伺服電機(jī)與進(jìn)給滾珠絲杠的聯(lián)接的發(fā)展
伺服電機(jī)與進(jìn)給滾珠絲杠的聯(lián)接的發(fā)展
近年來，數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展也促進(jìn)了伺服電機(jī)向高速方向的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有兩種類型：“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)精密高速滾珠絲杠”和“直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)”。保守的滾珠絲杠加工精度高。隨著直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)和傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲桿”驅(qū)動(dòng)模式的對(duì)比引起了業(yè)界的關(guān)注。1845 年，英國人發(fā)明了直線電機(jī)，但當(dāng)時(shí)直線電機(jī)氣隙過大，效率低下，無法應(yīng)用?？茽柲Ω苍?20 世紀(jì) 70 年代推出，但由于成本高、效率低，其發(fā)展受到限制。直到 20 世紀(jì) 70 年代以后，直線電機(jī)才逐漸發(fā)展并應(yīng)用于一些特殊領(lǐng)域。20 世紀(jì) 90 年代，直線電機(jī)開始應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)?，F(xiàn)在，世界上一些先進(jìn)的技術(shù)加工中心制造商已經(jīng)開始應(yīng)用于其高速機(jī)床，例如，國外知名企業(yè) DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、Grob、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK 都推出了使用直線電機(jī)的高速高精度加工中心。
下面主要參考HIWIN科技的先進(jìn)的高速靜音式滾珠絲杠 SUPER S 系列（DN值達(dá)22萬）和HIWIN的直線電機(jī)在幾個(gè)主要特性上做一些比較，為相關(guān)業(yè)者提供一個(gè)參考。
速度比較：
速度方面直線電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，直線電機(jī)速度達(dá)到300m/min，加速度達(dá)到10g；滾珠絲杠速度為120m/min，加速度為1.5g。從速度上和加速度的對(duì)比上，直線電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，而且直線電機(jī)在成功解決發(fā)熱問題后速度還會(huì)進(jìn)一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。
精度比較：
精度方面直線電機(jī)因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單減少了插補(bǔ)滯后的問題，定位精度、重現(xiàn)精度、絕對(duì)精度，通過位置檢測反饋控制都會(huì)較“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”高，且容易實(shí)現(xiàn)。直線電機(jī)定位精度可達(dá)0.1μm。“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”最高達(dá)到2~5μm，且要求CNC-伺服電機(jī)-無隙連軸器-止推軸承-冷卻系統(tǒng)-高精度滾動(dòng)導(dǎo)軌-螺母座-工作臺(tái)閉環(huán)整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)部分要輕量化，光柵精度要高。
價(jià)格比較：
價(jià)格方面直線電機(jī)的價(jià)格要高出很多，這也是限制直線電機(jī)被更廣泛應(yīng)用的原因。
能耗比較：
直線電機(jī)在提供同樣轉(zhuǎn)矩時(shí)的能耗是“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”一倍以上，“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”屬于節(jié)能、增力型傳動(dòng)部件，直線電機(jī)可靠性受控制系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，對(duì)周邊的影響很大必須采取有效隔磁與防護(hù)措施，隔斷強(qiáng)磁場對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的影響和對(duì)鐵屑磁塵的吸附。
通過以下這個(gè)例子更容易使大家了解直線電機(jī)和“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的一些特點(diǎn)：
日本某公司超高速龍門式加工中心。X、Y軸采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)V=120m/min。該公司為何不應(yīng)用“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠(HIWIN SUPER S 系列）”？因?yàn)镾UPER S雖然DN值已經(jīng)歷了從傳統(tǒng)絲杠7萬到15萬再到22萬的提速進(jìn)程，但由于存在純機(jī)械傳動(dòng)的軟肋，其線速度、加速度、行程范圍的增加總是有限的。若選用Φ40×20mm的產(chǎn)品，則Vmax=110m/min，因Nmax=5500r/min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(gè)側(cè)面反映了HIWIN的設(shè)計(jì)、制造水準(zhǔn)。如果我們選擇Φ40×20(雙頭)mm產(chǎn)品，在n≈4000~5000r/min，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(shí)上到目前為止，在高速高精CNC金切機(jī)床中(CNC成形機(jī)床除外)速度V≥120m/min仍采用SUPER S系列驅(qū)動(dòng)的成功范例未見到。實(shí)際上“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的最佳應(yīng)用場合是：要求V=40~100m/min，加速0.8~1.5(2.0)g，精度P3級(jí)以上的中檔高速數(shù)控裝備和部分高檔數(shù)控裝備。
應(yīng)用比較：
事實(shí)上，直線電機(jī)和“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”兩種驅(qū)動(dòng)方式盡管各有優(yōu)勢，但也有自身的軟肋。兩者在數(shù)控機(jī)床上都有各自最佳的適用范圍。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)在以下數(shù)控裝備領(lǐng)域具有得天獨(dú)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(yùn)動(dòng)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。
兩種驅(qū)動(dòng)方式在德國DMG公司被同時(shí)運(yùn)用也說明他們具有各自的優(yōu)勢。直線電機(jī)的提升空間很大，未來直線電機(jī)的技術(shù)更加成熟了、產(chǎn)量上去了、成本下降了，應(yīng)用也會(huì)更加廣泛，但從節(jié)能降耗、綠色制造的角度思考，以及兩種結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)考慮“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”驅(qū)動(dòng)仍有其廣闊的市場空間。直線電機(jī)將成為高速(超高速)、高檔數(shù)控裝備中的主流驅(qū)動(dòng)方式的同時(shí)，“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”依然會(huì)繼續(xù)保持其在中檔高速數(shù)控裝備中的主流地位。
綜上所述，伺服系統(tǒng)與進(jìn)給滾珠絲杠的連接是數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用的重要組成部分，不同的連接方式適合不同數(shù)控機(jī)床的需要。這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提高了伺服系統(tǒng)的性能和可靠性，極大地推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。隨著時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，伺服系統(tǒng)與進(jìn)給滾珠絲杠之間的連接方式有一天可能會(huì)被其他社會(huì)發(fā)展成果所取代，但它已經(jīng)為數(shù)控產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生永久的影響。
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