高速機床用直線電動機和精密高速滾珠絲杠副

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：3105

作為裝備制造業(yè)核心加工設備的數(shù)控機床正向高速、高效、高精度、智能化、復合化、環(huán)�；较虬l(fā)展。在高速和超高速加工中，要求高的動態(tài)特性和控制精度；瞬間達到高速和在高速運行中瞬間準停；振動小、噪聲低、運行平穩(wěn)；可靠性高、壽命長。在各類線性驅動元部件中，精密高速滾珠絲杠副(Precicion High-speed Ball Screws——本文簡稱PHS-BS)和AC直線電動機(AC Linear Motor本文簡稱AC-LM)是大型、精密、高速數(shù)控裝備的快速伺服進給系統(tǒng)中能滿足上述要求的核心功能部件。

邁入數(shù)控裝備領域的AC直線電動機

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(jīng)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(jù)不同應用場合的差異，直線電動機的種類也很多。近年出現(xiàn)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。

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圖1 中國臺灣HIWIN公司的LMS、LMC伺服直線電動機

隨著控制技術、電子技術、材料技術的發(fā)展，直線電動機經(jīng)歷了由快速輕載到快速大推力，由一般工業(yè)領域向大型、精密、高速數(shù)控裝備領域發(fā)展的過程。美國Ingersoll公司于1982年開發(fā)出用AC-LM驅動的高速加工中心樣機，在EMO’93展會上Ex-cell-O公司首次展出在各坐標軸上配置感應式直線電動機(Indramat公司生產(chǎn))的XHC240型臥式加工中心，各軸快移速度80m/min，加速度1g，定位精度0.004mm。上述公司邁出了AC-LM在數(shù)控機床上應用的第一步。AC-LM作為高速、高精度、高剛度的直接驅動系統(tǒng)已引起業(yè)界的高度重視，在隨后的EMO’97又掀起了“歐洲的直線電機熱”。
中國雖然早在1969年浙江大學等單位就開始研究工業(yè)用直線電動機，但是AC-LM在數(shù)控機床上的應用還是最近十多年的事情，清華大學、廣東工學院、沈陽工業(yè)大學、哈工大等單位在研究AC-LM用于高速數(shù)控機床方面做了大量工作。清華大學承擔了國家“十五”科技項目，并與江蘇瑞安特公司聯(lián)合推出“數(shù)控機床用直線電機及伺服系統(tǒng)”，在CCMT2004(上海)展會上展出。中國用于數(shù)控機床的AC-LM仍處于成長期，離專業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。近年來，中國研發(fā)高速、高檔數(shù)控機床的企業(yè)開始采用AC-LM，但多數(shù)是從國外進口。
筆者曾在CIMT國際機床展會上對參展的88臺高速數(shù)控機床作過調(diào)查，其中有23臺采用AC-LM，占所統(tǒng)計臺數(shù)的26%。國外知名企業(yè)例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCINNATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK等在他們的高速、高檔CNC機床中都采用了AC-LM，并把AC-LM作為創(chuàng)新和市場競爭的亮點。據(jù)業(yè)內(nèi)資深學者指出：直線電機作為一種機電系統(tǒng)，將機械結構簡化，電氣控制復雜化，符合現(xiàn)代機電技術的發(fā)展趨勢。
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(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)控機床特別是高速數(shù)控機床的產(chǎn)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

具有成熟制造技術和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的滾珠絲杠副，從它誕生至今已有100多年歷史，在中國也有46年歷史。其產(chǎn)品功能隨主機的發(fā)展不斷擴展、提高，從最初的“敏捷省能傳動”(上世紀六十年代前)到“精密定位”(上世紀七十年代后)，再從“大導程快速驅動”(上世紀八十年代)到“精密高速驅動”(上世紀九十年代中期)，“速度”與“精度”的發(fā)展可謂與時俱進，特別是進入21世紀，PHS-BS得到迅速發(fā)展，成為數(shù)控裝備伺服快速進給系統(tǒng)中與AC-LM并列的兩顆耀眼明星。
當滾珠絲杠與滾珠螺母相對位移時，其加速度≥1g、線速度≥60m/min、或DN值≥120000(DN值的定義是：滾珠絲杠副公稱直徑do(mm)和滾珠絲杠與滾珠螺母相對轉速n(r/min)的乘積)、精度達到P3級以上(國家標準GB/T18587)，而各項性能指標（力矩變化、剛度、溫升、噪聲等)滿足主機要求者，就可稱之為精密高速滾珠絲杠副(PHS-BS)。
由于滾珠絲杠副優(yōu)良的滾動摩擦特性和傳動效率高(η=90～95%)、傳動敏捷靈活等功能，使其具備提速的有利條件。提速有三個途徑：(1)加大導程Pn，這就是我們常說的大導程(或超大導程)滾珠絲杠副。因Pn增大不利于提高導程精度，而且進給系統(tǒng)的靜剛度迅速下降，所以只適用于對定位精度要求不高的快速驅動場合。(2)兼顧精度、速度、動態(tài)特性，適度增加Pn和n(轉速)以及螺紋頭數(shù)。因為受臨界轉速Nc的制約，追求高轉速是不可取的。(3)從產(chǎn)品結構和驅動方式上進行改革創(chuàng)新，例如：變絲杠主驅動為螺母主驅動；變單驅動為雙驅動；絲杠空心化、螺母小徑化、滾動體輕量化等。
PHS-BS的出現(xiàn)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(shù)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(chǎn)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(nèi)PHS-BS的水平是：Vmax≥60m/min(80m/min)、加速度1.4g、精度≥P3級、DN值≈140000。

