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简述AC直线电动机与精密滚珠丝杠副的必然性
点击次数:2825 更新时间:2010-09-11
 

AC直线电动机与精密滚珠丝杠副的必然性

        具有成熟制造技术和产业化规模的滚珠丝杠副,从它诞生至今已有100多年历史,在中国也有46年历史。其产品功能随主机的发展不断扩展、提高,从zui初的“敏捷省能传动”(上世纪六十年代前)到“精密定位”(上世纪七十年代后),再从“大导程快速驱动”(上世纪八十年代)到“精密高速驱动”(上世纪九十年代中期),“速度”与“精度”的发展可谓与时俱进,特别是进入21世纪,PHS-BS得到迅速发展,成为数控装备伺服快速进给系统中与AC-LM并列的两颗耀眼明星。

滚珠丝杠与滚珠螺母相对位移时,其加速度≥1g、线速度≥60m/min、或DN值≥120000(DN值的定义是:滚珠丝杠副公称直径do(mm)和滚珠丝杠与滚珠螺母相对转速n(r/min)的乘积)、精度达到P3级以上(国家标准GB/T18587),而各项性能指标(力矩变化、刚度、温升、噪声等)满足主机要求者,就可称之为精密高速滚珠丝杠副(PHS-BS)。
由于滚珠丝杠副优良的滚动摩擦特性和传动效率高(η=90~95%)、传动敏捷灵活等功能,使其具备提速的有利条件。提速有三个途径:(1)加大导程Pn,这就是我们常说的大导程(或超大导程)滚珠丝杠副。因Pn增大不利于提高导程精度,而且进给系统的静刚度迅速下降,所以只适用于对定位精度要求不高的快速驱动场合。(2)兼顾精度、速度、动态特性,适度增加Pn和n(转速)以及螺纹头数。因为受临界转速Nc的制约,追求高转速是不可取的。(3)从产品结构和驱动方式上进行改革创新,例如:变丝杠主驱动为螺母主驱动;变单驱动为双驱动;丝杠空心化、螺母小径化、滚动体轻量化等。
PHS-BS的出现起源于上世纪九十年代中后期,日本NSK公司首先推出于高速数控机床的HMC系列,直径Ø36~55 mm、Pn=16~32mm、Vmax=116m/min、加速度1.3g、DN值=13万、精度C3~C5(JIS标准)。近年来,世界上的滚珠丝杠制造企业先后推出一批DN值≥150000(220000),V≥120m/min(200m/min)、加速度≥1.5g的静音PHS-BS产品,例如:日本NSK公司的BSS和S3系列、THK公司的SBK系列、中国台湾HIWIN公司的Super S系列、PMI公司的FSW系列、德国Rexroth公司的FDM-E系列、西班牙Korta公司的NTG系列等。中国zui早从事PHS-BS研究的是北京机床研究所,在“九五”攻关中完成了GSZ2000型高速滚珠丝杠副综合测量仪的研制,随后山东济宁博特公司与山东工业大学合作也研制成功BTJS-03高速滚珠丝杠副测量仪。目前国内PHS-BS的水平是:Vmax≥60m/min(80m/min)、加速度1.4g、精度≥P3级、DN值≈140000。
 


图2 北京机床研究所精密机电公司的μ1000 系列立式加工中心三轴采用PHS—BS实现快速进给和高精度定位

归纳起来新一代PHS-BS具有以下特点:
  1. 对循环返向装置进行了优化设计。试验研究证明循环返向装置是直接影响PHS-BS滚珠流畅性和动态特性、振动和噪声的关键环节,它制约了DN值的提高。早期的PHS-BS采用厚壁切入式的导珠管,使滚珠螺母螺旋线的延伸方向与导珠管对接。近年又流行一种新的内循环结构,它是在滚珠螺母的螺旋线两端配置“端塞式”返向装置,使DN值达到200000,噪声降低6-7dB(A),螺母径向尺寸缩小30%左右。
  2. 优化滚珠链结构。为减小高速旋转时滚动体的离心力,采用小径球、Si3N4陶瓷球或DS改质球。为了隔断滚动体在高速运转时相互碰撞、挤压、摩擦,在滚珠链中增加用特殊工程塑料制作并有润滑功能的隔离器,从而有效降低温升和噪声,增加滚动体的流畅性。
  3. 为减少高速时“楔效应”对滚动体流畅性的影响,对内外螺纹滚道的几何参数进行优化设计,并降低滚道面的粗糙度,或对表面进行改质处理,改善摩擦特性。
  4. 将滚珠丝杠做成空心,从丝杠内部实施强冷。有的企业还在内孔中配置阻尼棒,抑制高速时的振动。HIWIN公司的“Cool Type I”系列还同时对滚珠螺母实施强冷。
  5. 近年德国Rexroth、INA、日本THK等公司推出AC电机直接驱动滚珠螺母的高速线性驱动装置(详见《中国机械与金属》2005年12期)。
  6. 丝杠和螺母分别由两个AC电机驱动,借助于两者转速大小和施转方向的叠加,既可成倍提速,又能实现微量进给。
  7. 充分利用滚珠丝杠副能完成同步运动的功能,采用双电机双丝杠驱动方式,提高伺服进给系统在高速时的平稳性,改善动能特性,例如:美国CINCINNATI LAMB公司的HPC-800HP高速卧式加工中心(见图3)。此外,德国DMG的DMC63H,瑞士DIXI公司的DHP-80-5x,日本牧野公司的A55E,中国大连机床集团的DHSC500,宁江机床集团的NJ-5HMC40等,也采用双电机、双丝杠驱动。


图3 美国CINCINNATI LAMB公司的HPC-800HP卧式高速加工中心X、Y、Z三轴采用双PHS-BS驱动,V=80m/min,加速度1.5g。框中框结构的双驱动大大提高了快速进给的稳定性

根据笔者在一次CIMT机床展览上的调查统计及随后的跟踪可以看出:在中档高速数控机床中,采用PHS-BS依然是主流,而部分、高速数控机床中采用PHS-BS也屡见不鲜。

本文有苏州中航长风数控科技有限公司各系列电火花机床火花机整理发布在 公司上。

 
 
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