作者：Stuart F. Brown 

    想一想熟悉的圆桶型电动机，把它开个口子，展开成平面。接通电源后，一台线性电动机，作前后穿梭运动，而不是旋转运动。多年来，报刊上登载了大量文章，关于未来的武器轨道炮和磁悬浮铁路，火车和铁路是绵延数百英里长的“电动机”上的两个部件。现在的新闻是：从几英寸到50英尺长的平面电动机目前已经在现实生活中应用。

    这种机器能从左到右，自下而上，由内到外运动，速度快得惊人，就像惊险电影“宇宙来客”中追捕宇宙飞船乘员的恶魔一样。当电动机减速时，你可看到它的动作柔顺、稳定和平静。这幕芭蕾舞是在阿诺拉德公司的车间里表演的。该公司位于纽约州的华波布，业务蒸蒸日上，年营业额高达4000万美元，在推广线性电动机方面做了大量的开拓性工作。

    阿诺拉德公司的平面电动机可安装在像电子元件装配线、激光发射器和精密检测仪器这类设备上。设计者们正在研究如何把这种电动机应用在其他需要线性动力的机器上，电梯、飞行模拟装置、甚至转盘观光车都在考虑之列。在线性电动机大批量投产后，价格将变得十分便宜，可用于驱动电脑打印机机头，或者用于升降汽车车窗玻璃。

    目前最大的新市场是机床，线性电动机可以提高机床的运转速度、加工精度和灵活性，并可在极短的时间内转而加工其他的产品。理查德•奥格尔特里是福特汽车公司在密执安州迪尔伯恩“未来工厂”开发组的经理。他说：“线性电动机是100年来机械制造业的一项重大突破。”经过多年艰苦的努力，这个小组在一个实验生产车间里制造出了线性电动机。

    订单从各汽车公司和飞机制造公司纷至沓来，这些公司开始投资采购高性能的金属切削设备，这些设备都采用了平面电动机。在克莱斯勒公司的墨西哥制造厂，平面电动机被用于加工发动机缸体，在麦道公司的圣路易斯工厂被用于制造巨大的飞机机体部件。德国戴姆勒-奔驰汽车公司订购了两台线性电机，他们做了德国公司几乎从来没有做过的事情：为德国本土的汽车公司购买美国机器。

    当然，平面电动机并非适合一切领域。只有很少一部分靠电能驱动的运动是线性的，绝大部分的工作仍然要靠那种老式的、用途广泛的旋转式电动机，这种电机现在又有了几个新的特点。在马力相同的情况下，线性感应电动机由于使用了昂贵的磁合金，其成本要比旋转式电动机高出一至三倍。

    但应用在机床上，平面电动机替代了笨重的圆轴螺杠装置，在成本上的不利因素减少了30％，圆轴螺杠装置的原理是夹板下的螺母沿心轴上的丝杠移动，把电动机的旋转动作转换成推移动作。由多台以线性电动机为动力的机器组成的“加工单元”，可以极大地提高劳动生产率，有助于改善经济状况，有时效果是很显著的。大规模生产带来的高效率无疑为更广泛地应用这种电动机开辟了前景。阿诺拉德公司预测，当前，全世界的年销售量估计为6000万美元，在2000年可望增加到2.5亿美元。

    到线性电动机引起了人们愈来愈大的兴趣，阿诺拉德公司具有革新精神的总裁兼首席执行官安沃•奇塔耶特比任何人都更加欣喜。好几年来，人们一直在试图用电磁原理精确地控制线性运动。66岁的奇塔耶特花费了很大的精力才刚刚开头。奇塔耶特出生于伊拉克一个犹太家庭，40年代末到美国攻读工程学，毕业后留在美国，先在阿拉斯加州美国陆军从事雷达工作，后来在在1972年创建了阿诺拉德公司。当初计划为IBM这样的公司制造高速度和高精度的机器，这些公司需要加快计算机磁盘驱动器和主机上的多芯片组件的装配速度。

