高效机床的运动控制解决方案

中德今立

　　机床正向高速、高效和复合加工的方向发展，与之配套的运动控制也愈发受到关注。
　　机床高速发展的有力保障
7 v) a2 V2 L2 q: l, g9 h　　Heinrich Willms先生：在过去的数年中机床发展一直向着高速，高效和复合方向发展，这个趋势将继续延续下去。
( P/ z  u4 k: {- C' K4 p! }　　目前为满足高速复合机床的发展需要，滚珠丝杠的发展也有了新方向，最新机床使用领域的开发对滚珠丝杠的结构设计提出了新的要求，如为了减小自身重量而设计出的空心滚珠丝杠，为了增加相对运行速度而设计出的同时带有左右旋的丝杠，特殊的带套螺母以及其他螺母结构适合任何一款机床设备的需要。
　　高速滚珠丝杠的出现主要是通过改变反向器轨道的几何形状和材料来达到的。滚珠丝杠的运行速度直到100m/min是毫无问题，即使在这么高的运行速度下机床仍然保持很高的刚性，较低的耗能。
. n* x+ S& K( P+ }6 k, U　　以前大型机床的制造都是通过人工实现的。现在的大型机床，如船舶业的柴油发动机制造装置以及发电装置都可通过数字化控制实现。在这一领域就迫切需要高效，超长的大直径滚珠丝杠。目前世界上已经出现可生产20m滚珠丝杠的大型机床设备。这为滚珠丝杠在超高负载领域的新发展奠定了基础。
# _; D/ ^1 G, F6 g8 h　　大仓胜利先生：当前机床的发展趋势无疑是高速化、复合化。THK自1972年刚开始研发LM导轨时起，就已经着手机床的高速化了。将传统的滑动导向机构改变为滚动导向机构，使得机件的移动速度提高了2倍多，目前的高速机床中LM导轨已成为必备部件。LM导轨本身也在逐年进步，现在已能实现60m/min以上的高速运行。
+ [6 ?( ]2 C" i1 B: u8 x　　机床工作的要素之一，是加工中存在必需的切削推力和切削反力。电机作为动力源使滚珠丝杠轴旋转，从而转化为轴向驱动，这时的滚珠丝杠有两个作用：一是驱动作用；二是在产生加工所需切削推力的同时，承受切削反力等负载的作用。滚珠丝杠的螺距因导程(每转的移动距离)而异。通过螺距将电机的旋转周向力转换为轴向力，即还起着减速机的作用，使很小的电机也能产生很大的轴向力，滚珠丝杠确实是一种非常重要的机械部件。
2 H8 V" g0 d0 a4 ?; t2 s' a　　线性电机则不具有减速机的作用。因此，在承受切削反力，或停止时都要耗费很大的电力，这是它的缺点。其优点是，可通过线性标尺在作用点(加工点)附近进行位置检测。还由于零件数量少，组装零件时相互间的误差也较少，定位精度优良。它没有通常电机、丝杠驱动中的旋转运动，不受离心力等的影响，因此速度可达丝杠驱动时的2倍以上。今后以线性电机为主要应用领域的是通过超高速主轴加工的无切削推力的精细加工和亚微米精度加工。
　　于宙先生：目前，国内生产的功能部件经过近几年的高速发展，水平提高很快，和进口产品相比，差距正逐步缩小，高速滚珠丝杆副的速度已能达到60m/min，在中档和中高档产品上已能替代进口产品，尤其是在大型重载滚珠丝杆副方面，已形成自我配套能力，逐步替代进口产品。但是，由于国内生产厂家对高端功能部件的研究和试验重视程度不够，缺乏有力的数据说明，加之高端功能部件市场长期以来一直由国外产品把持，主机厂家对国内产品信任度不高，影响了国内功能部件产品的销售。
　　滚珠丝杠PK直线电机
　　萧瑞华先生：直线电机是一种取代旋转运动而产生直线运动的电机。推进力直接产生在运动部件(滑台)上，不再需要用于将回转运动转换成直线运动的附加机构。因此其定位和重复精度较高，同时具有较高的速度和加速度。结构上较少的摩擦件保证了高可靠性。直线电机免维护，噪声也较低。但是，采用直线电机的整个机器结构没有缓冲，所以控制系统复杂，还需要采取防护措施解决磁铁吸引切屑以及散热等问题。价格也比滚珠丝杠贵。
