高速机床用直线电动机和精密高速滚珠丝杠副

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。

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

PHS-BS的出现起源于上世纪九十年代中后期，日本NSK公司首先推出专用于高速数控机床的HMC系列，直径Ø36～55 mm、Pn=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-BS产品，例如：日本NSK公司的BSS和S3系列、THK公司的SBK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-BS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-BS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-BS具有以下特点：

1. 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-BS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-BS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。


2. 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。


3. 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。


4. 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。


5. 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)。


6. 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。


7. 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CINCINNATI 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。

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-BS依然是主流，而部分高档、高速数控机床中采用PHS-BS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-BS的配置有三种类型：

AC-LM驱动在以下数控装备领域具有得天独厚的优势：

1. 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。


2. 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(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-BS)。


3. 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。


4. 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。

据笔者调查分析：PHS-BS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-BS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-BS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。

1. 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-BS为例，当海外都已推出第二代、第三代产品时，中国仍处在PHS-BS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-BS，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。


2. 并肩发展，优势互补。虽然AC-LM和PHS-BS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-BS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-BS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-BS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-BS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。


3. 科学发展，重在基础。分析中国PHS-BS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-BS的国产化、产业化。


4. 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。