    随着市场上对高速度和高精密的机器需求的增长，奇塔耶特对传统的圆轴螺杠结构固有的细微颤动和反应迟缓感到不满。奇塔耶特回忆说：“15年前，我开始对线性电动机感兴趣，我问电动机工厂能否为我生产l000台。工厂认为无利可图，就拒绝了。于是，我决定制造自己的线性电动机。”

    奇塔耶特的努力在80年代得到了回报，他的线性电动机革新成果有一部分获得了专利，其中包括高效电子线圈及其制造方法、大功率电动机高速运转时用冷却液降温的方法。

    阿诺拉德公司还开发了电脑控制系统，使线性电动机能在极短的瞬间加速或者减速，而且能以误差不超过1微米(小于万分之一英寸)的精度停止在要求的位置上。这些先进的方法有助于处理稳定性方面的问题，如芯片制造厂处理细薄易碎的硅晶片等等。现在，阿诺拉德已经生产了30000多台线性电动机，正在需要高速度、稳定性和高精度的特殊机器中前后往复运转。

    面对取得的成功，奇塔耶特十分得意，他决定吸引更多的对此感兴趣的电机制造商参与合作，以提高产量、降低成本。最的情况颇为艰难，直到几年前，有消息说福特汽车公司在“概念验证系统”中使用了他的电动机，用来制造发动机的主要部件，情况才有所改观。奇塔耶特说：“各行各业的人在听说福特对线性电动机感兴趣，就开始找我们打听线性电动机的情况。”

    在80年代中期，福特汽车公司决心要找到一个办法，来解决长久未决的问题：即巨额成本和笨拙的移动加工系统。移动生产线——车间里的人就是这样称呼它的——是根据产品要求定做的怪物，有时比足球场还长，主要用于大批量加工某一种部件。当毛坯铸件通过这个系统时，数百台旋转着和固定的加工机械，将毛坯攻出螺纹、打眼和压洞，把铸件加工成闪光发亮的发动机缸体或者缸盖。问题是，这样一条巨大的、没有智能程序控制的、装备笨重的移动生产线只能制造专门为它设计的一种部件，不能按新的工序生产其他的部件。

    随着消费者需求快速地变化，福特需要实行柔性生产，以适应产品的快速调整和变化，这就需要能够按照市场要求进行小批量或中等批量加工机器设备。因此，公司决定采用加工中心——由计算机控制、能自动置换刀具的单轴机床，这些加工中心可对紧固在机器上的部件进行多种方式的加工。问题在于机器制造商在产品目录中提供的加工中心往往动作太慢，达不到汽车厂的速度要求。

    54岁的理查德•奥格尔特里承担了这样的任务：在全世界范围考察机器制造厂和大学研究小组，以求制造出超高速加工中心的样机，他是福特公司未来工厂开发组的经理作为电子工程师，他曾在公司制造部门的好几个地方工作过，他最近的两项任务都集中在柔性加工机器上。

    奥格尔特里回想起一件事，从秒表记录中上可以看出，现在的机床在加工过程中，要前后移动刀具找准加工部件的位置很费时间，更换新刀具也同样如此，实际用在切削金属部件的时间少得可怜。加工中心中的圆型螺杠装置能使心轴每分钟前后移动300英寸。奥格尔特里设想把心轴推进速度加快十倍，就象蜂鸟从花朵中采集花蜜一样。这使他想到了线性电动机。阿诺拉德公司参与了这个计划，后来，福特有选择权购买这家私有公司16％的股权。福特意识到，必须找一家有经验的机床制造商来参与合作，这个计划才有可能获得成果，它决定与伊利诺伊州罗克福德的英格索尔铣床厂联手。来自三家公司的工程师历经数年，埋头苦干，解决问题，做了好几代样机，终于在英格索尔铣床厂非常秘密地研制成功了高速加工机器，这种机器能以不同的批量生产各种部件，而这样的批量太小，用加工中心生产不合算。奥格尔特里自豪地带着来访者参观了他那小型实验机器车间，这个坐落在迪尔博恩工厂一角的实验车间整洁、明亮，机器在运转。迪尔博恩工厂主要是用传统的设备生产Escort汽车上的四缸发动机。试验的“加工单元”里有两排米色的高速加工中心，铭牌上印着“英格索尔”。负责材料的机器人将部件——待加工的4.6升V型8缸豪华汽车的汽缸盖和缸体——从一台机器移到另一台机器。

