速机床用直线电动机和精密高速滚珠丝杠副

HEATS · 发表于 2010-10-22 00:19:21

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　　作为装备制造业核心加工设备的数控机床正向高速、高效、高精度、智能化、复合化、环保化方向发展。在高速和超高速加工中，要求高的动态特性和控制精度；瞬间达到高速和在高速运行中瞬间准停；振动小、噪声低、运行平稳；可靠性高、寿命长。在各类线性驱动元部件中，精密高速滚珠丝杠副(Precicion High- eed Ball Screws——本文简称PHS- )和AC直线电动机(AC Linear Motor本文简称AC-LM)是大型、精密、高速数控装备的快速伺服进给系统中能满足上述要求的核心功能部件。

　　迈入数控装备领域的AC直线电动机

　　直线电动机是借助于电磁作用原理，直接将电能转换为直线运动的驱动装置。世界上第一台直线电动机是英国物理学家惠斯登(Sir Charles Wheatstone)发明，并于1845年取得专利。最初以高速运输和牵引为主，经过不断改进后应用范围逐渐扩大到电脑及办公设备、半导体制造装备、医疗装备、工业自动化、自动绘图仪等等。根据不同应用场合的差异，直线电动机的种类也很多。近年出现一种由直线电动机与铝合金滚柱导轨组合的高速线性驱动部件。Vmax=600m/min，加速度4g，应用在快速抓取和放下的场合。图1为中国台湾HIWIN公司的LMS、LMC小推力伺服直线电动机，Vmax=210m/min。

　　随着控制技术、电子技术、材料技术的发展，直线电动机经历了由快速轻载到快速大推力，由一般工业领域向大型、精密、高速数控装备领域发展的过程。美国Ingersoll公司于1982年开发出用AC-LM驱动的高速加工中心样机，在EMO’93展会上Ex-cell-O公司首次展出在各坐标轴上配置感应式直线电动机(Indramat公司生产)的XHC240型卧式加工中心，各轴快移速度80m/min，加速度1g，定位精度0.004mm。上述公司迈出了AC-LM在数控机床上应用的第一步。AC-LM作为高速、高精度、高刚度的直接驱动系统已引起业界的高度重视，在随后的EMO’97又掀起了“欧洲的直线电机热”。

　　中国虽然早在1969年浙江大学等单位就开始研究工业用直线电动机，但是AC-LM在数控机床上的应用还是最近十多年的事情，清华大学、广东工学院、沈阳工业大学、哈工大等单位在研究AC-LM用于高速数控机床方面做了大量工作。清华大学承担了国家“十五”科技项目，并与江苏瑞安特公司联合推出“数控机床用直线电机及伺服系统”，在CCMT2004(上海)展会上展出。中国用于数控机床的AC-LM仍处于成长期，离专业化生产还有一定的距离。近年来，中国研发高速、高档数控机床的企业开始采用AC-LM，但多数是从国外进口。

　　笔者曾在CIMT国际机床展会上对参展的88台高速数控机床作过调查，其中有23台采用AC-LM，占所统计台数的26%。国外知名企业例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK等在他们的高速、高档CNC机床中都采用了AC-LM，并把AC-LM作为创新和市场竞争的亮点。据业内资深学者指出：直线电机作为一种机电系统，将机械结构简化，电气控制复杂化，符合现代机电技术的发展趋势。

　　AC-LM进入机床领域后，这种全新的直接驱动方式使传统的机床结构产生重大变革。AC-LM作为高性能、高速化的核心功能部件，将在数控机床特别是高速数控机床的产业链中发挥十分重要的作用。

　　向AC直线电动机挑战的精密高速滚珠丝杠副

　　具有成熟制造技术和产业化规模的滚珠丝杠副，从它诞生至今已有100多年历史，在中国也有46年历史。其产品功能随主机的发展不断扩展、提高，从最初的“敏捷省能传动”(上世纪六十年代前)到“精密定位”(上世纪七十年代后)，再从“大导程快速驱动”(上世纪八十年代)到“精密高速驱动”(上世纪九十年代中期)，“速度”与“精度”的发展可谓与时俱进，特别是进入21世纪，PHS-得到迅速发展，成为数控装备伺服快速进给系统中与AC-LM并列的两颗耀眼明星。