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圖2 北京機床研究所精密機電公司的μ1000 系列立式加工中心三軸采用PHS—BS實現(xiàn)快速進給和高精度定位

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(nèi)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(nèi)外螺紋滾道的幾何參數(shù)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(nèi)部實施強冷。有的企業(yè)還在內(nèi)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(xiàn)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。

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圖3 美國CINCINNATI LAMB公司的HPC-800HP臥式高速加工中心X、Y、Z三軸采用雙PHS-BS驅動，V=80m/min，加速度1.5g�？蛑锌蚪Y構的雙驅動大大提高了快速進給的穩(wěn)定性

根據(jù)筆者在一次CIMT國際機床展覽上的調(diào)查統(tǒng)計及隨后的跟蹤可以看出：在中檔高速數(shù)控機床中，采用PHS-BS依然是主流，而部分高檔、高速數(shù)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(chǎn)各類高性能數(shù)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：

  • 各坐標軸全部配置AC-LM驅動的“快速型”數(shù)控裝備。例如：DMC85V Linear、DMC75V Linear、DMC105V Linear、DMC60H Linear、DMC80H Linear以及DML80-Fine Cutting激光加工機等。

  • 混合驅動型。例如：DMF500 Linear動柱式大型立式加工中心，在X軸(行程5m)配置AC-LM，V=100m/min；而在Y、Z軸則采用PHS-BS，V=60m/min。此外，CTV250、CTX300、CTX420、DMC104V、DMF220F、DMF360F等均屬混合驅動型。

  • 各坐標軸全部配置PHS-BS驅動的“強力型”加工中心。例如：DMC63H高速臥式加工中心，X、Y、Z三軸全部采用PHS-BS驅動(Φ50，Pn=35)，V=80m/min，加速度1g，定位精度0.008mm。此外還有DMC80H和DMC100H、DMC125H (duo BLOCK)以及DMC60T等。

表1 AC直線電動機與精密高速滾珠絲杠副的對比
  PHS-BS AC-LM 說明
線性伺服進給系統(tǒng)主要環(huán)節(jié) CNC-伺服電機-無隙連軸器-止推軸承－PHS/BS-冷卻系統(tǒng)-滾動導軌-螺母座-工作臺 閉環(huán)CNC-電機動子-強冷系統(tǒng)-滾動導軌-位置感測器－工作臺 AC-LM稱為直接驅動，PHS-BS是非直接驅動
驅動線速度(m/min) 60～100(120)，速度范圍有限 60～200(600)，速度范圍廣 前者當n↑，Pn↑；Vmax＝200m/min；后者最�。�1µm/s
加速度(g) 0.5～1.5(2) 0.5～10 都要求運動部件輕量化
定位、重復定位精度(µm) 較高(2～5) 很高。光柵閉環(huán)控制：0.1～0.01 AC-LM在高速位移狀態(tài)下可達亞微米級定位精度，跟蹤誤差小
運動的平穩(wěn)性(%速度) 較好，10% 很好，1% PHS-BS采用雙頭螺紋、雙絲桿驅動可改善運動的平穩(wěn)性
行程范圍 有限 無限 PHS-BS一般不超過5m
控制系統(tǒng) 較簡單，技術較成熟 較復雜，要求高(全閉環(huán)控制) 負載變化直接作用于AC-LM，由于端部效應、齒槽效應等因素，使伺服控制復雜化，難度加大
熱特性 已有較成熟的技術抑制溫升與熱變形 處于主機腹部的AC-LM是高發(fā)熱部件，需采取強冷措施 達到相同目的，后者要付出更大的代價
工作噪音 較低 靜音 前者已開發(fā)出高速靜音產(chǎn)品
軸向推力 較大(與絲桿參數(shù)有關) 較小(一般＜10kN) 采用多臺AC-LM并聯(lián)，可提高軸向推力，但布局困難
產(chǎn)生相同推力所消耗的能量 較小 較大(功率損耗超過輸出功率的50%) PHS-BS屬于節(jié)能、增力型傳動部件
壽命(h)，可靠性 6000～10000，可靠性較高 ≈50000，無機械磨損，壽命長，可靠性高 PHS-BS的可靠性與制造品質有關，AC-LM的可靠性受控制系統(tǒng)穩(wěn)定性影響
對周邊的影響 沒有影響 必須采取有效隔磁與防護措施，隔斷強磁場對滾動導軌的影響和對鐵屑磁塵的吸附 AC-LM法向磁力與軸向推力之比大約為4:1～5:1
工作效率 高 更高，可使主機生產(chǎn)效率提高20%以上  
制造成本 比普通滾珠絲桿高，比AC-LM低得多 成本高，售價昂貴 AC-LM在中國的制造技術成熟和量產(chǎn)后，成本和售價可望下降

