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AC直線電動機與精密滾珠絲杠副的對比

點擊次數(shù)：5111 更新時間：2010-09-11

AC直線電動機與精密滾珠絲杠副的對比

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(biāo)注“Linear”），該公司對AC-LM和PHS-BS的配置有三種類型：

各坐標(biāo)軸全部配置AC-LM驅(qū)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(qū)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(qū)動型。
各坐標(biāo)軸全部配置PHS-BS驅(qū)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(qū)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(dǎo)軌-螺母座-工作臺	閉環(huán)CNC-電機動子-強冷系統(tǒng)-滾動導(dǎo)軌-位置感測器－工作臺	AC-LM稱為直接驅(qū)動，PHS-BS是非直接驅(qū)動
驅(qū)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(dāng)n↑，Pn↑；Vmax＝200m/min；后者zui小：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(fù)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(dá)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(qū)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(shù)較成熟	較復(fù)雜，要求高（全閉環(huán)控制）	負(fù)載變化直接作用于AC-LM，由于端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)等因素，使伺服控制復(fù)雜化，難度加大
熱特性	已有較成熟的技術(shù)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(dá)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(guān)）	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(zhì)有關(guān)，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(dǎo)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(shù)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(dǎo)產(chǎn)品中同臺亮相，精彩紛呈。驅(qū)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(qū)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，zui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(qū)動，從而使機床的性價比對用戶更有吸引力。這種“混合驅(qū)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zui大限度滿足用戶個性需要作為目標(biāo)，在創(chuàng)新中追求*的性價比，這樣的設(shè)計理念能真正給用戶帶來實實在在的效益。“混合驅(qū)動”的模式客觀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(qū)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*的適用范圍。

AC-LM驅(qū)動在以下數(shù)控裝備領(lǐng)域具有得天獨厚的優(yōu)勢：

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(fù)雜模具的制造。
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(gòu)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）。
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。
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。

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(qū)動V=120m/min

我們再來分析PHS-BS的*應(yīng)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(dá)22萬，若選用Φ40×20mm的產(chǎn)品，則Vmax=110m/min，因Nmax=5500轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速很高，行程范圍受臨界轉(zhuǎn)速Nc的制約顯然不可能太長。若采用大導(dǎo)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(dá)到DN值22萬從一個側(cè)面反映了該企業(yè)的設(shè)計、制造水準(zhǔn)。如果我們選擇Φ40×20（雙頭）mm產(chǎn)品，在n≈4000~5000轉(zhuǎn)/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(yù)期值。事實上到目前為止，在高速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(qū)動的成功范例。

據(jù)筆者調(diào)查分析：PHS-BS的*應(yīng)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?jǐn)?shù)控裝備。

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