　　当滚珠丝杠与滚珠螺母相对位移时，其加速度≥1g、线速度≥60m/min、或DN值≥120000(DN值的定义是：滚珠丝杠副公称直径do(mm)和滚珠丝杠与滚珠螺母相对转速n(r/min)的乘积)、精度达到P3级以上(国家标准GB/T18587)，而各项性能指标(力矩变化、刚度、温升、噪声等)满足主机要求者，就可称之为精密高速滚珠丝杠副(PHS- )。

　　由于滚珠丝杠副优良的滚动摩擦特性和传动效率高(η=90～95%)、传动敏捷灵活等功能，使其具备提速的有利条件。提速有三个途径：(1)加大导程，这就是我们常说的大导程(或超大导程)滚珠丝杠副。因增大不利于提高导程精度，而且进给系统的静刚度迅速下降，所以只适用于对定位精度要求不高的快速驱动场合。(2)兼顾精度、速度、动态特性，适度增加和n(转速)以及螺纹头数。因为受临界转速Nc的制约，追求高转速是不可取的。(3)从产品结构和驱动方式上进行改革创新，例如：变丝杠主驱动为螺母主驱动；变单驱动为双驱动；丝杠空心化、螺母小径化、滚动体轻量化等。

　　PHS-的出现起源于上世纪九十年代中后期，日本K公司首先推出专用于高速数控机床的HMC系列，直径Ø36～55 mm、=16～32mm、Vmax=116m/min、加速度1.3g、DN值=13万、精度C3～C5(JIS标准)。近年来，世界上知名的滚珠丝杠制造企业先后推出一批DN值≥150000(220000)，V≥120m/min(200m/min)、加速度≥1.5g的静音PHS-产品，例如：日本K公司的和S3系列、THK公司的K系列、中国台湾HIWIN公司的Super S系列、PMI公司的FSW系列、德国Rexroth公司的FDM-E系列、西班牙Korta公司的NTG系列等。中国最早从事PHS-研究的是北京机床研究所，在“九五”攻关中完成了GSZ2000型高速滚珠丝杠副综合测量仪的研制，随后山东济宁博特公司与山东工业大学合作也研制成功BTJS-03高速滚珠丝杠副测量仪。目前国内PHS-的水平是：Vmax≥60m/min(80m/min)、加速度1.4g、精度≥P3级、DN值≈140000。

　　归纳起来新一代PHS-具有以下特点：

　　对循环返向装置进行了优化设计。试验研究证明循环返向装置是直接影响PHS-滚珠流畅性和动态特性、振动和噪声的关键环节，它制约了DN值的提高。早期的PHS-采用厚壁切入式的导珠管，使滚珠螺母螺旋线的延伸方向与导珠管对接。近年又流行一种新的内循环结构，它是在滚珠螺母的螺旋线两端配置“端塞式”返向装置，使DN值达到200000，噪声降低6-7dB(A)，螺母径向尺寸缩小30%左右。

　　优化滚珠链结构。为减小高速旋转时滚动体的离心力，采用小径球、Si3N4陶瓷球或DS改质球。为了隔断滚动体在高速运转时相互碰撞、挤压、摩擦，在滚珠链中增加用特殊工程塑料制作并有润滑功能的隔离器，从而有效降低温升和噪声，增加滚动体的流畅性。

　　为减少高速时“楔效应”对滚动体流畅性的影响，对内外螺纹滚道的几何参数进行优化设计，并降低滚道面的粗糙度，或对表面进行改质处理，改善摩擦特性。

　　将滚珠丝杠做成空心，从丝杠内部实施强冷。有的企业还在内孔中配置阻尼棒，抑制高速时的振动。HIWIN公司的“Cool Type I”系列还同时对滚珠螺母实施强冷。

　　近年德国Rexroth、INA、日本THK等公司推出AC电机直接驱动滚珠螺母的高速线性驱动装置(详见《中国机械与金属》2005年12期)。

　　丝杠和螺母分别由两个AC电机驱动，借助于两者转速大小和施转方向的叠加，既可成倍提速，又能实现微量进给。充分利用滚珠丝杠副能完成同步运动的功能，采用双电机双丝杠驱动方式，提高伺服进给系统在高速时的平稳性，改善动能特性，例如：美国CINCI ATI LAMB公司的HPC-800HP高速卧式加工中心(见图3)。此外，德国DMG的DMC63H，瑞士DIXI公司的DHP-80-5x，日本牧野公司的A55E，中国大连机床集团的DHSC500，宁江机床集团的NJ-5HMC40等，也采用双电机、双丝杠驱动。