AC-LM和PHS-BS這兩顆明星被DMG公司活用，在其主導產(chǎn)品中同臺亮相，精彩紛呈。驅動方式的多樣性還表現(xiàn)在同一企業(yè)的同一型號、系列的高速數(shù)控裝備上，根據(jù)不同的使用場合，配置不同的驅動方式。例如德國Grob公司的BZ500型配置PHS-BS，而BZ500L型就配置AC-LM；日本大隈鐵工的MA-400HA型配置PHS-BS，而MAC-Star-400型配置AC-LM；德國Hueller-Hille的Specht63系列配置PHS-BS，而Specht 500L系列配置AC-LM等等。DMG和某些公司只在長行程的X軸配置AC-LM，意在提高機床的動態(tài)特性、定位精度的同時，最大限度縮短非加工時間，提高生產(chǎn)效率，而其他軸仍采用PHS-BS驅動，從而使機床的性價比對用戶更有吸引力。這種“混合驅動”的模式是吃透了AC-LM和PHS-BS兩類功能部件的“功能”而進行的優(yōu)化組合，把最大限度滿足用戶個性需要作為目標，在創(chuàng)新中追求最佳的性價比，這樣的設計理念能真正給用戶帶來實實在在的效益�！盎旌向寗印钡哪Ｊ娇陀^地反映了市場需求的多樣性，并折射出兩顆明星的亮點。
事實上，AC-LM和PHS-BS兩種驅動方式盡管各有優(yōu)勢，但也有自身的軟肋。表1對AC-LM和PHS-BS進行了對比，由此可以看出，兩者在數(shù)控機床上都有各自最佳的適用范圍。
AC-LM驅動在以下數(shù)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)和IT產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)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。

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圖4 日本MAZAK公司Hypersonic 1400L型超高速龍門式加工中心。X、Y軸采用直線電動機驅動V=120m/min

我們再來分析PHS-BS的最佳應用場合。雖然PHS-BS的DN值已經(jīng)歷了從7萬到15萬再到20萬(22萬)的提速進程，從表1可看出，由于存在純機械傳動的軟肋，其線速度、加速度、行程范圍的增加總是有限的。就以日本NSK公司的新一代BSS和S3系列為例，在其產(chǎn)品樣本中介紹DN值達22萬，若選用Φ40×20mm的產(chǎn)品，則Vmax=110m/min，因Nmax=5500轉/分轉速很高，行程范圍受臨界轉速Nc的制約顯然不可能太長。若采用大導程Φ40×40mm產(chǎn)品，則Vmax=220m/min，這顯然又不能滿足定位精度高的場合。能達到DN值22萬從一個側面反映了該企業(yè)的設計、制造水準。如果我們選擇Φ40×20(雙頭)mm產(chǎn)品，在n≈4000~5000轉/分，V=80～100m/min狀態(tài)下使用，其安全性、可靠性、工作壽命均可高于預期值。事實上到目前為止，在高速高檔CNC金切機床中(CNC成形機床除外)尚未見到要求快進速度V≥20m/min仍采用PHS-BS驅動的成功范例。
據(jù)筆者調(diào)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(nèi)的中檔高速數(shù)控裝備和部分高檔數(shù)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(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)控機床大部分依賴進口的現(xiàn)狀，滿足機械、航空航天等工業(yè)發(fā)展的需要�！盇C-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動功能部件。國家發(fā)改委主持制定的《數(shù)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(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)、電主軸、AC-LM和PHS-BS等主要功能部件的國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，是振興中國大型、精密、高速數(shù)控裝備的當務之急。

  1. 加快振興、刻不容緩。在中國，用于實現(xiàn)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(chǎn)品時，中國仍處在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)控機床的AC-LM，目前還沒有一個技術實力雄厚、具備量產(chǎn)條件的企業(yè)向市場提供產(chǎn)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(shù)控裝備國產(chǎn)化、產(chǎn)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(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(shù)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(shù)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化。

  4. 有序發(fā)展、正確導向。要對中國的數(shù)控裝備市場作深入調(diào)查，冷靜分析。在數(shù)控裝備中，高速、超高速占多少？高速金切機床、成形機床各占多少？輕載和大型重載占多少？據(jù)有關人士預測，到2010年全球將有大約20%的數(shù)控機床采用AC-LM。經(jīng)驗表明，數(shù)量的預測往往不夠準確，如果這個20%是指全部數(shù)控機床，那么高速數(shù)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。

無論是發(fā)展AC-LM還是PHS-BS，都要吸取以往發(fā)展某些機電產(chǎn)品的教訓，避免盲目上馬、低水平重復、浪費資源。同時，與AC-LM和PHS-BS配套的相關功能部件要同步發(fā)展，例如高速、高剛度精密滾動直線導軌副、制動裝置、防護裝置等。

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