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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：3058 更新时间：2010-09-11 |
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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。 当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。
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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： - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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）。
- 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。
- 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。
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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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