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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：4703 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公司以批量生產各類高性能數控裝備著稱，在其伺服進給系統中采用AC-LM較早，而且采用率也是很高的（均在機床型號后標注“Linear”），該公司對AC-LM和PHS-BS的配置有三種類型：

各坐標軸全部配置AC-LM驅動的“快速型”數控裝備。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等均屬混合驅動型。
各坐標軸全部配置PHS-BS驅動的“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
線性伺服進給系統主要環節	CNC-伺服電機-無隙連軸器-止推軸承－PHS/BS-冷卻系統-滾動導軌-螺母座-工作臺	閉環CNC-電機動子-強冷系統-滾動導軌-位置感測器－工作臺	AC-LM稱為直接驅動，PHS-BS是非直接驅動
驅動線速度（m/min）	60～100（120），速度范圍有限	60～200（600），速度范圍廣	前者當n↑，Pn↑；Vmax＝200m/min；后者zui?。?µm/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、重復定位精度（µm）	較高（2～5）	很高。光柵閉環控制：0.1～0.01	AC-LM在高速位移狀態下可達亞微米級定位精度，跟蹤誤差小
運動的平穩性（%速度）	較好，10%	很好，1%	PHS-BS采用雙頭螺紋、雙絲桿驅動可改善運動的平穩性
行程范圍	有限	無限	PHS-BS一般不超過5m
控制系統	較簡單，技術較成熟	較復雜，要求高（全閉環控制）	負載變化直接作用于AC-LM，由于端部效應、齒槽效應等因素，使伺服控制復雜化，難度加大
熱特性	已有較成熟的技術抑制溫升與熱變形	處于主機腹部的AC-LM是高發熱部件，需采取強冷措施	達到相同目的，后者要付出更大的代價
工作噪音	較低	靜音	前者已開發出高速靜音產品
軸向推力	較大（與絲桿參數有關）	較?。ㄒ话悖?0kN）	采用多臺AC-LM并聯，可提高軸向推力，但布局困難
產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有關，AC-LM的可靠性受控制系統穩定性影響
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在中國的制造技術成熟和量產后，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，在其主導產品中同臺亮相，精彩紛呈。驅動方式的多樣性還表現在同一企業的同一型號、系列的高速數控裝備上，根據不同的使用場合，配置不同的驅動方式。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特性、定位精度的同時，zui大限度縮短非加工時間，提高生產效率，而其他軸仍采用PHS-BS驅動，從而使機床的性價比對用戶更有吸引力。這種“混合驅動”的模式是吃透了AC-LM和PHS-BS兩類功能部件的“功能”而進行的優化組合，把zui大限度滿足用戶個性需要作為目標，在創新中追求*的性價比，這樣的設計理念能真正給用戶帶來實實在在的效益。“混合驅動”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兩種驅動方式盡管各有優勢，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，兩者在數控機床上都有各自*的適用范圍。

AC-LM驅動在以下數控裝備領域具有得天獨厚的優勢：

高速、超高速、高加速度和生產批量大、要求定位的運動多、速度大小和方向頻繁變化的場合。例如汽車產業和IT產業的生產線，精密、復雜模具的制造。
大型、超長行程高速加工中心，航空航天制造業中輕合金、薄壁、金屬去除率大的整體構件“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）。
要求高動態特性、低速和高速時的隨動性、高靈敏的動態精密定位。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動V=120m/min

我們再來分析PHS-BS的*應用場合。雖然PHS-BS的DN值已經歷了從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，在其產品樣本中介紹DN值達22萬，若選用Φ40×20mm的產品，則Vmax=110m/min，因Nmax=5500轉/分轉速很高，行程范圍受臨界轉速Nc的制約顯然不可能太長。若采用大導程Φ40×40mm產品，則Vmax=220m/min，這顯然又不能滿足定位精度高的場合。能達到DN值22萬從一個側面反映了該企業的設計、制造水準。如果我們選擇Φ40×20（雙頭）mm產品，在n≈4000~5000轉/分，V=80～100m/min狀態下使用，其安全性、可靠性、工作壽命均可高于預期值。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驅動的成功范例。

據筆者調查分析：PHS-BS的*應用場合是：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以內的中檔高速數控裝備和部分數控裝備。

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