　　美国CINCI ATI LAMB公司的HPC-800HP卧式高速加工中心X、Y、Z三轴采用双PHS-驱动，V=80m/min，加速度1.5g。框中框结构的双驱动大大提高了快速进给的稳定性

　　根据笔者在一次CIMT国际机床展览上的调查统计及随后的跟踪可以看出：在中档高速数控机床中，采用PHS-依然是主流，而部分高档、高速数控机床中采用PHS-也屡见不鲜。

　　双星同台亮相、各显亮点

　　德国DMG公司以批量生产各类高性能数控装备著称，在其伺服进给系统中采用AC-LM较早，而且采用率也是很高的(均在机床型号后标注“Linear”)，该公司对AC-LM和PHS-的配置有三种类型：

　　各坐标轴全部配置AC-LM驱动的“快速型”数控装备。例如：DMC85V Linear、DMC75V Linear、DMC105V Linear、DMC60H Linear、DMC80H Linear以及DML80-Fine Cutting激光加工机等。

　　混合驱动型。例如：DMF500 Linear动柱式大型立式加工中心，在X轴(行程5m)配置AC-LM，V=100m/min；而在Y、Z轴则采用PHS-，V=60m/min。此外，CTV250、CTX300、CTX420、DMC104V、DMF220F、DMF360F等均属混合驱动型。

　　各坐标轴全部配置PHS-驱动的“强力型”加工中心。例如：DMC63H高速卧式加工中心，X、Y、Z三轴全部采用PHS-驱动(Φ50，=35)，V=80m/min，加速度1g，定位精度0.008mm。此外还有DMC80H和DMC100H、DMC125H (duo BLOCK)以及DMC60T等。

　　AC直线电动机与精密高速滚珠丝杠副的对比PHS- AC-LM说明线性伺服进给系统主要环节CNC-伺服电机-无隙连轴器-止推轴承-PHS/ -冷却系统-滚动导轨-螺母座-工作台闭环CNC-电机动子-强冷系统-滚动导轨-位置感测器-工作台AC-LM称为直接驱动，PHS-是非直接驱动驱动线速度(m/min) 60～100(120)，速度范围有限60～200(600)，速度范围广前者当n↑，↑；Vmax＝200m/min；后者最小：1µm/s加速度(g) 0.5～1.5(2) 0.5～10都要求运动部件轻量化定位、重复定位精度(µm)较高(2～5)很高。光栅闭环控制：0.1～0.01 AC-LM在高速位移状态下可达亚微米级定位精度，跟踪误差小运动的平稳性(%速度)较好，10%很好，1% PHS-采用双头螺纹、双丝杆驱动可改善运动的平稳性行程范围有限无限PHS-一般不超过5m控制系统较简单，技术较成熟较复杂，要求高(全闭环控制)负载变化直接作用于AC-LM，由于端部效应、齿槽效应等因素，使伺服控制复杂化，难度加大热特性已有较成熟的技术抑制温升与热变形处于主机腹部的AC-LM是高发热部件，需采取强冷措施达到相同目的，后者要付出更大的代价工作噪音较低静音前者已开发出高速静音产品轴向推力较大(与丝杆参数有关)较小(一般＜10kN)采用多台AC-LM并联，可提高轴向推力，但布局困难产生相同推力所消耗的能量较小较大(功率损耗超过输出功率的50%) PHS-属于节能、增力型传动部件寿命(h)，可靠性6000～10000，可靠性较高≈50000，无机械磨损，寿命长，可靠性高PHS-的可靠性与制造品质有关，AC-LM的可靠性受控制系统稳定性影响对周边的影响没有影响必须采取有效隔磁与防护措施，隔断强磁场对滚动导轨的影响和对铁屑磁尘的吸附AC-LM法向磁力与轴向推力之比大约为4:1～5:1工作效率高更高，可使主机生产效率提高20%以上制造成本比普通滚珠丝杆高，比AC-LM低得多成本高，售价昂贵AC-LM在中国的制造技术成熟和量产后，成本和售价可望下降AC-LM和PHS-这两颗明星被DMG公司活用，在其主导产品中同台亮相，精彩纷呈。驱动方式的多样性还表现在同一企业的同一型号、系列的高速数控装备上，根据不同的使用场合，配置不同的驱动方式。例如德国Grob公司的BZ500型配置PHS-，而BZ500L型就配置AC-LM；日本大隈铁工的MA-400HA型配置PHS-，而MAC-Star-400型配置AC-LM；德国Hueller-Hille的echt63系列配置PHS-，而echt 500L系列配置AC-LM等等。DMG和某些公司只在长行程的X轴配置AC-LM，意在提高机床的动态特性、定位精度的同时，最大限度缩短非加工时间，提高生产效率，而其他轴仍采用PHS-驱动，从而使机床的性价比对用户更有吸引力。这种“混合驱动”的模式是吃透了AC-LM和PHS-两类功能部件的“功能”而进行的优化组合，把最大限度满足用户个性需要作为目标，在创新中追求最佳的性价比，这样的设计理念能真正给用户带来实实在在的效益。“混合驱动”的模式客观地反映了市场需求的多样性，并折射出两颗明星的亮点。