    汽缸盖制造单元有四台加工中心，每台只有一个多功能的高速心轴，它能担当在移动生产线上数百个单功能心轴所做的工作。线性电动机在三条轴线(称为x，Y和z)上来回移动，它是使心轴定位的主要力量，而这些心轴又反过来从高速旋转中的电动机获得动力。一只玻璃罩把机器操作工人和里面猛烈运作的机器隔开，透过玻璃罩，人们可以看见闪亮的碎屑和乳白色的冷却液在里面四处飞溅。刀具贴近加工部件，缩回，再定位，并且重复着同样的动作。瞧!现在出现的许多孔眼是用来紧固发动机上的气缸盖的螺栓的。

    福特的工程师们几个月来小心翼翼地把机器开足马力，这样可以从小故障而不是从大灾难中找出缺陷。目前，这两个单元每小时能制造三个v8型的发动机缸体和五个缸盖。奥格尔特里说，把两个加工单元的机器增加三倍，这个车间就具备了进行中等批量生产的水平。这些机器还具有多功能性。如果福特的某个工厂生产环节出现障碍，他说：“我们只需给加工中心重新输入程序，更换紧固加工部件的卡具，就可以转产类型完全不同的汽缸，速度很快，成本极低。”

    奥格尔特里制造的高速设备系列被福特公司看作是一个试验场所，一个展示这些设备的各种功能的地方。奥格尔特里说：“我们在兴建新的工厂时，将更广泛地应用这项新技术。制造行业的人都在寻求高速度和灵活性。现在，这项技术成功了。”他说的数字令人相信，这些加工设备很有吸引力。虽然一套高速加工中心售价约为90万美元，是传统产品的两倍，但由于这种机器运转速度快，所需的台数就相应减少了，机器人、起重机和在各加工中心之间搬运加工部件的传送带之类的机器也相应减少了。全部安装预算约比普通设备高出20％，但新的加工中心的工作量却增长了2.5倍。

    福特在德国科隆的工厂在全公司最先安装了整套的高速加工机器，大批量生产传动变速器。在由德国艾斯林根的艾克斯-赛尔-奥公司提供的机器上，采用了克劳斯-马菲公司生产的线性电动机，这家公司是阿诺拉德在德国的竞争对手。奥格尔特里说：“美国的工厂在更新设备时，将会采用高速加工机器。”

    英格索尔公司的董事长埃德森•盖洛德同样热情地支持线性电动机，然而他很快便说了一句称赞移动生产线的话。英格索尔公司太了解这些生产线了，它早在1924年就在美国制造了第一条移动生产线，用于生产亨利。福特的T型汽车。他说：“如果有能够大量销售的产品，移动生产线仍然是了不起的机器。”盖洛德在约翰•韦恩风靡影坛的年代就是机械行业竞争中锋芒毕露的老将，他的祖父温思罗普•英格索尔于1887年创立了这个公司。“移动生产线能使你发大财。但是如果你的年加工量不足10万个部件，你最好还是使用柔性机器。”

    说到线性电动机，盖洛德回忆起为了把它应用在可供销售的机器上，公司在工艺制造方面花费了巨大财力和物力，他动情地说：“我们以为完成这个项目只需三年时间，而现在已是第11个年头了。”公司在制造线性电动机方面的经验，还是在为波音司生产了一台实验机器以后才有的，事实证明高速运转是切实可行的。然而，工程师发现了比速度更重要的事情，线性电动机本身在加速和减速方面具有比圆轴螺杠装置或其他机械装置更快的能力。把这个发现转变成生产，本身需要花费时间和精力。    

