高速機(jī)床用直線電動(dòng)機(jī)和精密高速滾珠絲杠副

直線電動(dòng)機(jī)是借助于電磁作用原理，直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。世界上第一臺(tái)直線電動(dòng)機(jī)是英國(guó)物理學(xué)家惠斯登(Sir Charles Wheatstone)發(fā)明，并于1845年取得專利。最初以高速運(yùn)輸和牽引為主，經(jīng)過不斷改進(jìn)后應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大到電腦及辦公設(shè)備、半導(dǎo)體制造裝備、醫(yī)療裝備、工業(yè)自動(dòng)化、自動(dòng)繪圖儀等等。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合的差異，直線電動(dòng)機(jī)的種類也很多。近年出現(xiàn)一種由直線電動(dòng)機(jī)與鋁合金滾柱導(dǎo)軌組合的高速線性驅(qū)動(dòng)部件。Vmax=600m/min，加速度4g，應(yīng)用在快速抓取和放下的場(chǎng)合。圖1為中國(guó)臺(tái)灣HIWIN公司的LMS、LMC小推力伺服直線電動(dòng)機(jī)，Vmax=210m/min。

AC-LM進(jìn)入機(jī)床領(lǐng)域后，這種全新的直接驅(qū)動(dòng)方式使傳統(tǒng)的機(jī)床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變革。AC-LM作為高性能、高速化的核心功能部件，將在數(shù)控機(jī)床特別是高速數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮十分重要的作用。

向AC直線電動(dòng)機(jī)挑戰(zhàn)的精密高速滾珠絲杠副

PHS-BS的出現(xiàn)起源于上世紀(jì)九十年代中后期，日本NSK公司首先推出專用于高速數(shù)控機(jī)床的HMC系列，直徑Ø36～55 mm、Pn=16～32mm、Vmax=116m/min、加速度1.3g、DN值=13萬、精度C3～C5(JIS標(biāo)準(zhǔn))。近年來，世界上知名的滾珠絲杠制造企業(yè)先后推出一批DN值≥150000(220000)，V≥120m/min(200m/min)、加速度≥1.5g的靜音PHS-BS產(chǎn)品，例如：日本NSK公司的BSS和S3系列、THK公司的SBK系列、中國(guó)臺(tái)灣HIWIN公司的Super S系列、PMI公司的FSW系列、德國(guó)Rexroth公司的FDM-E系列、西班牙Korta公司的NTG系列等。中國(guó)最早從事PHS-BS研究的是北京機(jī)床研究所，在“九五”攻關(guān)中完成了GSZ2000型高速滾珠絲杠副綜合測(cè)量?jī)x的研制，隨后山東濟(jì)寧博特公司與山東工業(yè)大學(xué)合作也研制成功BTJS-03高速滾珠絲杠副測(cè)量?jī)x。目前國(guó)內(nèi)PHS-BS的水平是：Vmax≥60m/min(80m/min)、加速度1.4g、精度≥P3級(jí)、DN值≈140000。

歸納起來新一代PHS-BS具有以下特點(diǎn)：

1. 對(duì)循環(huán)返向裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)研究證明循環(huán)返向裝置是直接影響PHS-BS滾珠流暢性和動(dòng)態(tài)特性、振動(dòng)和噪聲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它制約了DN值的提高。早期的PHS-BS采用厚壁切入式的導(dǎo)珠管，使?jié)L珠螺母螺旋線的延伸方向與導(dǎo)珠管對(duì)接。近年又流行一種新的內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，它是在滾珠螺母的螺旋線兩端配置“端塞式”返向裝置，使DN值達(dá)到200000，噪聲降低6-7dB(A)，螺母徑向尺寸縮小30%左右。


2. 優(yōu)化滾珠鏈結(jié)構(gòu)。為減小高速旋轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體的離心力，采用小徑球、Si3N4陶瓷球或DS改質(zhì)球。為了隔斷滾動(dòng)體在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相互碰撞、擠壓、摩擦，在滾珠鏈中增加用特殊工程塑料制作并有潤(rùn)滑功能的隔離器，從而有效降低溫升和噪聲，增加滾動(dòng)體的流暢性。


3. 為減少高速時(shí)“楔效應(yīng)”對(duì)滾動(dòng)體流暢性的影響，對(duì)內(nèi)外螺紋滾道的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并降低滾道面的粗糙度，或?qū)Ρ砻孢M(jìn)行改質(zhì)處理，改善摩擦特性。


