AC直線電動(dòng)機(jī)與精密滾珠絲杠副的必然性 具有成熟制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的滾珠絲杠副，從它誕生至今已有100多年歷史，在中國(guó)也有46年歷史。其產(chǎn)品功能隨主機(jī)的發(fā)展不斷擴(kuò)展、提高，從zui初的“敏捷省能傳動(dòng)”（上世紀(jì)六十年代前）到“精密定位”（上世紀(jì)七十年代后），再?gòu)?ldquo;大導(dǎo)程快速驅(qū)動(dòng)”（上世紀(jì)八十年代）到“精密高速驅(qū)動(dòng)”（上世紀(jì)九十年代中期），“速度”與“精度”的發(fā)展可謂與時(shí)俱進(jìn)，特別是進(jìn)入21世紀(jì)，PHS-BS得到迅速發(fā)展，成為數(shù)控裝備伺服快速進(jìn)給系統(tǒng)中與AC-LM并列的兩顆耀眼明星。 當(dāng)滾珠絲杠與滾珠螺母相對(duì)位移時(shí)，其加速度≥1g、線速度≥60m/min、或DN值≥120000（DN值的定義是：滾珠絲杠副公稱(chēng)直徑do（mm）和滾珠絲杠與滾珠螺母相對(duì)轉(zhuǎn)速n（r/min）的乘積）、精度達(dá)到P3級(jí)以上（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18587），而各項(xiàng)性能指標(biāo)（力矩變化、剛度、溫升、噪聲等）滿(mǎn)足主機(jī)要求者，就可稱(chēng)之為精密高速滾珠絲杠副（PHS-BS）。 由于滾珠絲杠副優(yōu)良的滾動(dòng)摩擦特性和傳動(dòng)效率高（η=90～95%）、傳動(dòng)敏捷靈活等功能，使其具備提速的有利條件。提速有三個(gè)途徑：（1）加大導(dǎo)程Pn，這就是我們常說(shuō)的大導(dǎo)程（或超大導(dǎo)程）滾珠絲杠副。因Pn增大不利于提高導(dǎo)程精度，而且進(jìn)給系統(tǒng)的靜剛度迅速下降，所以只適用于對(duì)定位精度要求不高的快速驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。（2）兼顧精度、速度、動(dòng)態(tài)特性，適度增加Pn和n（轉(zhuǎn)速）以及螺紋頭數(shù)。因?yàn)槭芘R界轉(zhuǎn)速Nc的制約，追求高轉(zhuǎn)速是不可取的。（3）從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式上進(jìn)行改革創(chuàng)新，例如：變絲杠主驅(qū)動(dòng)為螺母主驅(qū)動(dòng)；變單驅(qū)動(dòng)為雙驅(qū)動(dòng)；絲杠空心化、螺母小徑化、滾動(dòng)體輕量化等。 PHS-BS的出現(xiàn)起源于上世紀(jì)九十年代中后期，日本NSK公司首先推出于高速數(shù)控機(jī)床的HMC系列，直徑Ø36～55 mm、Pn=16～32mm、Vmax=116m/min、加速度1.3g、DN值=13萬(wàn)、精度C3～C5（JIS標(biāo)準(zhǔn)）。近年來(lái)，世界上的滾珠絲杠制造企業(yè)先后推出一批DN值≥150000（220000），V≥120m/min（200m/min）、加速度≥1.5g的靜音PHS-BS產(chǎn)品，例如：日本NSK公司的BSS和S3系列、THK公司的SBK系列、中國(guó)臺(tái)灣HIWIN公司的Super S系列、PMI公司的FSW系列、德國(guó)Rexroth公司的FDM-E系列、西班牙Korta公司的NTG系列等。中國(guó)zui早從事PHS-BS研究的是北京機(jī)床研究所，在“九五”攻關(guān)中完成了GSZ2000型高速滾珠絲杠副綜合測(cè)量?jī)x的研制，隨后山東濟(jì)寧博特公司與山東工業(yè)大學(xué)合作也研制成功BTJS-03高速滾珠絲杠副測(cè)量?jī)x。目前國(guó)內(nèi)PHS-BS的水平是：Vmax≥60m/min（80m/min）、加速度1.4g、精度≥P3級(jí)、DN值≈140000。
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圖2 北京機(jī)床研究所精密機(jī)電公司的μ1000 系列立式加工中心三軸采用PHS—BS實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)給和高精度定位
