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1、高速机床用直线电动机和精密高速滚珠丝杠副作为装备制造业核心加工设备的数控机床正向高速、高效、高精度、智能化、复合化、环保化方向发展。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(Precicion High-speed Ball Screws本文简称 PHS-BS)和 AC 直线电动机(AC Linear Motor 本文简称AC-LM)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。迈入数控装备领域的 AC 直线电动机直线电动机是借助于电
2、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。随着控制技术、
3、电子技术、材料技术的发展，直线电动机经历了由快速轻载到快速大推力，由一般工业领域向大型、精密、高速数控装备领域发展的过程。美国Ingersoll 公司于 1982 年开发出用 AC-LM 驱动的高速加工中心样机，在 EMO93 展会上 Ex-cell-O 公司首次展出在各坐标轴上配置感应式直线电动机(Indramat 公司生产)的 XHC240 型卧式加工中心，各轴快移速度80m/min，加速度 1g，定位精度 0.004mm。上述公司迈出了 AC-LM 在数控机床上应用的第一步。AC-LM 作为高速、高精度、高刚度的直接驱动系统已引起业界的高度重视，在随后的 EMO97 又掀起了“欧洲的直线
4、电机热”。 中国虽然早在 1969 年浙江大学等单位就开始研究工业用直线电动机，但是 AC-LM 在数控机床上的应用还是最近十多年的事情，清华大学、广东工学院、沈阳工业大学、哈工大等单位在研究 AC-LM 用于高速数控机床方面做了大量工作。清华大学承担了国家“十五”科技项目，并与江苏瑞安特公司联合推出“数控机床用直线电机及伺服系统”，在 CCMT2004(上海)展会上展出。中国用于数控机床的 AC-LM 仍处于成长期，离专业化生产还有一定的距离。近年来，中国研发高速、高档数控机床的企业开始采用 AC-LM，但多数是从国外进口。 笔者曾在 CIMT 国际机床展会上对参展的 88 台高速数控机床作
5、过调查，其中有 23 台采用 AC-LM，占所统计台数的 26%。国外知名企业例如 DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCINNATI 、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK 等在他们的高速、高档 CNC 机床中都采用了 AC-LM，并把 AC-LM 作为创新和市场竞争的亮点。据业内资深学者指出：直线电机作为一种机电系统，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。 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
6、要的作用。向 AC 直线电动机挑战的精密高速滚珠丝杠副具有成熟制造技术和产业化规模的滚珠丝杠副，从它诞生至今已有 100 多年历史，在中国也有46 年历史。其产品功能随主机的发展不断扩展、提高，从最初的“敏捷省能传动”( 上世纪六十年代前)到“精密定位”( 上世纪七十年代后)，再从“大导程快速驱动”(上世纪八十年代) 到“精密高速驱动”( 上世纪九十年代中期) ，“速度”与“精度” 的发展可谓与时俱进，特别是进入 21 世纪，PHS-BS 得到迅速发展，成为数控装备伺服快速进给系统中与 AC-LM 并列的两颗耀眼明星。 当滚珠丝杠与滚珠螺母相对位移时，其加速度1g、线速度60m/min、或 D
7、N 值120000(DN值的定义是：滚珠丝杠副公称直径 do(mm)和滚珠丝杠与滚珠螺母相对转速 n(r/min)的乘积)、图 1 中国台湾 HIWIN 公司的LMS、LMC 伺服直线电动机精度达到 P3 级以上 (国家标准 GB/T18587)，而各项性能指标（力矩变化、刚度、温升、噪声等)满足主机要求者，就可称之为精密高速滚珠丝杠副(PHS-BS)。 由于滚珠丝杠副优良的滚动摩擦特性和传动效率高(=9095%) 、传动敏捷灵活等功能，使其具备提速的有利条件。提速有三个途径：(1)加大导程 Pn，这就是我们常说的大导程(或超大导程)滚珠丝杠副。因 Pn 增大不利于提高导程精度，而且进给系统的
8、静刚度迅速下降，所以只适用于对定位精度要求不高的快速驱动场合。(2)兼顾精度、速度、动态特性，适度增加 Pn 和n(转速 )以及螺纹头数。因为受临界转速 Nc 的制约，追求高转速是不可取的。(3)从产品结构和驱动方式上进行改革创新，例如：变丝杠主驱动为螺母主驱动；变单驱动为双驱动；丝杠空心化、螺母小径化、滚动体轻量化等。 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 3655 mm、Pn=16 32mm、Vmax=116m/min、加速度 1.3g、DN 值=13万、精度 C3C5(JIS 标准)。近年来，世界上知名的滚珠丝杠
9、制造企业先后推出一批 DN 值150000(220000)，V120m/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
10、杠副测量仪。目前国内 PHS-BS 的水平是：Vmax60m/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
11、. 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。图 2 北京机床研究所精密机电公司的1000 系列立式加工中心三轴采用PHSBS 实现快速进给和高精度定位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
12、 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 D
13、IXI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： 各坐标轴全部配置 A
14、C-LM 驱动的“快速型” 数控装备。例如：DMC85V Linear、 DMC75V Linear、DMC105V Linear、DMC60H Linear、DMC80H Linear 以及 DML80-Fine Cutting 激光加工机等。 混合驱动型。例如：DMF500 Linear 动柱式大型立式加工中心，在 X 轴(行程 5m)配置AC-LM，V=100m/min；而在 Y、 Z 轴则采用 PHS-BS，V=60m/min 。此外，图 3 美国 CINCINNATI LAMB 公司的HPC-800HP 卧式高速加工中心X、Y、Z 三轴采用双 PHS-BS 驱动，V=80m/min，
15、加速度 1.5g。框中框结构的双驱动大大提高了快速进给的稳定性CTV250、CTX300、CTX420、DMC104V 、DMF220F、DMF360F 等均属混合驱动型。 各坐标轴全部配置 PHS-BS 驱动的“ 强力型”加工中心。例如：DMC63H 高速卧式加工中心，X、Y、Z 三轴全部采用 PHS-BS 驱动(50，Pn=35)，V=80m/min，加速度1g，定位精度 0.008mm。此外还有 DMC80H 和 DMC100H、DMC125H (duo BLOCK)以及 DMC60T 等。AC-LM 和 PHS-BS 这两颗明星被 DMG 公司活用，在其主导产品中同台亮相，精彩纷呈。驱
16、动方式的多样性还表现在同一企业的同一型号、系列的高速数控装备上，根据不同的使用场合，配置不同的驱动方式。例如德国 Grob 公司的 BZ500 型配置 PHS-BS，而 BZ500L 型就配置 AC-LM；日本大隈铁工的 MA-400HA 型配置 PHS-BS，而MAC-Star-400 型配置 AC-LM；德国 Hueller-Hille 的 Specht63 系列配置 PHS-BS，而 Specht 500L 系列配置 AC-LM 等等。DMG 和某些公司只在长行程的 X 轴配置 AC-LM，意在提高机床的动态特性、定位精度的同时，最大限度缩短非加工时间，提高生产效率，而其他轴仍采用 PHS-BS 驱动，从而使机床的性价比对用户更有吸引力。这种“混合驱动”的模式是吃透了 AC-LM 和 PHS-BS 两类功能部件的“功能” 而进行的优化组合，把最大限度满足用户个性需要作为目标，在创新中追求最佳的性价比，这样的设计理念能真正给用户带来实实在在的效益。“混合驱动” 的模式客观地反映了市场
