，這個坐落在迪爾博恩工廠一角的實驗車間整潔、明亮，機器在運轉。迪爾博恩工廠主要是用傳統的設備生產Escort汽車上的四缸發動機。試驗的“加工單元”里有兩排米色的高速加工中心，銘牌上印著“英格索爾”。負責材料的機器人將部件——待加工的4.6升V型8缸豪華汽車的汽缸蓋和缸體——從一臺機器移到另一臺機器。 ????汽缸蓋制造單元有四臺加工中心，每臺只有一個多功能的高速心軸，它能擔當在移動生產線上數百個單功能心軸所做的工作。線性電動機在三條軸線(稱為x，Y和z)上來回移動，它是使心軸定位的主要力量，而這些心軸又反過來從高速旋轉中的電動機獲得動力。一只玻璃罩把機器操作工人和里面猛烈運作的機器隔開，透過玻璃罩，人們可以看見閃亮的碎屑和乳白色的冷卻液在里面四處飛濺。刀具貼近加工部件，縮回，再定位，并且重復著同樣的動作。瞧!現在出現的許多孔眼是用來緊固發動機上的氣缸蓋的螺栓的。 ????福特的工程師們幾個月來小心翼翼地把機器開足馬力，這樣可以從小故障而不是從大災難中找出缺陷。目前，這兩個單元每小時能制造三個v8型的發動機缸體和五個缸蓋。奧格爾特里說，把兩個加工單元的機器增加三倍，這個車間就具備了進行中等批量生產的水平。這些機器還具有多功能性。如果福特的某個工廠生產環節出現障礙，他說：“我們只需給加工中心重新輸入程序，更換緊固加工部件的卡具，就可以轉產類型完全不同的汽缸，速度很快，成本極低。” ????奧格爾特里制造的高速設備系列被福特公司看作是一個試驗場所，一個展示這些設備的各種功能的地方。奧格爾特里說：“我們在興建新的工廠時，將更廣泛地應用這項新技術。制造行業的人都在尋求高速度和靈活性。現在，這項技術成功了。”他說的數字令人相信，這些加工設備很有吸引力。雖然一套高速加工中心售價約為90萬美元，是傳統產品的兩倍，但由于這種機器運轉速度快，所需的臺數就相應減少了，機器人、起重機和在各加工中心之間搬運加工部件的傳送帶之類的機器也相應減少了。全部安裝預算約比普通設備高出20％，但新的加工中心的工作量卻增長了2.5倍。 ????福特在德國科隆的工廠在全公司最先安裝了整套的高速加工機器，大批量生產傳動變速器。在由德國艾斯林根的艾克斯-賽爾-奧公司提供的機器上，采用了克勞斯-馬菲公司生產的線性電動機，這家公司是阿諾拉德在德國的競爭對手。奧格爾特里說：“美國的工廠在更新設備時，將會采用高速加工機器。” ????英格索爾公司的董事長埃德森?蓋洛德同樣熱情地支持線性電動機，然而他很快便說了一句稱贊移動生產線的話。英格索爾公司太了解這些生產線了，它早在1924年就在美國制造了第一條移動生產線，用于生產亨利。福特的T型汽車。他說：“如果有能夠大量銷售的產品，移動生產線仍然是了不起的機器。”蓋洛德在約翰?韋恩風靡影壇的年代就是機械行業競爭中鋒芒畢露的老將，他的祖父溫思羅普?英格索爾于1887年創立了這個公司。“移動生產線能使你發大財。但是如果你的年加工量不足10萬個部件，你最好還是使用柔性機器。” ????說到線性電動機，蓋洛德回憶起為了把它應用在可供銷售的機器上，公司在工藝制造方面花費了巨大財力和物力，他動情地說：“我們以為完成這個項目只需三年時間，而現在已是第11個年頭了。”公司在制造線性電動機方面的經驗，還是在為波音司生產了一臺實驗機器以后才有的，事實證明高速運轉是切實可行的。然而，工程師發現了比速度更重要的事情，線性電動機本身在加速和減速方面具有比圓軸螺杠裝置或其他機械裝置更快的能力。