摘要 線型馬達在直接線性驅動的應用場合具有許多優點，使其逐漸取代旋轉馬達，市場規模正迅速成長中。特別是最近有關線型馬達應用於工具機的發展正急速成長中。比較於其它種類的線型馬達，線型永磁直流無刷馬達因具有高能量密度、高轉換效率、高加速能力等優點，故廣泛應用於各型加工母機之中。採用線型永磁無刷馬達除了瞭解其機械與電機特性外，還需要搭配良好的驅動器及控制器，方能展現機台完美的運動性能，簡單的說，採用線型馬達驅動的系統為一高度機電整合的系統。本文中將探討國內自行研發的二種線型馬達驅動工具機，一者為四軸高速式加工機，另者為精密雷射切割機。 一、前言 綜觀近年來國際知名的工具機大展，明顯的觀察到全球各大廠對於未來工具機的發展，已朝向高速化、高精密化、自動化、環保化的方向前進，並著重於機械、材料、控制、資訊、及光學等領域的高度整合。而高速、超精密與微細化更是未來工具機製造產業的主要訴求，從最近幾年的漢諾威、東京及芝加哥工具機展中處處可看到 20,000—40,000rpm的高

圖1 線型永磁直流無刷馬達之原理

二、線型永磁直流無刷馬達之原理 [4]

當線型馬達的線圈位於圖1中(A)的位置時，若能控制線圈三相的電流如(C)中的Point A所示之值，則馬達將產生最大的推力，同樣地，當線型馬達的線圈位於圖1中(B)的位置時，若能控制線圈三相的電流如(C)中的Point B所示之值，則馬達也將產生最大的推力。

因此，線型永磁無刷馬達，亦如同旋轉式永磁無刷馬達一樣，線圈依據與磁鐵的相對位置，通入適當的電流進行電子換相，再經由電流、速度及位置控制達到平順的運動特性。

三、線型馬達之特性及使用條件

線型馬達為直接驅動之致動器，主要優點如下： 因無機械式傳動件，故馬達與負載間無減速比；由於負載直接固定於線型馬達動子部，因此線型馬達無框架(Frameless)；因省去機械傳動件，故無背隙，增加了系統的剛性(不用滾珠導螺桿，不受限材料之彈性係數)；允許多個動子在同一滑軌上，增加工作行程，而不失其位置精度；屬直接驅動，慣量低，因此提高了系統的動態響應(High Dynamics)。其中提高系統的動態響應方面，可獲得高伺服剛性(抗干擾性)、達到高速、高加速度、高頻寬、高定位精度、較低速度漣波及較小之安定時間。相對地，因線型馬達為直接驅動，負載是直接作用在馬達上，因此要將線型馬達成功的應用在高速精密的工具機或產業機器上，必須具備以下幾個條件：

1. 為了提高系統的動態特性，需要有高的位置回路頻寬(100Hz以上)，速度回路之頻寬亦須大於位置回路頻寬之10倍，以得到良好的速度控制性能，位置解析度為0.1μm 或更小，動態剛度在300-700 N/μm之範圍，電流回路及位置回路具有高取樣率 (對於大部份旋轉馬達1-2 KHz之取樣率可被接受，而對於線型馬達需高於此5-10倍)。
2. 馬達的散熱是一項重點。基本上可選擇稍大的線型馬達以減少熱的產生(用稍大的馬達有高的馬達常數，熱量產生較小)，或使用冷卻系統、風扇及排熱管。
3. 採用高性能之驅動器及控制器，為了獲得穩定性、剛度及抗干擾力，電流及速度迴路頻寬需高，線型馬達系統回路的頻寬需高於旋轉馬達系統頻寬的3-5倍。此外，所使用之全數位化驅動器需能自動調整控制參數，以獲得良好的性能。同時，使用高階之運動控制法則以補償結構之共振。而光學尺回授元件至驅動器之輸入頻率至少需2.5 MHz，在低速時，驅動器可將光學尺回授之低頻訊號，進行正弦插值(Interpolation)計算，以獲得高定位及速度精度。為了安全起見，當訊號失誤時控制器可進行動態煞車。
4. 線型馬達驅動的機台，由於高加速度，需注意機台結構的平衡，儘量採低重心結構，並考慮伺服與結構之匹配性。由於線型馬達工具機，為高速高精度之加工機，為防止結構的共振，機台的設計需進行應力、阻尼、自然頻率及模態的分析，以具備高機械剛度。
5. 為了克服線型馬達線圈與永久磁鐵間所產生的巨大磁力，機構的設計及安裝亦是一項工程。對於重力軸方向上的線型馬達亦需設計平衡機構，使線型馬達的操控平順。
6. 線型馬達操作時，經常性地進行大幅度的加減速運動，底座之反作用力大，動件需輕量化，底座亦需夠重，除需具有動力剎車外，亦需安裝防撞的裝置。