& N! D* b- i. c! ]; ?1 K: X　　滚珠丝杠传动系统，在运行方向上具有较高的刚度，同时具有较高的精度和较低的噪声，同直线电机相比具有更高的进给力，但是速度和加速度较低，维护要求也相对较高。
　　刘同先生：在滚珠丝杠和直线电机的认识上还存在一种误区，认为把原来机床的丝杠换为直线电机就行了，虽然这可以简化机床的机械结构，但并不一定意味着机械设计简单。因为机床在高速运行的情况下，并不是一个完全的刚体，会有一些变化，对于机床这种动态性能的研究国内还欠缺一些，从设计手段、设计方法上可能对这方面研究比较少。这样就会造成国内一些现象，原来很有愿望去试验一下这种高技术，就去试验，结果试验不好，就放弃了。也没有深入研究为什么，或者从方法上去改进，这就是问题所在。
9 z! l/ J* f/ a+ P8 G* w! l8 X* q　　国外使用直线电机的时候也会遇到同样的问题，如在运动过程中，主轴箱是方形的，但实际上在高速运行的情况下摆动了，精度就受到影响了。低速运行的时候可能不是很明显，但高速的时候就体现出来了。直线电机技术用在机床上的时候需要与系统配套起来，而不仅是一个零件，目前可应用于汽车生产线24h的工作，因此这种动态的问题，是主机厂商今后需要迫切解决的问题。
6 c) \5 Y$ R8 B　　在大型的设备中使用直线电机还是具有一定优势的，因为直线电机的次级是通过一段段连续拼接安装在机床床身上的，可以预先计算出需要的比例，可以降低费用。
　　Heinrich Willms先生：20世纪90年代直线电机作为机床驱动装置进入了市场并被应用于数控机床上面。直线电机的最大优点在于300m/min的高速度。在速度这点上直线电机超过了滚珠丝杠近3倍。在超高速的运行条件下，直线电机占有无与伦比的优势。
) C& s( K3 L# ^. H% e( k4 x7 H+ f　　但滚珠丝杠相对直线电机又有着它独特的优势：价格优势——滚珠丝杠的价格要远远低于直线电机，从生产成本上来讲也是如此；低耗能——直线电机的耗能是滚珠丝杠的好几倍，这意味着会带来很多不经济的问题；高刚性——使用滚珠丝杠的机床刚性大于使用直线电机的机床；磁性——使用直线电机的机床在工作台周围形成很强的磁场，这种磁场会吸附铁屑，对数控机床的生产过程产生负面的影响。
　　市场上除了直线电机和滚珠丝杠外还有其他一系列的直线传动装置，如齿条、液压缸或者气压缸。滚珠丝杠在过去的几十年中，由于它的经济性，低耗能和高刚性在该领域占据主导地位，市场份额不断增加，未来也将继续扮演重要角色。
　　于宙先生：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和直线电机是大型、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。
　　直线电机作为一种机电系统，具有高速响应、高定位精度、动刚度高、速度快、加减速过程短、行程长度不受限制、运动安静、噪声低、效率高的特点。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。但直线电机也有很多不足，除了成本高以外，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。
　　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。因此，与直线电机相比，精密高速滚珠丝杠副不但具有成本低的优势，同时便于全数字控制、易于冷却发热量小、无电磁辐射、可实现较大的轴向推力、传动效率高、部件模块化已经成熟等优点，在很多领域直线电机无法代替或在相当长的时间内无法代替。