| 歸納起來(lái)新一代PHS-BS具有以下特點(diǎn)： - 對(duì)循環(huán)返向裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)研究證明循環(huán)返向裝置是直接影響PHS-BS滾珠流暢性和動(dòng)態(tài)特性、振動(dòng)和噪聲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它制約了DN值的提高。早期的PHS-BS采用厚壁切入式的導(dǎo)珠管，使?jié)L珠螺母螺旋線的延伸方向與導(dǎo)珠管對(duì)接。近年又流行一種新的內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，它是在滾珠螺母的螺旋線兩端配置“端塞式”返向裝置，使DN值達(dá)到200000，噪聲降低6-7dB（A），螺母徑向尺寸縮小30%左右。
- 優(yōu)化滾珠鏈結(jié)構(gòu)。為減小高速旋轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體的離心力，采用小徑球、Si3N4陶瓷球或DS改質(zhì)球。為了隔斷滾動(dòng)體在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相互碰撞、擠壓、摩擦，在滾珠鏈中增加用特殊工程塑料制作并有潤(rùn)滑功能的隔離器，從而有效降低溫升和噪聲，增加滾動(dòng)體的流暢性。
- 為減少高速時(shí)“楔效應(yīng)”對(duì)滾動(dòng)體流暢性的影響，對(duì)內(nèi)外螺紋滾道的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并降低滾道面的粗糙度，或?qū)Ρ砻孢M(jìn)行改質(zhì)處理，改善摩擦特性。
- 將滾珠絲杠做成空心，從絲杠內(nèi)部實(shí)施強(qiáng)冷。有的企業(yè)還在內(nèi)孔中配置阻尼棒，抑制高速時(shí)的振動(dòng)。HIWIN公司的“Cool Type I”系列還同時(shí)對(duì)滾珠螺母實(shí)施強(qiáng)冷。
- 近年德國(guó)Rexroth、INA、日本THK等公司推出AC電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠螺母的高速線性驅(qū)動(dòng)裝置（詳見(jiàn)《中國(guó)機(jī)械與金屬》2005年12期）。
- 絲杠和螺母分別由兩個(gè)AC電機(jī)驅(qū)動(dòng)，借助于兩者轉(zhuǎn)速大小和施轉(zhuǎn)方向的疊加，既可成倍提速，又能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。
- 充分利用滾珠絲杠副能完成同步運(yùn)動(dòng)的功能，采用雙電機(jī)雙絲杠驅(qū)動(dòng)方式，提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)在高速時(shí)的平穩(wěn)性，改善動(dòng)能特性，例如：美國(guó)CINCINNATI LAMB公司的HPC-800HP高速臥式加工中心（見(jiàn)圖3）。此外，德國(guó)DMG的DMC63H，瑞士DIXI公司的DHP-80-5x，日本牧野公司的A55E，中國(guó)大連機(jī)床集團(tuán)的DHSC500，寧江機(jī)床集團(tuán)的NJ-5HMC40等，也采用雙電機(jī)、雙絲杠驅(qū)動(dòng)。
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圖3 美國(guó)CINCINNATI LAMB公司的HPC-800HP臥式高速加工中心X、Y、Z三軸采用雙PHS-BS驅(qū)動(dòng)，V=80m/min，加速度1.5g?？蛑锌蚪Y(jié)構(gòu)的雙驅(qū)動(dòng)大大提高了快速進(jìn)給的穩(wěn)定性
| 根據(jù)筆者在一次CIMT機(jī)床展覽上的調(diào)查統(tǒng)計(jì)及隨后的跟蹤可以看出：在中檔高速數(shù)控機(jī)床中，采用PHS-BS依然是主流，而部分、高速數(shù)控機(jī)床中采用PHS-BS也屢見(jiàn)不鮮。 本文有蘇州中航長(zhǎng)風(fēng)數(shù)控科技有限公司各系列電火花機(jī)床，火花機(jī)整理發(fā)布在 公司上。 |