把這個發現轉變成生產，本身需要花費時間和精力。???? ????蓋洛德說：“簡直就像魔術一樣，機器從零開始，加速至每分鐘3000英寸，然后在極短、極短的時間內復回到零位，精度誤差小于1／1000英寸。我們花了七、八年時間才解決了這個問題。現在我們最新的機器僅用1?5％的時間進行加速和減速，其余時間全速運轉。要與移動加工設備進行競爭，你必須這樣做。” ????在英格索爾充分利用線性電動機奇妙的動力之前，還有一些潛在的問題要加以解決。一個是心軸，它以驚人的速度平穩地切削金屬，心軸的轉速極高，每分鐘達20000轉，甚至更快。其他的問題包括開發計算機控制系統，加快復位的速度，以保持與機器同步運轉，此外還要研制更好的刀具材料。往往是舊的問題解決了，又產生了新的問題：速度提高了，刀具卻折斷了；改進了工具，又提高了速度，可是工具又斷了。如此等等。”???? ????最終，設計者們使用了有限元分析軟件，這種軟件用來顯示復雜的應力結構，確定要在結構中增加或減少什么樣的金屬成分，設計師們在這個軟件的幫助下，研制出了強度高、重量輕的機器底架，它加速時就像去掉了附加裝置的高速賽車一樣。機床設計者傳統上采用增加鑄鐵的方法求得機械剛度，但是對于需要超高速運轉的部件卻不合適。 ????物有所值。英格索爾花費了一個多世紀的時間，無畏無懼地設計了千篇一律的、特別定做的適于各種用途的機床，現在公司發覺它本身有兩種標準的高速機床型號，而且不能只生產一種。蓋洛德說：“生產兩種一樣的東西對我們的企業文化來說是一件令人震驚的事情。”為了避免影響外界對企業的印象，英格索爾另外建立了一個專門生產高速機床的部門，主動向重復生產發起了進攻。 ????英格索爾50年來第一次在“國際機床展覽會”上亮相，這個規模盛大的展覽會于去年初在芝加哥舉行。英格索爾用載重汽車把HVM?60型高速加工中心運到展覽會上，引起了廣泛的注意，后來，位于明尼蘇達州新布賴頓的雷梅爾工程公司購買了這套加工中心。這家公司將用它為Bombardier公司的Seadoo私人船艇加工發動機的曲軸箱。 ????一些汽車公司已經掏出錢袋，要購買英格索爾公司的高速加工中心。具有諷刺意義的是，盡管福特參與了艱苦的研究與開發工作，克萊斯勒比福特更快地下了訂單。克萊斯勒為它在墨西哥托羅卡市的工廠定購了5套加工中心，用來制造5.9升V8型發動機外殼，這種發動機是為很流行的Ram牌小卡車配套的。這家工廠總共將訂購17套機器，其中5臺用于生產氣缸蓋，工廠的發動機年產量將躍升至85000臺。 ????最令蓋洛德自豪的是，還有一批機器已經備妥，等待運往德國的戴姆勒-奔馳汽車公司。這批機器將用來為今年夏季投產的一種小型的“斯沃奇”式的小汽車加工汽缸蓋。他無不炫耀地說：“這是一筆具有里程碑意義的訂單。因為德國汽車公司從未也沒有買過美國制造的機器。我們費了17年的功夫才賣給他們一套刀具，而且還是在德國生產的。但這次，他們給了我們這筆生意，因為他們知道我們已經掌握了未來的技術。” ????飛機制造公司也正在探求利用以線性電動機為動力的機床的可能性。英格索爾負責重型機械業務的副總裁丹尼斯?布雷說，美國和歐洲的客戶已經訂購了兩套龐大的加工系統，設備的長度約80英尺。用來制造大型的、復雜的部件，如翼梁，它需要又薄又有剛性的翼肋，以確保機翼的既堅固又輕巧。 ????在圣路易斯市的麥克唐納-道格拉斯公司正在使用英格索爾公司為其定做的機床，上面裝有線性電動機，它銑下一塊18英尺長的厚鋁板，加工成貨艙上用的活動弦梯隔板，這是專為空軍C-17運輸機配套的。