　　事实上，AC-LM和PHS-两种驱动方式尽管各有优势，但也有自身的软肋。表1对AC-LM和PHS-进行了对比，由此可以看出，两者在数控机床上都有各自最佳的适用范围。

　　AC-LM驱动在以下数控装备领域具有得天独厚的优势：高速、超高速、高加速度和生产批量大、要求定位的运动多、速度大小和方向频繁变化的场合。例如汽车产业和IT产业的生产线，精密、复杂模具的制造。

　　大型、超长行程高速加工中心，航空航天制造业中轻合金、薄壁、金属去除率大的整体构件“镂空”加工。例如美国CINCI ATI公司的“Hyper Mach”加工中心(46m)；日本MAZAK公司的“HYPERSONIC 1400L超高速加工中心(见图4)，x、y轴采用AC-LM，快进速度120m/min，能将整体铝块镂空成飞机零件(Z轴仍用PHS- )。

　　要求高动态特性、低速和高速时的随动性、高灵敏的动态精密定位。例如，以Sodick为代表的新一代高性能CNC电加工机床、CNC超精密机床、新一代CPC曲轴磨床、凸轮磨床、CNC非园车床等。

　　轻载、快速特种CNC装备。例如德国DMG的“DML80 Fine Cutting”激光雕刻、打孔机，比利时LVD公司的“AXEL3015S”激光切割机，MAZAK的“Hyper Cear510”高速激光加工机等。

　　日本MAZAK公司Hypersonic 1400L型超高速龙门式加工中心。X、Y轴采用直线电动机驱动V=120m/min我们再来分析PHS-的最佳应用场合。虽然PHS-的DN值已经历了从7万到15万再到20万(22万)的提速进程，从表1可看出，由于存在纯机械传动的软肋，其线速度、加速度、行程范围的增加总是有限的。就以日本K公司的新一代和S3系列为例，在其产品样本中介绍DN值达22万，若选用Φ40×20mm的产品，则Vmax=110m/min，因Nmax=5500转/分转速很高，行程范围受临界转速Nc的制约显然不可能太长。若采用大导程Φ40×40mm产品，则Vmax=220m/min，这显然又不能满足定位精度高的场合。能达到DN值22万从一个侧面反映了该企业的设计、制造水准。如果我们选择Φ40×20(双头)mm产品，在n≈4000~5000转/分，V=80～100m/min状态下使用，其安全性、可靠性、工作寿命均可高于预期值。事实上到目前为止，在高速高档CNC金切机床中(CNC成形机床除外)尚未见到要求快进速度V≥20m/min仍采用PHS-驱动的成功范例。据笔者调查分析：PHS-的最佳应用场合是：要求V=40~100m/min，加速度0.8~1.5(2.0)g，精度P3级以上，行程范围在3m以内的中档高速数控装备和部分高档数控装备。