4. 將滾珠絲杠做成空心，從絲杠內(nèi)部實(shí)施強(qiáng)冷。有的企業(yè)還在內(nèi)孔中配置阻尼棒，抑制高速時(shí)的振動(dòng)。HIWIN公司的“Cool Type I”系列還同時(shí)對(duì)滾珠螺母實(shí)施強(qiáng)冷。


5. 近年德國(guó)Rexroth、INA、日本THK等公司推出AC電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠螺母的高速線性驅(qū)動(dòng)裝置(詳見《中國(guó)機(jī)械與金屬》2005年12期)。


6. 絲杠和螺母分別由兩個(gè)AC電機(jī)驅(qū)動(dòng)，借助于兩者轉(zhuǎn)速大小和施轉(zhuǎn)方向的疊加，既可成倍提速，又能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。


7. 充分利用滾珠絲杠副能完成同步運(yùn)動(dòng)的功能，采用雙電機(jī)雙絲杠驅(qū)動(dòng)方式，提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)在高速時(shí)的平穩(wěn)性，改善動(dòng)能特性，例如：美國(guó)CINCINNATI LAMB公司的HPC-800HP高速臥式加工中心(見圖3)。此外，德國(guó)DMG的DMC63H，瑞士DIXI公司的DHP-80-5x，日本牧野公司的A55E，中國(guó)大連機(jī)床集團(tuán)的DHSC500，寧江機(jī)床集團(tuán)的NJ-5HMC40等，也采用雙電機(jī)、雙絲杠驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)筆者在一次CIMT國(guó)際機(jī)床展覽上的調(diào)查統(tǒng)計(jì)及隨后的跟蹤可以看出：在中檔高速數(shù)控機(jī)床中，采用PHS-BS依然是主流，而部分高檔、高速數(shù)控機(jī)床中采用PHS-BS也屢見不鮮。

雙星同臺(tái)亮相、各顯亮點(diǎn)

德國(guó)DMG公司以批量生產(chǎn)各類高性能數(shù)控裝備著稱，在其伺服進(jìn)給系統(tǒng)中采用AC-LM較早，而且采用率也是很高的(均在機(jī)床型號(hào)后標(biāo)注“Linear”)，該公司對(duì)AC-LM和PHS-BS的配置有三種類型：

AC-LM驅(qū)動(dòng)在以下數(shù)控裝備領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：

1. 高速、超高速、高加速度和生產(chǎn)批量大、要求定位的運(yùn)動(dòng)多、速度大小和方向頻繁變化的場(chǎng)合。例如汽車產(chǎn)業(yè)和IT產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)線，精密、復(fù)雜模具的制造。


2. 大型、超長(zhǎng)行程高速加工中心，航空航天制造業(yè)中輕合金、薄壁、金屬去除率大的整體構(gòu)件“鏤空”加工。例如美國(guó)CINCINNATI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(見圖4)，x、y軸采用AC-LM，快進(jìn)速度120m/min，能將整體鋁塊鏤空成飛機(jī)零件(Z軸仍用PHS-BS)。


3. 要求高動(dòng)態(tài)特性、低速和高速時(shí)的隨動(dòng)性、高靈敏的動(dòng)態(tài)精密定位。例如，以Sodick為代表的新一代高性能CNC電加工機(jī)床、CNC超精密機(jī)床、新一代CPC曲軸磨床、凸輪磨床、CNC非園車床等。


4. 輕載、快速特種CNC裝備。例如德國(guó)DMG的“DML80 Fine Cutting”激光雕刻、打孔機(jī)，比利時(shí)LVD公司的“AXEL3015S”激光切割機(jī)，MAZAK的“Hyper Cear510”高速激光加工機(jī)等。

據(jù)筆者調(diào)查分析：PHS-BS的最佳應(yīng)用場(chǎng)合是：要求V=40~100m/min，加速度0.8~1.5(2.0)g，精度P3級(jí)以上，行程范圍在3m以內(nèi)的中檔高速數(shù)控裝備和部分高檔數(shù)控裝備。

關(guān)于振興和發(fā)展的思考

最近在《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》中提出：“發(fā)展大型、精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件，改變大型、高精度數(shù)控機(jī)床大部分依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，滿足機(jī)械、航空航天等工業(yè)發(fā)展的需要。”AC-LM和PHS-BS是大型、精密、特別是高速數(shù)控裝備中十分重要的線性驅(qū)動(dòng)功能部件。國(guó)家發(fā)改委主持制定的《數(shù)控機(jī)床發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》(草案)中把高速加工功能部件的開發(fā)、高速驅(qū)動(dòng)技術(shù)、精密加工技術(shù)等列為關(guān)鍵技術(shù)。顯然，盡快實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)、電主軸、AC-LM和PHS-BS等主要功能部件的國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，是振興中國(guó)大型、精密、高速數(shù)控裝備的當(dāng)務(wù)之急。