　　对安全和环保的贡献
3 _: B% a1 c$ E! b/ T2 o　　萧瑞华先生：在安全性方面：首先，力士乐滑块的承载能力严格按照ISO国际标准确定并在实际测试条件下验证，确保了数据的准确性；其次，力士乐的导轨系统具有极高的承载能力能够满足峰值负载；在机床的Z轴导轨系统上可以选配夹紧/刹车元件，这样在突然断电情况下保证避免Z轴工作台不会坠落伤人或损坏设备。
% t! }+ Q; ?4 I9 v$ [　　在环保方面：导轨系统与滚珠丝杠都采用轻油润滑，污染较小；因为是滚动运行，因而油润滑的消耗量很小，采用前置润滑单元，补充润滑周期可达10万km。同传统的滑动摩擦相比，滚动功能部件可以显著的滑动轴承其摩擦力降低约90%，采用低摩擦密封的滚珠导轨的摩擦力可降低50%，因此所需的驱动功率也相应减小。小规格的产品也具有很高的负载能力。降低摩擦力，如100与125规格的滚柱导轨系统相比多种材质的产品(铝/钢)能显著降质量，如eline导轨质量约降低60%，VKK进给模块采用铝质主体和套管，也一定程度上降低了功率消耗。
　　运动控制的整体解决方案
# ^: p' d& [0 ]! _3 z! Y) P  N1 L　　萧瑞华先生：博世力士乐可以提供全套传动、控制与移动的解决方案。
$ K( \6 X1 o) ^1 T2 @　　博世力士乐重载滚柱导轨导向系统是专门为重型机床、塑料机械、成型机械等研制的结构紧凑、滚柱支承的轴向导向产品。不同的精度等级，各承载方向上都具有极高的承载能力(额定静载荷可达200t)和极高的刚度，特别适用于重载场合。导轨和滑块在滚道区均采用精密加工，保证了在同一精度等级内任意互换。博世力士乐同时提供精密滚珠丝杠传动系统，具有品种繁多的精密滚压丝杠和预紧的与可调预紧的单、双螺母，优化设计的滚珠循环系统使噪音更低，运行速度更高。更多数量的滚珠保证了高额定载荷。
% T: q" H  o# _& I* b　　刘同先生：西门子作为自动化技术公司可以提供整体解决方案，更贴合机床应用。西门子与航空航天、汽车业合作都很广泛，航空航天就是高速加工的一个典型应用，合作过程中用户就会提出这样或那样的要求。我们要不断发展去满足这些要求，西门子有专门针对航空航天和汽车的应用部门，这样推出的产品更适用一些。
, J% z! _' W3 Q: M: Q2 n3 J　　西门子所强调的提供一整套的解决方案中，“一套”的概念与其他公司不同，规模不一样，西门子除了可以提供一套针对机床的解决方案以外，还能够提供一套针对生产线或是整个车间、工厂的解决方案，还有网络化的东西，包括车间的现场总线的连接，还涉及车间级的工业以太网的硬件、软件。
1 a& ]7 G+ ~. Z) Y$ \9 V　　于宙先生：优励聂夫(南京)科技有限公司使用的Vario500-8000旋铣机床，是目前世界首台、最大规格、最高精度的滚珠丝杠硬旋铣机床。该机床选用了世界上最先进的数控系统和位置监测单元，具有5轴CNC控制、可4轴线性插补联动、远程故障诊断系统等功能，具有很强的实用性。
( J' S# {2 ?- U1 E　　目前公司已形成了一条从外圆加工，热处理到滚珠螺纹加工完整的特大型滚珠丝杠生产线，我们采用德国聂夫先进的设计理念为用户提供了大型数控镗铣床用10m整根无对接滚珠丝杆副，解决了大型数控镗铣床高精度和重载的要求，我们采用最新设计理念设计制造的高速重载滚珠丝杠副，其额定动载荷达到50t，额定静载荷达到150t，已为电动注塑机厂家所选用。【MechNet】
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