戰略現代化小組的經理拉里?庫伯斯基說：“我們的機器的切削速度比過去傳統的機器快五至十倍。表面拋光加工和部件的精度加工都是一流的,幾乎完全不用手工操作就能完成加工任務。” ????性電動機的市場需求不斷增長，對此，阿諾拉德公司的奇塔耶特認為，授權其他大公司使用它的技術將給自己的公司帶來很大好處，與此同時，公司將繼續進行研究和開發活動，進一步提高工藝水準。日本的Fanuc公司和弗吉尼亞州拉德福特的科爾摩根公司的機械裝置技術部已經同阿諾拉德簽訂協議，生產該公司設計的線性電動機。在伊利諾伊州埃爾克-格羅芙的西門子能源和自動化公司利用阿諾拉德線性電動機開發出了成套的機械裝置控制系統。 ????從近期來看，機床廠似乎像是平面電動機最強勁的市場。日本Mitsui?Seiki公司等制造商在芝加哥機市展覽會上展出了以線性電動機為動力的精密測量體系。位于新罕布什爾州基恩的金斯貝里公司開始制造具有自己特色的高速加工中心，取名為“電腦單元”。辛辛那提邁拉克隆等大型機器制造廠也在著手制造線性電動機。 ????奇塔耶特預見到，隨著線性電動機的價格下降，它的用戶將會越來越多。他的公司計劃在一年之內推出新一代的電動機，它將使用一種能量更大而價格較為低廉的磁合金，而且全自動化的生產方法將擴大對這種產品的需求。奇塔耶特預言，在未來兩年內，線性電動機的價格將比現在的一半還低。這位發明家在沉思：“不要很久，人們將會發現更多的領域可以使用這些電動機。” ????帶智能控制的旋軸式電動機 ????微電子革命把新的復雜性注入了缸形的東西——旋軸式電動機。體積越來越小和愈來愈便宜的集成芯片使得阿肯色州史密斯堡的鮑多爾電氣公司——電動機制造行業中最老的公司之一把電動機和精巧的變速的控制器或者換流器組合在一起，制造出了“智能型電動機”。鮑多爾電氣公司市場研究和計劃經理達里爾?范?桑說：“不久前換流器比電動機還大，現在反過來了。”在工業用途上，這些電動機可以調節成以連續的轉矩驅動等速的傳遞帶，也可以調成不同的轉矩，驅動像泵和鼓風機等需要在運轉中改變速度的負載。 ????鮑多爾電氣公司還制造精密的電動機控制裝置，名為導向傳動系統，它用高速的微處理器來分別控制電壓和電流。這個裝置有一個旋轉的解碼器，它把轉速和方位等信息以數字形式送回控制裝置。其優點是精確地控制了速度和轉矩。一個導向傳動裝置可使電動機在全速轉矩的情況下降至每分鐘零轉，使電動機停轉并在重載情況下處在確切的位置。 ????看一下旋轉的方法，鮑多爾電氣公司正在研究名為預測維修系統的軟件，就像核電廠使用的那一種。它能監測和分析一臺電動機發出的電流，原理就如同一位醫生要聽一下你的心音一樣。范?桑說：“這種方法在實際應用中能感覺出電動機的軸承中有多少個滾珠，哪些已經磨損了。”這對需要每天24小時連續加工的行業是極有價值的信息，因為每一分鐘的停機都會損失大筆金錢。 ????然而，鮑爾多電子公司對線性電動機持十分謹慎的態度。數年前，公司曾向提供英格索爾公司提高控制器，用于為福特汽車公司制造的高速機器中心上。當時，它考慮過建立一家合資企業，制造阿諾拉德公司的線性電動機。然而，在詳細地考察了制造設備開發方面的一些復雜問題之后，鮑多爾電氣公司決定堅持生產它最了解的產品——那個圓東西。 ????譯者：李正中? 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