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基於直線電動機和（hé）滾珠絲（sī）杠驅動（dòng）的應用對比

2019-9-12 來源：東風日產乘用車公司（sī）作者（zhě）：唐行虎

摘（zhāi）要：本文從功能原理、技術參數、應用（yòng）實例方麵對滾珠絲杠和直（zhí）線電動（dòng）機驅動的加工中心性能進（jìn）行了（le）全麵的對比，展現了直線（xiàn）電動（dòng）機的優（yōu）越性能（néng）和發展（zhǎn）態勢。

滾珠絲杠在機床行（háng）業的普遍應用，推動了加（jiā）工機床（chuáng）行業的快速發展，但（dàn）機械式傳動（dòng）的（de）局限性，已無法應對日（rì）益高速化、高效化切削的發展趨勢。直線電動機式就（jiù）是在（zài）這（zhè）種趨勢的需求下產生的一種高速高（gāo）效傳動方式，特別是機床的高速傳動發展跨（kuà）上一個新台（tái）階。德國作為（wéi）世界先進（jìn）機床的先驅（qū），20世紀80年代（dài）就（jiù）開始了高速銑削和車削技術的研發。1993年，德國EXCELLO公司推出（chū）了世（shì）界上第一個由（yóu）直線電動機驅動的工作（zuò）台HSC-240型高速加工中心，機床主軸最高速達到24 000r/min，最大進給速（sù）度為60n/min，加速度達到1g。

當進給速度為20m/min時，其輪廓精度（dù）可達0.004mm。美國的（de）Ingersoll公司（sī）緊接著推出了HVM-800型高速加工中心，最（zuì）大進給速度（dù）達（dá）到（dào）75.20m/m i n。

1996年開始，日本相繼研製成功采用直線電（diàn）動機的臥式加工中心、高速機床、超高（gāo）速小型加工中心、超精密鏡麵加工機床、高速成形機床等。從此以後，直線電動（dòng）機（jī）在高速數控機床的應用如雨後春筍般地迅速發展起來。近十年來，世界上各（gè）工業（yè）發達國家紛紛投入巨資，大力研究、開發（fā）成功不少直線電動機驅動的（de）高（gāo）速數控（kòng）機床，並逐漸有搶占傳統滾珠絲杠市場的態勢。

直線電動機（jī）加工中（zhōng）心在國外的寶馬（mǎ）、通用（yòng）等著名汽車公司已經有成熟（shú）的應（yīng）用，在國（guó）內上汽通用、東風雪鐵龍、昌河鈴木、海（hǎi）馬汽車等也有整線的應用實例。本文從技術分析和應用實例上（shàng）進行了直（zhí）線電動機和滾珠絲杠（gàng）驅動加工中心的對比。圖1為Comau Urane25直線電（diàn）動機高（gāo）速（sù）加工中心。

圖1

傳動原理分析對比滾珠杠副存任的問題如下：

（1）“旋轉（zhuǎn）電動機+滾珠（zhū）絲杠副（fù）”的直線（xiàn）驅動方式存在著多個彈性（xìng）環節，當整個係統在高速運動時，會出現剛度下降，同時彈性變形使係（xì）統的階次變高，係統的魯棒性（xìng）降低，從而使伺（sì）服性能下降。彈性變形是數控機床產（chǎn）生機（jī）械諧振的根源。

（2）中間傳動環節的（de）存在，增加（jiā）了運動體的慣量，使（shǐ）得位移和速（sù）度響應（yīng）變慢。

（3）間隙死（sǐ）區、摩擦、誤差積累等因素，使進給速度和加速度受到（dào）限製。

（4）動轉平穩性較差，在高速運動下噪聲易發熱。

（5）精度保持壽命（mìng）相對短。

而直線電動機以—個運動（dòng）部件實現直線運動，則具有以下優點：直接（jiē）驅動中力是無接觸傳遞的，因此無磨損，使用壽命長，維護簡（jiǎn）單；傳動剛性高，推力平穩，直接驅（qū）動，彈性環節減（jiǎn）少，係統剛性提高，傳動效（xiào）果高；定位精度和重複定位精度高，可達亞微米級（jí），比伺服電動（dòng）機及滾珠絲杠副傳（chuán）動的加（jiā）速度和重複（fù）定位精度提高7～10 倍。

性（xìng）能指標對（duì）比直線電動機的特點如（rú）下：

（1）快速（sù）響應性。一般說，機械傳動件比電氣元件的動態響應時間耍大幾個數量（liàng）級（jí）。由於係統中取消和（hé）響（xiǎng）應時間常數較大的如滾珠絲杠等機械（xiè）傳動件。使整個閉環的控製係（xì）統動態響應性能大大提高。

