基于直線電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用對(duì)比
2019-9-12 來源：東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司 作者：唐行虎
摘要：本文從功能原理、技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用實(shí)例方面對(duì)滾珠絲杠和直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心性能進(jìn)行了全面的對(duì)比，展現(xiàn)了直線電動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性能和發(fā)展態(tài)勢。
滾珠絲杠在機(jī)床行業(yè)的普遍應(yīng)用，推動(dòng)了加工機(jī)床行業(yè)的快速發(fā)展，但機(jī)械式傳動(dòng)的局限性，已無法應(yīng)對(duì)日益高速化、高效化切削的發(fā)展趨勢。直線電動(dòng)機(jī)式就是在這種趨勢的需求下產(chǎn)生的一種高速高效傳動(dòng)方式，特別是機(jī)床的高速傳動(dòng)發(fā)展跨上一個(gè)新臺(tái)階。德國作為世界先進(jìn)機(jī)床的先驅(qū)，20世紀(jì)80年代就開始了高速銑削和車削技術(shù)的研發(fā)。1993年，德國EXCELLO公司推出了世界上第一個(gè)由直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)HSC-240型高速加工中心，機(jī)床主軸最高速達(dá)到24 000r/min，最大進(jìn)給速度為60n/min，加速度達(dá)到1g。
當(dāng)進(jìn)給速度為20m/min時(shí)，其輪廓精度可達(dá)0.004mm。美國的Ingersoll公司緊接著推出了HVM-800型高速加工中心，最大進(jìn)給速度達(dá)到75.20m/m i n。
1996年開始，日本相繼研制成功采用直線電動(dòng)機(jī)的臥式加工中心、高速機(jī)床、超高速小型加工中心、超精密鏡面加工機(jī)床、高速成形機(jī)床等。從此以后，直線電動(dòng)機(jī)在高速數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用如雨后春筍般地迅速發(fā)展起來。近十年來，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家紛紛投入巨資，大力研究、開發(fā)成功不少直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速數(shù)控機(jī)床，并逐漸有搶占傳統(tǒng)滾珠絲杠市場的態(tài)勢。
直線電動(dòng)機(jī)加工中心在國外的寶馬、通用等著名汽車公司已經(jīng)有成熟的應(yīng)用，在國內(nèi)上汽通用、東風(fēng)雪鐵龍、昌河鈴木、海馬汽車等也有整線的應(yīng)用實(shí)例。本文從技術(shù)分析和應(yīng)用實(shí)例上進(jìn)行了直線電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)加工中心的對(duì)比。圖1為Comau Urane25直線電動(dòng)機(jī)高速加工中心。
圖1
傳動(dòng)原理分析對(duì)比滾珠杠副存任的問題如下：
（1）“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠副”的直線驅(qū)動(dòng)方式存在著多個(gè)彈性環(huán)節(jié)，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)剛度下降，同時(shí)彈性變形使系統(tǒng)的階次變高，系統(tǒng)的魯棒性降低，從而使伺服性能下降。彈性變形是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生機(jī)械諧振的根源。
（2）中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的存在，增加了運(yùn)動(dòng)體的慣量，使得位移和速度響應(yīng)變慢。
（3）間隙死區(qū)、摩擦、誤差積累等因素，使進(jìn)給速度和加速度受到限制。
（4）動(dòng)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性較差，在高速運(yùn)動(dòng)下噪聲易發(fā)熱。
（5）精度保持壽命相對(duì)短。
而直線電動(dòng)機(jī)以—個(gè)運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，則具有以下優(yōu)點(diǎn)：直接驅(qū)動(dòng)中力是無接觸傳遞的，因此無磨損，使用壽命長，維護(hù)簡單；傳動(dòng)剛性高，推力平穩(wěn)，直接驅(qū)動(dòng)，彈性環(huán)節(jié)減少，系統(tǒng)剛性提高，傳動(dòng)效果高；定位精度和重復(fù)定位精度高，可達(dá)亞微米級(jí)，比伺服電動(dòng)機(jī)及滾珠絲杠副傳動(dòng)的加速度和重復(fù)定位精度提高7～10 倍。
性能指標(biāo)對(duì)比直線電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)如下：