1. 加快振興、刻不容緩。在中國(guó)，用于實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)和精密定位的這兩類功能部件的發(fā)展滯后于市場(chǎng)的需要，與海外存在明顯差距。以PHS-BS為例，當(dāng)海外都已推出第二代、第三代產(chǎn)品時(shí)，中國(guó)仍處在PHS-BS第一代產(chǎn)品研制的初始階段，沒有商品化。至于用來裝備高速、高檔數(shù)控機(jī)床的AC-LM，目前還沒有一個(gè)技術(shù)實(shí)力雄厚、具備量產(chǎn)條件的企業(yè)向市場(chǎng)提供產(chǎn)品，尚未走出“學(xué)院模式”研究階段。應(yīng)當(dāng)清醒地看到：刻不容緩地加快發(fā)展AC-LM和PHS-BS，是中國(guó)數(shù)控裝備國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化的緊迫渴求，也是增強(qiáng)中國(guó)綜合國(guó)力的時(shí)代需要。


2. 并肩發(fā)展，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。雖然AC-LM和PHS-BS并行不悖地在發(fā)展，但是，不同的國(guó)家有不同的國(guó)情，不同企業(yè)各有長(zhǎng)短，海外對(duì)待兩種驅(qū)動(dòng)方式的認(rèn)知度、采用率也是有差異的。而中國(guó)的國(guó)情是：地大物不博、人口眾多、勞力資源豐富，要從中國(guó)的國(guó)情出發(fā)，以科學(xué)發(fā)展觀和新型工業(yè)化的指導(dǎo)思想來統(tǒng)籌規(guī)劃AC-LM和PHS-BS的發(fā)展，不可偏廢，缺一不可。即使將來AC-LM的技術(shù)成熟了、產(chǎn)量上去了、成本下降了，從節(jié)能降耗、綠色制造的角度思考，PHS-BS驅(qū)動(dòng)仍有其廣闊的市場(chǎng)空間。在AC-LM將成為高速(超高速)、高檔數(shù)控裝備中的主流驅(qū)動(dòng)方式的同時(shí)，PHS-BS依然會(huì)繼續(xù)保持在中檔高速數(shù)控裝備中的主流地位，但是如果PHS-BS盲目追求高指標(biāo)，在AC-LM的優(yōu)勢(shì)范圍中去“硬拼”，恐怕是得不償失的。


3. 科學(xué)發(fā)展，重在基礎(chǔ)。分析中國(guó)PHS-BS發(fā)展緩慢的原因，主要在于企業(yè)長(zhǎng)期忽視基礎(chǔ)理論和性能試驗(yàn)方面的投入，發(fā)展后勁不足，面對(duì)提速后暴露出來的問題不知從何處下手解決。由于我們?cè)跐L動(dòng)螺旋副的摩擦理論、高速和微動(dòng)時(shí)的摩擦特性、滾動(dòng)體在不同工況下的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、振動(dòng)與噪聲、力矩特性、動(dòng)靜剛度特性等基礎(chǔ)理論方面缺乏深入研究，制約了提速的進(jìn)程。而AC-LM在全數(shù)字控制技術(shù)、散熱、隔磁、電磁干擾、零位方式、增大推力、降低能耗、部件模塊化等方面還有大量的基礎(chǔ)工作要做。中國(guó)高校和科研院所在這方面的研究成果，要盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，要用先進(jìn)的科技成果和在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新來推動(dòng)AC-LM和PHS-BS的國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化。


4. 有序發(fā)展、正確導(dǎo)向。要對(duì)中國(guó)的數(shù)控裝備市場(chǎng)作深入調(diào)查，冷靜分析。在數(shù)控裝備中，高速、超高速占多少？高速金切機(jī)床、成形機(jī)床各占多少？輕載和大型重載占多少？據(jù)有關(guān)人士預(yù)測(cè)，到2010年全球?qū)⒂写蠹s20%的數(shù)控機(jī)床采用AC-LM。經(jīng)驗(yàn)表明，數(shù)量的預(yù)測(cè)往往不夠準(zhǔn)確，如果這個(gè)20%是指全部數(shù)控機(jī)床，那么高速數(shù)控機(jī)床呢？中國(guó)是不是也占20%？我們對(duì)市場(chǎng)的分析切忌主觀推斷，盲目樂觀。