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AC直线电动机与精密滚珠丝杠副的对比

点击次数：4425 更新时间：2010-09-11

AC直线电动机与精密滚珠丝杠副的对比

德国DMG公司以批量生产各类高性能数控装备著称，在其伺服进给系统中采用AC-LM较早，而且采用率也是很高的（均在机床型号后标注“Linear”），该公司对AC-LM和PHS-BS的配置有三种类型：

各坐标轴全部配置AC-LM驱动的“快速型”数控装备。例如：DMC85V Linear、DMC75V Linear、DMC105V Linear、DMC60H Linear、DMC80H Linear以及DML80-Fine Cutting激光加工机等。
混合驱动型。例如：DMF500 Linear动柱式大型立式加工中心，在X轴（行程5m）配置AC-LM，V=100m/min；而在Y、Z轴则采用PHS-BS，V=60m/min。此外，CTV250、CTX300、CTX420、DMC104V、DMF220F、DMF360F等均属混合驱动型。
各坐标轴全部配置PHS-BS驱动的“强力型”加工中心。例如：DMC63H高速卧式加工中心，X、Y、Z三轴全部采用PHS-BS驱动（Φ50，Pn=35），V=80m/min，加速度1g，定位精度0.008mm。此外还有DMC80H和DMC100H、DMC125H （duo BLOCK）以及DMC60T等。

**表1 AC直线电动机与精密滚珠丝杠副的对比**
	PHS-BS	AC-LM	说明
线性伺服进给系统主要环节	CNC-伺服电机-无隙连轴器-止推轴承－PHS/BS-冷却系统-滚动导轨-螺母座-工作台	闭环CNC-电机动子-强冷系统-滚动导轨-位置感测器－工作台	AC-LM称为直接驱动，PHS-BS是非直接驱动
驱动线速度（m/min）	60～100（120），速度范围有限	60～200（600），速度范围广	前者当n↑，Pn↑；Vmax＝200m/min；后者zui小：1µm/s
加速度（g）	0.5～1.5（2）	0.5～10	都要求运动部件轻量化
定位、重复定位精度（µm）	较高（2～5）	很高。光栅闭环控制：0.1～0.01	AC-LM在高速位移状态下可达亚微米级定位精度，跟踪误差小
运动的平稳性（%速度）	较好，10%	很好，1%	PHS-BS采用双头螺纹、双丝杆驱动可改善运动的平稳性
行程范围	有限	无限	PHS-BS一般不超过5m
控制系统	较简单，技术较成熟	较复杂，要求高（全闭环控制）	负载变化直接作用于AC-LM，由于端部效应、齿槽效应等因素，使伺服控制复杂化，难度加大
热特性	已有较成熟的技术抑制温升与热变形	处于主机腹部的AC-LM是高发热部件，需采取强冷措施	达到相同目的，后者要付出更大的代价
工作噪音	较低	静音	前者已开发出高速静音产品
轴向推力	较大（与丝杆参数有关）	较小（一般＜10kN）	采用多台AC-LM并联，可提高轴向推力，但布局困难
产生相同推力所消耗的能量	较小	较大（功率损耗超过输出功率的50%）	PHS-BS属于节能、增力型传动部件
寿命（h），可靠性	6000～10000，可靠性较高	≈50000，无机械磨损，寿命长，可靠性高	PHS-BS的可靠性与制造品质有关，AC-LM的可靠性受控制系统稳定性影响
对周边的影响	没有影响	必须采取有效隔磁与防护措施，隔断强磁场对滚动导轨的影响和对铁屑磁尘的吸附	AC-LM法向磁力与轴向推力之比大约为4:1～5:1
工作效率	高	更高，可使主机生产效率提高20%以上
制造成本	比普通滚珠丝杆高，比AC-LM低得多	成本高，售价昂贵	AC-LM在中国的制造技术成熟和量产后，成本和售价可望下降