圖2 機床驅動軸原理對（duì）比

（2）結構簡單，以（yǐ）—個運動部件實現（xiàn）直線運動。直接驅動中力是無接觸傳（chuán）遞（dì）的，因此無磨損（sǔn），使用（yòng）壽命長，維護簡單。

（ 3 ）傳動剛性高，推力平穩，直接驅動，彈性環節減少，係統剛性提高，傳（chuán）動效果高。

（ 4 ）精度和重複定位精度高，可達亞微米級，比伺服電動機及（jí）滾珠絲杠副傳動（dòng）的加速度和（hé）重複定位（wèi）精度（dù）提高7～10 倍。

（5）速度高，加速度大。最大速（sù）度可達90～180m/min，最大加速度可達10g。

（6）行程不受限製。在導軌上通過串聯直線電動機的定子可任意延長動子的行程長度，這是滾珠絲杠所望塵莫及的。結構簡單、運動平穩、噪聲小，運動部件摩擦小（xiǎo）、磨（mó）損小、使用壽（shòu）命長、安全可靠。

加工效率的對比現以（yǐ）某發動機氣缸（gāng）蓋的 8 個φ11H7 的導管孔精（jīng）加工為例，分別用滾珠絲杠的（de）加工中心A和直（zhí）線電動機加工中心B加工，兩（liǎng）機（jī）床的（de）參數（shù）如圖（tú）3所示，工藝參數及節拍見表2。

表1 兩種設備的優（yōu）缺點對比

表2 加工參數節拍對比表

圖3 工藝參數及節拍表

數據表明，同（tóng）樣的加工內容（róng）和切削參數下，直線（xiàn）電動機的加工（gōng）中心節拍比滾珠絲杠加工中心降低近40％。直（zhí）線電動（dòng）機（jī）驅動產生的高（gāo）速進給，配（pèi）備高速的電主軸（zhóu），大大提高了切削效率（lǜ）；同時，直線電動機極高（gāo）的快移速度也大（dà）大降低了空（kōng）行程時間，這就是直線電動機加工中心生產效率高於滾珠絲杠加工中心的原因。如果生產線編排要求工（gōng）序集中化、頻繁（fán）重複多個（gè）同樣的加工內容、加工時空行（háng）程較長、設備安裝空間小、生產效率高（gāo）、人員配備少，這些情況（kuàng）下（xià），建議（yì）采用直線（xiàn）電動機加工直線來組（zǔ）成生產線；如果工藝編排分散化、刀具性能不（bú）能滿（mǎn）足高速加工（gōng）、需要強力切削、工件裝夾轉換頻（pín）繁，則建議采用滾珠絲杠加工中心來組件生產線。加工（gōng）精度試驗對比兩種傳動方式，從原理上存在根本的精度控製差異，直線電（diàn）動（dòng）機的定位精度（dù）基本能控製在0.003mm以內，重複精度控製在0.001mm以內，且能保持長期的穩定；

而絲杠傳動初期基本在0.005mm，在後期磨損（sǔn）後精度逐步降低到0.01mm左右，精度會越來越差（chà），需頻繁的維護（hù）和更換。行業內一（yī）般（bān）用插補加工來對比圓度差異，分別用直線電動機加工中心和滾珠絲杠加（jiā）工中心（xīn）插補（bǔ）銑（xǐ）φ 50mm的孔，絲杠傳動的設（shè）備加工出來，微觀上的形狀是鋸齒（chǐ）狀（zhuàng），且（qiě）圓度較大，而直線電動機驅（qū）動加工的孔形狀基本保持比較圓滑的過渡。圓度結果分別（bié）為：滾珠絲杠加工中心13.4μm（見圖4），直線電（diàn）動機加（jiā）工中心3.1μm（見圖5）。

圖4

圖5

由此可見在（zài）進行圓弧插補（bǔ）加工時，直線電動機（jī）加工中心加（jiā）工出來的孔圓（yuán）度遠遠優於滾珠絲杠中心，更適（shì）合（hé）用於加工精度要求較高（gāo）的曲（qǔ）線、曲麵特征，如用於高精度模具的加工。

以上是結合工作原理與試驗驗證結果，對直線電動機高速加工中（zhōng）心與傳（chuán）統（tǒng）滾柱絲杠（gàng）傳動的機械主軸加（jiā）工中心的對（duì）比，最終應用時需結合（hé）自身產品（pǐn）、工藝、技術（shù）要求和投資的理念，擇期適者而用之。

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