（1）快速響應(yīng)性。一般說，機(jī)械傳動(dòng)件比電氣元件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間耍大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于系統(tǒng)中取消和響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的如滾珠絲杠等機(jī)械傳動(dòng)件。使整個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高。
圖2 機(jī)床驅(qū)動(dòng)軸原理對(duì)比
（2）結(jié)構(gòu)簡單，以—個(gè)運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。直接驅(qū)動(dòng)中力是無接觸傳遞的，因此無磨損，使用壽命長，維護(hù)簡單。
（ 3 ） 傳 動(dòng) 剛 性 高 ， 推 力 平穩(wěn)，直接驅(qū)動(dòng)，彈性環(huán)節(jié)減少，系統(tǒng)剛性提高，傳動(dòng)效果高。
（ 4 ） 精 度 和 重 復(fù) 定 位 精 度高，可達(dá)亞微米級(jí)，比伺服電動(dòng)機(jī)及滾珠絲杠副傳動(dòng)的加速度和重復(fù)定位精度提高7～10 倍。
（5）速度高，加速度大。最大速度可達(dá)90～180m/min，最大加速度可達(dá)10g。
（6）行程不受限制。在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電動(dòng)機(jī)的定子可任意延長動(dòng)子的行程長度，這是滾珠絲杠所望塵莫及的。結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小，運(yùn)動(dòng)部件摩擦小、磨損小、使用壽命長、安全可靠。
加工效率的對(duì)比現(xiàn) 以 某 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 氣 缸 蓋 的 8 個(gè)φ11H7 的導(dǎo)管孔精加工為例，分別用滾珠絲杠的加工中心A和直線電動(dòng)機(jī)加工中心B加工，兩機(jī)床的參數(shù)如圖3所示，工藝參數(shù)及節(jié)拍見表2。
表1 兩種設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
表2 加工參數(shù)節(jié)拍對(duì)比表
圖3 工藝參數(shù)及節(jié)拍表
數(shù)據(jù)表明，同樣的加工內(nèi)容和切削參數(shù)下，直線電動(dòng)機(jī)的加工中心節(jié)拍比滾珠絲杠加工中心降低近40％。直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的高速進(jìn)給，配備高速的電主軸，大大提高了切削效率；同時(shí)，直線電動(dòng)機(jī)極高的快移速度也大大降低了空行程時(shí)間，這就是直線電動(dòng)機(jī)加工中心生產(chǎn)效率高于滾珠絲杠加工中心的原因。如果生產(chǎn)線編排要求工序集中化、頻繁重復(fù)多個(gè)同樣的加工內(nèi)容、加工時(shí)空行程較長、設(shè)備安裝空間小、生產(chǎn)效率高、人員配備少，這些情況下，建議采用直線電動(dòng)機(jī)加工直線來組成生產(chǎn)線；如果工藝編排分散化、刀具性能不能滿足高速加工、需要強(qiáng)力切削、工件裝夾轉(zhuǎn)換頻繁，則建議采用滾珠絲杠加工中心來組件生產(chǎn)線。加工精度試驗(yàn)對(duì)比兩種傳動(dòng)方式，從原理上存在根本的精度控制差異，直線電動(dòng)機(jī)的定位精度基本能控制在0.003mm以內(nèi)，重復(fù)精度控制在0.001mm以內(nèi)，且能保持長期的穩(wěn)定；
而絲杠傳動(dòng)初期基本在0.005mm，在后期磨損后精度逐步降低到0.01mm左右，精度會(huì)越來越差，需頻繁的維護(hù)和更換。行業(yè)內(nèi)一般用插補(bǔ)加工來對(duì)比圓度差異，分別用直線電動(dòng)機(jī)加工中心和滾珠絲杠加工中心插補(bǔ)銑φ 50mm的孔，絲杠傳動(dòng)的設(shè)備加工出來，微觀上的形狀是鋸齒狀，且圓度較大，而直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)加工的孔形狀基本保持比較圓滑的過渡。圓度結(jié)果分別為：滾珠絲杠加工中心13.4μm（見圖4）， 直線電動(dòng)機(jī)加工中心3.1μm（見圖5）。
圖4
圖5
由此可見在進(jìn)行圓弧插補(bǔ)加工時(shí)，直線電動(dòng)機(jī)加工中心加工出來的孔圓度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于滾珠絲杠中心，更適合用于加工精度要求較高的曲線、曲面特征，如用于高精度模具的加工。
以上是結(jié)合工作原理與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)直線電動(dòng)機(jī)高速加工中心與傳統(tǒng)滾柱絲杠傳動(dòng)的機(jī)械主軸加工中心的對(duì)比，最終應(yīng)用時(shí)需結(jié)合自身產(chǎn)品、工藝、技術(shù)要求和投資的理念，擇期適者而用之。
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