　　关于振兴和发展的思考

　　最近在《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》中提出：“发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件，改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状，满足机械、航空航天等工业发展的需要。”AC-LM和PHS-是大型、精密、特别是高速数控装备中十分重要的线性驱动功能部件。国家发改委主持制定的《数控机床发展专项规划》(草案)中把高速加工功能部件的开发、高速驱动技术、精密加工技术等列为关键技术。显然，尽快实现数控系统、电主轴、AC-LM和PHS-等主要功能部件的国产化、产业化，是振兴中国大型、精密、高速数控装备的当务之急。

　　加快振兴、刻不容缓。在中国，用于实现高速驱动和精密定位的这两类功能部件的发展滞后于市场的需要，与海外存在明显差距。以PHS-为例，当海外都已推出第二代、第三代产品时，中国仍处在PHS-第一代产品研制的初始阶段，没有商品化。至于用来装备高速、高档数控机床的AC-LM，目前还没有一个技术实力雄厚、具备量产条件的企业向市场提供产品，尚未走出“学院模式”研究阶段。应当清醒地看到：刻不容缓地加快发展AC-LM和PHS-，是中国数控装备国产化、产业化的紧迫渴求，也是增强中国综合国力的时代需要。

　　并肩发展，优势互补。虽然AC-LM和PHS-并行不悖地在发展，但是，不同的国家有不同的国情，不同企业各有长短，海外对待两种驱动方式的认知度、采用率也是有差异的。而中国的国情是：地大物不博、人口众多、劳力资源丰富，要从中国的国情出发，以科学发展观和新型工业化的指导思想来统筹规划AC-LM和PHS-的发展，不可偏废，缺一不可。即使将来AC-LM的技术成熟了、产量上去了、成本下降了，从节能降耗、绿色制造的角度思考，PHS-驱动仍有其广阔的市场空间。在AC-LM将成为高速(超高速)、高档数控装备中的主流驱动方式的同时，PHS-依然会继续保持在中档高速数控装备中的主流地位，但是如果PHS-盲目追求高指标，在AC-LM的优势范围中去“硬拼”，恐怕是得不偿失的。

　　科学发展，重在基础。分析中国PHS-发展缓慢的原因，主要在于企业长期忽视基础理论和性能试验方面的投入，发展后劲不足，面对提速后暴露出来的问题不知从何处下手解决。由于我们在滚动螺旋副的摩擦理论、高速和微动时的摩擦特性、滚动体在不同工况下的运动机理、振动与噪声、力矩特性、动静刚度特性等基础理论方面缺乏深入研究，制约了提速的进程。而AC-LM在全数字控制技术、散热、隔磁、电磁干扰、零位方式、增大推力、降低能耗、部件模块化等方面还有大量的基础工作要做。中国高校和科研院所在这方面的研究成果，要尽快转化为生产力，要用先进的科技成果和在实践中不断创新来推动AC-LM和PHS-的国产化、产业化。

　　有序发展、正确导向。要对中国的数控装备市场作深入调查，冷静分析。在数控装备中，高速、超高速占多少？高速金切机床、成形机床各占多少？轻载和大型重载占多少？据有关人士预测，到2010年全球将有大约20%的数控机床采用AC-LM。经验表明，数量的预测往往不够准确，如果这个20%是指全部数控机床，那么高速数控机床呢？中国是不是也占20%？我们对市场的分析切忌主观推断，盲目乐观。

　　无论是发展AC-LM还是PHS-，都要吸取以往发展某些机电产品的教训，避免盲目上马、低水平重复、浪费资源。同时，与AC-LM和PHS-配套的相关功能部件要同步发展，例如高速、高刚度精密滚动直线导轨副、制动装置、防护装置等。【MechNet】

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