高速機床用直線電動機和精密高速滾珠絲杠副

直線電動機是借助于電磁作用原理，直接將電能轉換為直線運動的驅動裝置。世界上第一臺直線電動機是英國物理學家惠斯登(Sir Charles Wheatstone)發(fā)明，并于1845年取得專利。最初以高速運輸和牽引為主，經過不斷改進后應用范圍逐漸擴大到電腦及辦公設備、半導體制造裝備、醫(yī)療裝備、工業(yè)自動化、自動繪圖儀等等。根據不同應用場合的差異，直線電動機的種類也很多。近年出現一種由直線電動機與鋁合金滾柱導軌組合的高速線性驅動部件。Vmax=600m/min，加速度4g，應用在快速抓取和放下的場合。圖1為中國臺灣HIWIN公司的LMS、LMC小推力伺服直線電動機，Vmax=210m/min。

AC-LM進入機床領域后，這種全新的直接驅動方式使傳統(tǒng)的機床結構產生重大變革。AC-LM作為高性能、高速化的核心功能部件，將在數控機床特別是高速數控機床的產業(yè)鏈中發(fā)揮十分重要的作用。

向AC直線電動機挑戰(zhàn)的精密高速滾珠絲杠副

PHS-BS的出現起源于上世紀九十年代中后期，日本NSK公司首先推出專用于高速數控機床的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標準)。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產品，例如：日本NSK公司的BSS和S3系列、THK公司的SBK系列、中國臺灣HIWIN公司的Super S系列、PMI公司的FSW系列、德國Rexroth公司的FDM-E系列、西班牙Korta公司的NTG系列等。中國最早從事PHS-BS研究的是北京機床研究所，在“九五”攻關中完成了GSZ2000型高速滾珠絲杠副綜合測量儀的研制，隨后山東濟寧博特公司與山東工業(yè)大學合作也研制成功BTJS-03高速滾珠絲杠副測量儀。目前國內PHS-BS的水平是：Vmax≥60m/min(80m/min)、加速度1.4g、精度≥P3級、DN值≈140000。

歸納起來新一代PHS-BS具有以下特點：

1. 對循環(huán)返向裝置進行了優(yōu)化設計。試驗研究證明循環(huán)返向裝置是直接影響PHS-BS滾珠流暢性和動態(tài)特性、振動和噪聲的關鍵環(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珠管，使?jié)L珠螺母螺旋線的延伸方向與導珠管對接。近年又流行一種新的內循環(huán)結構，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)化滾珠鏈結構。為減小高速旋轉時滾動體的離心力，采用小徑球、Si3N4陶瓷球或DS改質球。為了隔斷滾動體在高速運轉時相互碰撞、擠壓、摩擦，在滾珠鏈中增加用特殊工程塑料制作并有潤滑功能的隔離器，從而有效降低溫升和噪聲，增加滾動體的流暢性。


3. 為減少高速時“楔效應”對滾動體流暢性的影響，對內外螺紋滾道的幾何參數進行優(yōu)化設計，并降低滾道面的粗糙度，或對表面進行改質處理，改善摩擦特性。


4. 將滾珠絲杠做成空心，從絲杠內部實施強冷。有的企業(yè)還在內孔中配置阻尼棒，抑制高速時的振動。HIWIN公司的“Cool Type I”系列還同時對滾珠螺母實施強冷。


5. 近年德國Rexroth、INA、日本THK等公司推出AC電機直接驅動滾珠螺母的高速線性驅動裝置(詳見《中國機械與金屬》2005年12期)。


6. 絲杠和螺母分別由兩個AC電機驅動，借助于兩者轉速大小和施轉方向的疊加，既可成倍提速，又能實現微量進給。


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

根據筆者在一次CIMT國際機床展覽上的調查統(tǒng)計及隨后的跟蹤可以看出：在中檔高速數控機床中，采用PHS-BS依然是主流，而部分高檔、高速數控機床中采用PHS-BS也屢見不鮮。

雙星同臺亮相、各顯亮點

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

AC-LM驅動在以下數控裝備領域具有得天獨厚的優(yōu)勢：

1. 高速、超高速、高加速度和生產批量大、要求定位的運動多、速度大小和方向頻繁變化的場合。例如汽車產業(yè)和IT產業(yè)的生產線，精密、復雜模具的制造。


2. 大型、超長行程高速加工中心，航空航天制造業(yè)中輕合金、薄壁、金屬去除率大的整體構件“鏤空”加工。例如美國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，快進速度120m/min，能將整體鋁塊鏤空成飛機零件(Z軸仍用PHS-BS)。


