高速機(jī)床用直線電動(dòng)機(jī)和精密高速滾珠絲杠副
發(fā)布日期:2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽:3073
作為裝備制造業(yè)核心加工設(shè)備的數(shù)控機(jī)床正向高速、高效、高精度、智能化、復(fù)合化、環(huán);较虬l(fā)展。在高速和超高速加工中,要求高的動(dòng)態(tài)特性和控制精度;瞬間達(dá)到高速和在高速運(yùn)行中瞬間準(zhǔn)停;振動(dòng)小、噪聲低、運(yùn)行平穩(wěn);可靠性高、壽命長。在各類線性驅(qū)動(dòng)元部件中,精密高速滾珠絲杠副(Precicion High-speed Ball Screws——本文簡稱PHS-BS)和AC直線電動(dòng)機(jī)(AC Linear Motor本文簡稱AC-LM)是大型、精密、高速數(shù)控裝備的快速伺服進(jìn)給系統(tǒng)中能滿足上述要求的核心功能部件。
邁入數(shù)控裝備領(lǐng)域的AC直線電動(dòng)機(jī)
圖1 中國臺(tái)灣HIWIN公司的LMS、LMC伺服直線電動(dòng)機(jī) |
向AC直線電動(dòng)機(jī)挑戰(zhàn)的精密高速滾珠絲杠副
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 |
- 對循環(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)”對滾動(dòng)體流暢性的影響,對內(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)對滾珠螺母實(shí)施強(qiáng)冷。
- 近年德國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《中國機(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CINCINNATI LAMB公司的HPC-800HP高速臥式加工中心(見圖3)。此外,德國DMG的DMC63H,瑞士DIXI公司的DHP-80-5x,日本牧野公司的A55E,中國大連機(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)。
圖3 美國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。框中框結(jié)構(gòu)的雙驅(qū)動(dòng)大大提高了快速進(jìn)給的穩(wěn)定性 |
雙星同臺(tái)亮相、各顯亮點(diǎn)
- 各坐標(biāo)軸全部配置AC-LM驅(qū)動(dòng)的“快速型”數(shù)控裝備。例如:DMC85V Linear、DMC75V Linear、DMC105V Linear、DMC60H Linear、DMC80H Linear以及DML80-Fine Cutting激光加工機(jī)等。
- 混合驅(qū)動(dòng)型。例如:DMF500 Linear動(dòng)柱式大型立式加工中心,在X軸(行程5m)配置AC-LM,V=100m/min;而在Y、Z軸則采用PHS-BS,V=60m/min。此外,CTV250、CTX300、CTX420、DMC104V、DMF220F、DMF360F等均屬混合驅(qū)動(dòng)型。
- 各坐標(biāo)軸全部配置PHS-BS驅(qū)動(dòng)的“強(qiáng)力型”加工中心。例如:DMC63H高速臥式加工中心,X、Y、Z三軸全部采用PHS-BS驅(qū)動(dòng)(Φ50,Pn=35),V=80m/min,加速度1g,定位精度0.008mm。此外還有DMC80H和DMC100H、DMC125H (duo BLOCK)以及DMC60T等。
PHS-BS | AC-LM | 說明 | |
線性伺服進(jìn)給系統(tǒng)主要環(huán)節(jié) | CNC-伺服電機(jī)-無隙連軸器-止推軸承-PHS/BS-冷卻系統(tǒng)-滾動(dòng)導(dǎo)軌-螺母座-工作臺(tái) | 閉環(huán)CNC-電機(jī)動(dòng)子-強(qiáng)冷系統(tǒng)-滾動(dòng)導(dǎo)軌-位置感測器-工作臺(tái) | AC-LM稱為直接驅(qū)動(dòng),PHS-BS是非直接驅(qū)動(dòng) |
驅(qū)動(dòng)線速度(m/min) | 60~100(120),速度范圍有限 | 60~200(600),速度范圍廣 | 前者當(dāng)n↑,Pn↑;Vmax=200m/min;后者最小:1µm/s |
加速度(g) | 0.5~1.5(2) | 0.5~10 | 都要求運(yùn)動(dòng)部件輕量化 |
定位、重復(fù)定位精度(µm) | 較高(2~5) | 很高。光柵閉環(huán)控制:0.1~0.01 | AC-LM在高速位移狀態(tài)下可達(dá)亞微米級定位精度,跟蹤誤差小 |
運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性(%速度) | 較好,10% | 很好,1% | PHS-BS采用雙頭螺紋、雙絲桿驅(qū)動(dòng)可改善運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性 |