    盖洛德说：“简直就像魔术一样，机器从零开始，加速至每分钟3000英寸，然后在极短、极短的时间内复回到零位，精度误差小于1／1000英寸。我们花了七、八年时间才解决了这个问题。现在我们最新的机器仅用1 5％的时间进行加速和减速，其余时间全速运转。要与移动加工设备进行竞争，你必须这样做。”

    在英格索尔充分利用线性电动机奇妙的动力之前，还有一些潜在的问题要加以解决。一个是心轴，它以惊人的速度平稳地切削金属，心轴的转速极高，每分钟达20000转，甚至更快。其他的问题包括开发计算机控制系统，加快复位的速度，以保持与机器同步运转，此外还要研制更好的刀具材料。往往是旧的问题解决了，又产生了新的问题：速度提高了，刀具却折断了；改进了工具，又提高了速度，可是工具又断了。如此等等。”    

    最终，设计者们使用了有限元分析软件，这种软件用来显示复杂的应力结构，确定要在结构中增加或减少什么样的金属成分，设计师们在这个软件的帮助下，研制出了强度高、重量轻的机器底架，它加速时就像去掉了附加装置的高速赛车一样。机床设计者传统上采用增加铸铁的方法求得机械刚度，但是对于需要超高速运转的部件却不合适。

    物有所值。英格索尔花费了一个多世纪的时间，无畏无惧地设计了千篇一律的、特别定做的适于各种用途的机床，现在公司发觉它本身有两种标准的高速机床型号，而且不能只生产一种。盖洛德说：“生产两种一样的东西对我们的企业文化来说是一件令人震惊的事情。”为了避免影响外界对企业的印象，英格索尔另外建立了一个专门生产高速机床的部门，主动向重复生产发起了进攻。

    英格索尔50年来第一次在“国际机床展览会”上亮相，这个规模盛大的展览会于去年初在芝加哥举行。英格索尔用载重汽车把HVM 60型高速加工中心运到展览会上，引起了广泛的注意，后来，位于明尼苏达州新布赖顿的雷梅尔工程公司购买了这套加工中心。这家公司将用它为Bombardier公司的Seadoo私人船艇加工发动机的曲轴箱。

    一些汽车公司已经掏出钱袋，要购买英格索尔公司的高速加工中心。具有讽刺意义的是，尽管福特参与了艰苦的研究与开发工作，克莱斯勒比福特更快地下了订单。克莱斯勒为它在墨西哥托罗卡市的工厂定购了5套加工中心，用来制造5.9升V8型发动机外壳，这种发动机是为很流行的Ram牌小卡车配套的。这家工厂总共将订购17套机器，其中5台用于生产气缸盖，工厂的发动机年产量将跃升至85000台。

    最令盖洛德自豪的是，还有一批机器已经备妥，等待运往德国的戴姆勒-奔驰汽车公司。这批机器将用来为今年夏季投产的一种小型的“斯沃奇”式的小汽车加工汽缸盖。他无不炫耀地说：“这是一笔具有里程碑意义的订单。因为德国汽车公司从未也没有买过美国制造的机器。我们费了17年的功夫才卖给他们一套刀具，而且还是在德国生产的。但这次，他们给了我们这笔生意，因为他们知道我们已经掌握了未来的技术。”

    飞机制造公司也正在探求利用以线性电动机为动力的机床的可能性。英格索尔负责重型机械业务的副总裁丹尼斯•布雷说，美国和欧洲的客户已经订购了两套庞大的加工系统，设备的长度约80英尺。用来制造大型的、复杂的部件，如翼梁，它需要又薄又有刚性的翼肋，以确保机翼的既坚固又轻巧。