總之，以線型馬達為核心之工具機所需配合的關鍵技術，包括整機佈局設計、機體結構設計、煞車安全機構設計、可撓性纜線護套、高速換刀、線型馬達組裝設計、結構振動測試、動靜態剛性與結構模態分析與測試、機構動態、控制系統實現等。

三、線型馬達工具機技術

以下針對中科院所研製的二種線型馬達驅動工具機進行介紹，分別為四軸高速式加工機及精密雷射切割機。分述如下：

(1) 線型馬達驅動四軸高速式加工機 [5] 如圖2所示，為所發展的四軸高速式加工機之外觀，規格如下： X、Y、Z、B軸同動 工作行程(mm)：630×630×710 主軸(內藏式)：40kW,20000rpm以上 進給：90m/min(最大) 最大加速度：1.5g 線性定位精度：0.01mm；重覆精度：0.005mm 旋轉定位精度：±10sec；重覆精度：±5sec 熱誤差補正＜10μm 控制系統：block處理時間＜0.2ms

圖2 線型馬達驅動四軸高速式加工機

本機種有幾項特色： (1) 採用box-in-a-box構型立柱設計，使得X、Y動件較傳統NC工具機具輕量化，大幅減少主軸移動的加、減速時間。(2) 最佳化線性滑軌與線型馬達部置設計--同步考量結構剛性與組裝便利性。(3) 高剛性之線型馬達支撐及調整結構—採封閉型結構設計，力臂短、易於調整與組裝。(4) 剎車機構--除各軸安裝防撞裝置外，另設計剎車機構，以防止斷電時造成人員傷害。(5) 使用Heidenhain 430M控制器，搭配Fischer 主軸、Kollmorgen 線型馬達等數位與類比次系統之組合，商品化後不受制於任何廠牌。

由於線型馬達動、定子間具有強大的吸引力，故組裝線型馬達時須注意動、定子和線性滑軌間的組合以確保操作者的安全及機台的精度，並能輕易地調整動子與定子的間隙，故設計組裝機構至為重要。

為了獲取各子結構之振型與自然頻率的資料，確定各子結構分析模型之正確性。針對主軸承座、X軸滑動件、Y軸線馬支持架、立柱、B軸墊板、Z軸線馬支持架、與機床等鑄件子結構進行模態分析，如圖3所示。此分析結果與模態實測值比較，前兩個模態所對應之自然頻率誤差皆在4.45% 以內。

圖3 各子結構模態分析振型圖

(2) 使用管型線型馬達驅動之精密雷射切割機 [6,7]

本案建構使用管型線型馬達做為驅動源的PC-based CNC自動化精密雷射切割機台，用於生產PCB鋼板微形孔的精密切割。

圖4 精密雷射切割機台照片	圖5 XYZ軸的馬達組成控制架構

●精密雷射切割機台組成

機台外觀如圖4，重要的組件包含監控螢幕、觸控螢幕、機台護蓋、管型線馬、機台基座、雷射光源、雷射電源與驅動器等組件。

機台的主要規格如下：

• 定位精度0.5 mm
• 工作範圍700’850’100 mm
• 馬達最快速度120 m/min
• 馬達最大加速度1.5 g
• 切割速度~4000 aperture/hour
• 具雷射刀徑補正功能
• 具雷射聚焦控制功能
• 93年將開發雷射鋼鈑之切割特徵修補功能

線型馬達的組合，採用龍門型(Gantry)的架構，參考圖5。使用Gantry的組合，可以使線型馬達在最小的佔地面積下，達到最大的工作範圍。經由X/Y軸線型馬達的運動，將雷射光導引至工作平台上，進行鋼板的切割。Z軸使用旋轉式伺服馬達，用來控制雷射的焦聚。為提昇Y軸的驅動能力，採用雙軸線型馬達同動的驅動方式。所選用的線型馬達，線圈採用管型環狀的散熱方式設計，與一般採用扁平式設計的線型馬達相較，有較佳的散熱能力，所佔用的組裝體積也最精簡。雖然管型的線型馬達有上述的優點，但因必須由國外進口，所以價格昂貴。基於降價的考量，近期也與國內台中大銀微系統公司合作，使用該公司的Gantry線型馬達驅動系統進行評估與測試，若切割精度能與管型線馬相抗衡，則將可節省不少研發的成本。

●機台操控功能

機台的精密定位控制採用取樣頻率高達20 kHz的運動控制卡，該運動控制卡功能強大且極具彈性，所需要的功能，均可經由參數的設定加以規劃完成。所整合的功能包含：運動卡啟始設定、伺服迴路設定、PID控制參數設定、脈沖式伺服迴路設定、運動軸極限設定、機台運動控制、機台歸零控制、運動軌跡的設定、馬達致能控制設定、程式與預設值控制、雙軸同動控制(使用位置互鎖模式)、手輪輸入控制、數位輸出入的設定及機台緊急保護的程式設定等。

