AC直线电动机与精密滚珠丝杠副的对比

AC直线电动机与精密滚珠丝杠副的对比AC直线电动机与精密滚珠丝杠副的对比德国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AC-LM驱动的“快速型”数控装备。例如：DMC85VLinear、DMC75VLinear、DMC105VLinear、DMC60HLinear、DMC80HLinear以及DML80-FineCutting激光加工机等。混合驱动型。例如：DMF500Linear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，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(Φ50，Pn=35)，V=80m/min，加速度1g，定位精度0.008mm。此外还有DMC80H和DMC100H、DMC125H(duoBLOCK)以及DMC60T等。表1AC直线电动机与精密滚珠丝杠副的对比PHS-BSAC-LM说明线性伺服进给系统主要环节CNC-伺服电机-无隙连轴器-止推轴承－PHS/BS-冷却系统-滚动导轨-螺母座-工作台闭环CNC-电机动子-强冷系统-滚动导轨-位置感测器－工作台AC-LM称为直接驱动，PHS-BS是非直接驱动驱动线速度(m/min)60～100(120)，速度范围有限60～200(600)，速度范围广前者当n↑，Pn↑；Vmax＝200m/min；后者最小：1µm/s加速度(g)0.5～1.5(2)0.5～10都要求运动部件轻量化定位、重复定位精度(µm)较高(2～5)很高。光栅闭环控制：0.1～0.01AC-LM在高速位移状态下可达亚微米级定位精度，跟踪误差小运动的平稳性(%速度)较好，10%很好，1%PHS-BS采用双头螺纹、双丝杆驱动可改善运动的平稳性行程范围有限无限PHS-BS一般不超过5m控制系统较简单，技术较成熟较复杂，要求高(全闭环控制)负载变化直接作用于AC-LM，由于端部效应、齿槽效应等因素，使伺服控制复杂化，难度加大热特性已有较成熟的技术抑制温升与热变形处于主机腹部的AC-LM是高发热部件，需采取强冷措施达到相同目的，后者要付出更大的代价工作噪音较低静音前者已开发出高速静音产品轴向推力较大(与丝杆参数有关)较小(一般＜10kN)采用多台AC-LM并联，可提高轴向推力，但布局困难产生相同推力所消耗的能量较小较大(功率损耗超过输出功率的50%)PHS-BS属于节能、增力型传动部件寿命(h)，可靠性6000～10000，可靠性较高≈50000，无机械磨损，寿命长，可靠性高PHS-BS的可靠性与制造品质有关，AC-LM的可靠性受控制系统稳定性影响对周边的影响没有影响必须采取有效隔磁与防护措施，隔断强磁场对滚动导轨的影响和对铁屑磁尘的吸附AC-LM法向磁力与轴向推力之比大约为4:1～5:1工作效率高更高，可使主机生产效率提高20%以上制造成本比普通滚珠丝杆高，比AC-LM低得多成本高，售价昂贵AC-LM在中国的制造技术成熟和量产后，成本和售价可望下降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Specht500L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需求的多样性，并折射出两颗明星的亮点。事实上，AC-LM和PHS-BS两种驱动方式尽管各有优势，但也有自身的软肋。表1对AC-LM和PHS-BS进行了对比，由此可以看出，两者在数控机床上都有各自最佳的适用范围。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“HyperMach”加工中心(46m)；日本MAZAK公司的“HYPERSONIC1400L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“DML80FineCutting”激光雕刻、打孔机，比利时LVD公司的“AXEL3015S”激光切割机，MAZAK的“HyperCear510”高速激光加工机等。我们再来分析PHS-BS的最佳应用场合。虽然PHS-BS的DN值已经历了从7万到15万再到20万(22万)的提速进程，从表1可看出，由于存在纯机械传动的软肋，其线速度、加速度、行程范围的增加总是有限的。就以日本NSK公司的新一代BSS和S3系列为例，在其产品样本中介绍DN值达22万，若选用Φ40×20mm的产品，则Vmax=110m/min，因Nmax=5500转/分转速很高，行程范围受临界转速Nc的制约显然不可能太长。若采用大导程Φ40×40mm产品，则Vmax=220m/min，这显然又不能满足定位精度高的场合。能达到DN值22万从一个侧面反映了该企业的设计、制造水准。如果我们选择Φ40×20(双头)mm产品，在n≈4000~5000转/分，V=80～100m/min状态下使用，其安全性、可靠性、工作寿命均可高于预期值。事实上到目前为止，在高速高档CNC金切机床中(CNC成形机床除外)尚未见到要求快进速度V≥20m/min仍采用PHS-BS驱动的成功范例。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。图4日本MAZAK公司Hypersonic1400L型超高速龙门式加工中心。X、Y轴采用直线电动机驱动V=120m/min