    在圣路易斯市的麦克唐纳-道格拉斯公司正在使用英格索尔公司为其定做的机床，上面装有线性电动机，它铣下一块18英尺长的厚铝板，加工成货舱上用的活动弦梯隔板，这是专为空军C-17运输机配套的。战略现代化小组的经理拉里•库伯斯基说：“我们的机器的切削速度比过去传统的机器快五至十倍。表面抛光加工和部件的精度加工都是一流的,几乎完全不用手工操作就能完成加工任务。”

    性电动机的市场需求不断增长，对此，阿诺拉德公司的奇塔耶特认为，授权其他大公司使用它的技术将给自己的公司带来很大好处，与此同时，公司将继续进行研究和开发活动，进一步提高工艺水准。日本的Fanuc公司和弗吉尼亚州拉德福特的科尔摩根公司的机械装置技术部已经同阿诺拉德签订协议，生产该公司设计的线性电动机。在伊利诺伊州埃尔克-格罗芙的西门子能源和自动化公司利用阿诺拉德线性电动机开发出了成套的机械装置控制系统。

    从近期来看，机床厂似乎像是平面电动机最强劲的市场。日本Mitsui Seiki公司等制造商在芝加哥机市展览会上展出了以线性电动机为动力的精密测量体系。位于新罕布什尔州基恩的金斯贝里公司开始制造具有自己特色的高速加工中心，取名为“电脑单元”。辛辛那提迈拉克隆等大型机器制造厂也在着手制造线性电动机。

    奇塔耶特预见到，随着线性电动机的价格下降，它的用户将会越来越多。他的公司计划在一年之内推出新一代的电动机，它将使用一种能量更大而价格较为低廉的磁合金，而且全自动化的生产方法将扩大对这种产品的需求。奇塔耶特预言，在未来两年内，线性电动机的价格将比现在的一半还低。这位发明家在沉思：“不要很久，人们将会发现更多的领域可以使用这些电动机。”

    带智能控制的旋轴式电动机

    微电子革命把新的复杂性注入了缸形的东西——旋轴式电动机。体积越来越小和愈来愈便宜的集成芯片使得阿肯色州史密斯堡的鲍多尔电气公司——电动机制造行业中最老的公司之一把电动机和精巧的变速的控制器或者换流器组合在一起，制造出了“智能型电动机”。鲍多尔电气公司市场研究和计划经理达里尔•范•桑说：“不久前换流器比电动机还大，现在反过来了。”在工业用途上，这些电动机可以调节成以连续的转矩驱动等速的传递带，也可以调成不同的转矩，驱动像泵和鼓风机等需要在运转中改变速度的负载。

    鲍多尔电气公司还制造精密的电动机控制装置，名为导向传动系统，它用高速的微处理器来分别控制电压和电流。这个装置有一个旋转的解码器，它把转速和方位等信息以数字形式送回控制装置。其优点是精确地控制了速度和转矩。一个导向传动装置可使电动机在全速转矩的情况下降至每分钟零转，使电动机停转并在重载情况下处在确切的位置。

    看一下旋转的方法，鲍多尔电气公司正在研究名为预测维修系统的软件，就像核电厂使用的那一种。它能监测和分析一台电动机发出的电流，原理就如同一位医生要听一下你的心音一样。范•桑说：“这种方法在实际应用中能感觉出电动机的轴承中有多少个滚珠，哪些已经磨损了。”这对需要每天24小时连续加工的行业是极有价值的信息，因为每一分钟的停机都会损失大笔金钱。

    然而，鲍尔多电子公司对线性电动机持十分谨慎的态度。数年前，公司曾向提供英格索尔公司提高控制器，用于为福特汽车公司制造的高速机器中心上。当时，它考虑过建立一家合资企业，制造阿诺拉德公司的线性电动机。然而，在详细地考察了制造设备开发方面的一些复杂问题之后，鲍多尔电气公司决定坚持生产它最了解的产品——那个圆东西。

    译者：李正中