3. 要求高動態(tài)特性、低速和高速時的隨動性、高靈敏的動態(tài)精密定位。例如，以Sodick為代表的新一代高性能CNC電加工機床、CNC超精密機床、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DMG的“DML80 Fine Cutting”激光雕刻、打孔機，比利時LVD公司的“AXEL3015S”激光切割機，MAZAK的“Hyper Cear510”高速激光加工機等。

據筆者調查分析：PHS-BS的最佳應用場合是：要求V=40~100m/min，加速度0.8~1.5(2.0)g，精度P3級以上，行程范圍在3m以內的中檔高速數控裝備和部分高檔數控裝備。

關于振興和發(fā)展的思考

最近在《國務院關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、高速數控裝備和數控系統(tǒng)及功能部件，改變大型、高精度數控機床大部分依賴進口的現狀，滿足機械、航空航天等工業(yè)發(fā)展的需要。”AC-LM和PHS-BS是大型、精密、特別是高速數控裝備中十分重要的線性驅動功能部件。國家發(fā)改委主持制定的《數控機床發(fā)展專項規(guī)劃》(草案)中把高速加工功能部件的開發(fā)、高速驅動技術、精密加工技術等列為關鍵技術。顯然，盡快實現數控系統(tǒng)、電主軸、AC-LM和PHS-BS等主要功能部件的國產化、產業(yè)化，是振興中國大型、精密、高速數控裝備的當務之急。

1. 加快振興、刻不容緩。在中國，用于實現高速驅動和精密定位的這兩類功能部件的發(fā)展滯后于市場的需要，與海外存在明顯差距。以PHS-BS為例，當海外都已推出第二代、第三代產品時，中國仍處在PHS-BS第一代產品研制的初始階段，沒有商品化。至于用來裝備高速、高檔數控機床的AC-LM，目前還沒有一個技術實力雄厚、具備量產條件的企業(yè)向市場提供產品，尚未走出“學院模式”研究階段。應當清醒地看到：刻不容緩地加快發(fā)展AC-LM和PHS-BS，是中國數控裝備國產化、產業(yè)化的緊迫渴求，也是增強中國綜合國力的時代需要。


2. 并肩發(fā)展，優(yōu)勢互補。雖然AC-LM和PHS-BS并行不悖地在發(fā)展，但是，不同的國家有不同的國情，不同企業(yè)各有長短，海外對待兩種驅動方式的認知度、采用率也是有差異的。而中國的國情是：地大物不博、人口眾多、勞力資源豐富，要從中國的國情出發(fā)，以科學發(fā)展觀和新型工業(yè)化的指導思想來統(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的技術成熟了、產量上去了、成本下降了，從節(jié)能降耗、綠色制造的角度思考，PHS-BS驅動仍有其廣闊的市場空間。在AC-LM將成為高速(超高速)、高檔數控裝備中的主流驅動方式的同時，PHS-BS依然會繼續(xù)保持在中檔高速數控裝備中的主流地位，但是如果PHS-BS盲目追求高指標，在AC-LM的優(yōu)勢范圍中去“硬拼”，恐怕是得不償失的。


3. 科學發(fā)展，重在基礎。分析中國PHS-BS發(fā)展緩慢的原因，主要在于企業(yè)長期忽視基礎理論和性能試驗方面的投入，發(fā)展后勁不足，面對提速后暴露出來的問題不知從何處下手解決。由于我們在滾動螺旋副的摩擦理論、高速和微動時的摩擦特性、滾動體在不同工況下的運動機理、振動與噪聲、力矩特性、動靜剛度特性等基礎理論方面缺乏深入研究，制約了提速的進程。而AC-LM在全數字控制技術、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工作要做。中國高校和科研院所在這方面的研究成果，要盡快轉化為生產力，要用先進的科技成果和在實踐中不斷創(chuàng)新來推動AC-LM和PHS-BS的國產化、產業(yè)化。


4. 有序發(fā)展、正確導向。要對中國的數控裝備市場作深入調查，冷靜分析。在數控裝備中，高速、超高速占多少？高速金切機床、成形機床各占多少？輕載和大型重載占多少？據有關人士預測，到2010年全球將有大約20%的數控機床采用AC-LM。經驗表明，數量的預測往往不夠準確，如果這個20%是指全部數控機床，那么高速數控機床呢？中國是不是也占20%？我們對市場的分析切忌主觀推斷，盲目樂觀。