●視窗環境及CNC程式開發 控制程式利用個人電腦的視窗環境進行開發，為提昇效能，採用多執行序(Multiple-thread)的方式進行設計。所規劃的程式模組，有以下各項： MMI (人機界面與觸控螢幕界面) PLC (機台可程式控制邏輯模組) DEC (G/M碼控制程式解譯模組) EXE (運動控制模組) SYS (系統控制整合模組) LAS (雷射控制模組) SPC (製程整合統計資料模組) CMP (雷射刀具補正模組) RMT (遠距診斷與網路功能模組) 各程式模組之間的關係，以圖6的方塊圖簡單表示。後續將依機台操控的需求，陸續加入其他的程式模組。本機台對於CNC程式G/M的解譯上，主要支援GC-CAM的解譯模組，因必須加入許多雷射的控制功能，以及控制機台週邊的特殊M碼定義。G/M碼的定義與一般工具機常用，如Fanuc公司所支援的G/M碼定義有極大的不同。因此機台的控制程式，採用獨立開發的方式，使用其他套裝軟體並無法帶來應用的便利。此外，針對鋼板切割的需求，已自行開發加入特徵孔lead-in線段的程式模組，以及進行刀徑補正的程式模組。將所完成的控制程式，對機台進行測試，可以順利的將G/M碼加以解譯，並即時的將馬達的運動軌跡讀回與顯示，參見圖7。

圖6 控制程式模組化關係圖

●雷射系統整合 本機台所使用的雷射源，搭配英國Spectron公司所生產的Nd：YAG雷射模組，產品型號為SL-603T，該雷射模組的重要規格如下： 波長：1064 nm 光模式：TEM00 輸出功率：8 W (max) @ 1k Hz 脈衝頻率：500 ~ 1000 Hz 可程式脈衝時間：10 ~ 40 us 脈衝穩定度(RMS)：<2 % 光束品質M2 ：<1.2 雷射光束全發散角 1/e2 (mrad)：2.3 光點穩定度 (urad) < 100 最大脈衝能量@1k Hz (mJ)：8 最大峰值功率@1k Hz (kW)：3 原始光束直徑：0.8 mm

圖7 解譯G/M碼的即時控制結果

雷射控制系統的整合，也是採用單獨建立一執行緒的方式進行控制的整合。所整合的控制操作人機界面，參見圖8。使用的週邊，包括一組RS-232界面，負責主控電腦與雷射源之間的溝通，進行參數設定與狀態回傳等工作，經由RS-232對雷射模組進行設定的主要項目，包括雷射lamp-pump的頻率，脈沖能量，以及charger的電壓。至於訊息的回傳資料，包括傳輸埠狀態，冷卻水狀態，驅動模組狀態，Shutter開關狀態等。此外，運動控制卡的數位輸出，進行雷射光的Shutter開關控制，與助燃氧氣閥的開關控制等。 ●實測結果 圖9與圖10所示，為機台對0.15 mm厚的不鋼板，進行切割，在未進行毛邊去除後處理情形下，將經雷射切割後的鋼板，直接放在500放大倍率的顯微鏡下，所得的實測照片。從圖中的切割結果顯示，本研發機台的切割品質，已具商品化的水準。	圖8 雷射模組的控制界面設計
圖9 標準特徵孔的切割實測照片 圖10 小圓孔(直徑0.2 mm)的切割實測照片

四、線型馬達的應用與發展

圖11 線型馬達產業應用關聯圖

線型馬達在產業的之應用如圖11所示。如上所述，線型馬達為直接驅動的致動元件，無需滾珠導螺桿、皮帶或鏈條等傳動元件，具有高加速性、無背隙、行程長等優點，幾乎所有各型的旋轉式馬達，皆可將之轉變為線型馬達，只是應用時需搭配線性滑軌，若於精密定位的場合，必須採用光學尺或其它的線性感測元件，為了提高系統動態響應，還需搭配合適的驅動器及控制器。這些因素都使得線型馬達驅動系統的成本遠較傳統間接驅動系統高出3~5倍。但無論如何，對於直線運動的場合，欲提升性能，採用線型馬達驅動的系統遠優於傳統旋轉式馬達。

五、參考文獻

• [1]. 陳盛基、林鴻志， 2000年美國芝加哥工具機展出國公差報告，中山科學研究院，2000。
• [2]. 吳家振、陳盛基，2001年德國漢諾威工具機展出國公差報告，中山科學研究院，2001。
• [3]. 黃繼震、王相，2002年日本工具機展出國公差報告，中山科學研究院，2003。
• [4]. 廖聰明，數位化線型馬達驅動器研製，中山科學研究院委託學界研究期末報告，2003。
• [5]. D. Renton, M.A. Elbestawi, Motion control for linear motor feed drives in advanced machine tools, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 41, pp. 479-507, 2001.
• [6]. 雷衛台，高速線型馬達運動控制整合，中山科學研究院委託學界研究期末報告，2002。
• [7]. 王文智，高速線型馬達運動控制器研製，中山科學研究院委託學界研究期末報告，2001。