AC-LM和PHS-BS这两颗明星被DMG公司活用，在其主导产品中同台亮相，精彩纷呈。驱动方式的多样性还表现在同一企业的同一型号、系列的高速数控装备上，根据不同的使用场合，配置不同的驱动方式。例如德国Grob公司的BZ500型配置PHS-BS，而BZ500L型就配置AC-LM；日本大隈铁工的MA-400HA型配置PHS-BS，而MAC-Star-400型配置AC-LM；德国Hueller-Hille的Specht63系列配置PHS-BS，而Specht 500L系列配置AC-LM等等。DMG和某些公司只在长行程的X轴配置AC-LM，意在提高机床的动态特性、定位精度的同时，zui大限度缩短非加工时间，提高生产效率，而其他轴仍采用PHS-BS驱动，从而使机床的性价比对用户更有吸引力。这种“混合驱动”的模式是吃透了AC-LM和PHS-BS两类功能部件的“功能”而进行的优化组合，把zui大限度满足用户个性需要作为目标，在创新中追求*的性价比，这样的设计理念能真正给用户带来实实在在的效益。“混合驱动”的模式客观地反映了市场需求的多样性，并折射出两颗明星的亮点。

事实上，AC-LM和PHS-BS两种驱动方式尽管各有优势，但也有自身的软肋。表1对AC-LM和PHS-BS进行了对比，由此可以看出，两者在数控机床上都有各自*的适用范围。

AC-LM驱动在以下数控装备领域具有得天独厚的优势：

高速、超高速、高加速度和生产批量大、要求定位的运动多、速度大小和方向频繁变化的场合。例如汽车产业和IT产业的生产线，精密、复杂模具的制造。
大型、超长行程高速加工中心，航空航天制造业中轻合金、薄壁、金属去除率大的整体构件“镂空”加工。例如美国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（见图4），x、y轴采用AC-LM，快进速度120m/min，能将整体铝块镂空成飞机零件（Z轴仍用PHS-BS）。
要求高动态特性、低速和高速时的随动性、高灵敏的动态精密定位。例如，以Sodick为代表的新一代高性能CNC电加工机床、CNC超精密机床、新一代CPC曲轴磨床、凸轮磨床、CNC非园车床等。
轻载、快速特种CNC装备。例如德国DMG的“DML80 Fine Cutting”激光雕刻、打孔机，比利时LVD公司的“AXEL3015S”激光切割机，MAZAK的“Hyper Cear510”高速激光加工机等。

图4 日本MAZAK公司Hypersonic 1400L型超高速龙门式加工中心。X、Y轴采用直线电动机驱动V=120m/min

我们再来分析PHS-BS的*应用场合。虽然PHS-BS的DN值已经历了从7万到15万再到20万（22万）的提速进程，从表1可看出，由于存在纯机械传动的软肋，其线速度、加速度、行程范围的增加总是有限的。就以日本NSK公司的新一代BSS和S3系列为例，在其产品样本中介绍DN值达22万，若选用Φ40×20mm的产品，则Vmax=110m/min，因Nmax=5500转/分转速很高，行程范围受临界转速Nc的制约显然不可能太长。若采用大导程Φ40×40mm产品，则Vmax=220m/min，这显然又不能满足定位精度高的场合。能达到DN值22万从一个侧面反映了该企业的设计、制造水准。如果我们选择Φ40×20（双头）mm产品，在n≈4000~5000转/分，V=80～100m/min状态下使用，其安全性、可靠性、工作寿命均可高于预期值。事实上到目前为止，在高速CNC金切机床中（CNC成形机床除外）尚未见到要求快进速度V≥20m/min仍采用PHS-BS驱动的成功范例。

据笔者调查分析：PHS-BS的*应用场合是：要求V=40~100m/min，加速度0.8~1.5（2.0）g，精度P3级以上，行程范围在3m以内的中档高速数控装备和部分数控装备。

本文由苏州中航长风数控科技有限公司-电火花，快走丝，中走丝，线切割机，数控线切割机床，高速穿孔机，高速成型机，电解取毛刺机床-整理发布在公司上。