行程范圍 | 有限 | 無限 | PHS-BS一般不超過5m |
控制系統(tǒng) | 較簡單,技術(shù)較成熟 | 較復(fù)雜,要求高(全閉環(huán)控制) | 負(fù)載變化直接作用于AC-LM,由于端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)等因素,使伺服控制復(fù)雜化,難度加大 |
熱特性 | 已有較成熟的技術(shù)抑制溫升與熱變形 | 處于主機(jī)腹部的AC-LM是高發(fā)熱部件,需采取強(qiáng)冷措施 | 達(dá)到相同目的,后者要付出更大的代價(jià) |
工作噪音 | 較低 | 靜音 | 前者已開發(fā)出高速靜音產(chǎn)品 |
軸向推力 | 較大(與絲桿參數(shù)有關(guān)) | 較小(一般<10kN) | 采用多臺(tái)AC-LM并聯(lián),可提高軸向推力,但布局困難 |
產(chǎn)生相同推力所消耗的能量 | 較小 | 較大(功率損耗超過輸出功率的50%) | PHS-BS屬于節(jié)能、增力型傳動(dòng)部件 |
壽命(h),可靠性 | 6000~10000,可靠性較高 | ≈50000,無機(jī)械磨損,壽命長,可靠性高 | PHS-BS的可靠性與制造品質(zhì)有關(guān),AC-LM的可靠性受控制系統(tǒng)穩(wěn)定性影響 |
對周邊的影響 | 沒有影響 | 必須采取有效隔磁與防護(hù)措施,隔斷強(qiáng)磁場對滾動(dòng)導(dǎo)軌的影響和對鐵屑磁塵的吸附 | AC-LM法向磁力與軸向推力之比大約為4:1~5:1 |
工作效率 | 高 | 更高,可使主機(jī)生產(chǎn)效率提高20%以上 | |
制造成本 | 比普通滾珠絲桿高,比AC-LM低得多 | 成本高,售價(jià)昂貴 | AC-LM在中國的制造技術(shù)成熟和量產(chǎn)后,成本和售價(jià)可望下降 |
- 高速、超高速、高加速度和生產(chǎn)批量大、要求定位的運(yùn)動(dòng)多、速度大小和方向頻繁變化的場合。例如汽車產(chǎn)業(yè)和IT產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)線,精密、復(fù)雜模具的制造。
- 大型、超長行程高速加工中心,航空航天制造業(yè)中輕合金、薄壁、金屬去除率大的整體構(gòu)件“鏤空”加工。例如美國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(見圖4),x、y軸采用AC-LM,快進(jìn)速度120m/min,能將整體鋁塊鏤空成飛機(jī)零件(Z軸仍用PHS-BS)。
- 要求高動(dòng)態(tài)特性、低速和高速時(shí)的隨動(dòng)性、高靈敏的動(dòng)態(tài)精密定位。例如,以Sodick為代表的新一代高性能CNC電加工機(jī)床、CNC超精密機(jī)床、新一代CPC曲軸磨床、凸輪磨床、CNC非園車床等。
- 輕載、快速特種CNC裝備。例如德國DMG的“DML80 Fine Cutting”激光雕刻、打孔機(jī),比利時(shí)LVD公司的“AXEL3015S”激光切割機(jī),MAZAK的“Hyper Cear510”高速激光加工機(jī)等。
圖4 日本MAZAK公司Hypersonic 1400L型超高速龍門式加工中心。X、Y軸采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)V=120m/min |
關(guān)于振興和發(fā)展的思考
- 加快振興、刻不容緩。在中國,用于實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)和精密定位的這兩類功能部件的發(fā)展滯后于市場的需要,與海外存在明顯差距。以PHS-BS為例,當(dāng)海外都已推出第二代、第三代產(chǎn)品時(shí),中國仍處在PHS-BS第一代產(chǎn)品研制的初始階段,沒有商品化。至于用來裝備高速、高檔數(shù)控機(jī)床的AC-LM,目前還沒有一個(gè)技術(shù)實(shí)力雄厚、具備量產(chǎn)條件的企業(yè)向市場提供產(chǎn)品,尚未走出“學(xué)院模式”研究階段。應(yīng)當(dāng)清醒地看到:刻不容緩地加快發(fā)展AC-LM和PHS-BS,是中國數(shù)控裝備國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化的緊迫渴求,也是增強(qiáng)中國綜合國力的時(shí)代需要。
- 并肩發(fā)展,優(yōu)勢互補(bǔ)。雖然AC-LM和PHS-BS并行不悖地在發(fā)展,但是,不同的國家有不同的國情,不同企業(yè)各有長短,海外對待兩種驅(qū)動(dòng)方式的認(rèn)知度、采用率也是有差異的。而中國的國情是:地大物不博、人口眾多、勞力資源豐富,要從中國的國情出發(fā),以科學(xué)發(fā)展觀和新型工業(yè)化的指導(dǎo)思想來統(tǒng)籌規(guī)劃AC-LM和PHS-BS的發(fā)展,不可偏廢,缺一不可。即使將來AC-LM的技術(shù)成熟了、產(chǎn)量上去了、成本下降了,從節(jié)能降耗、綠色制造的角度思考,PHS-BS驅(qū)動(dòng)仍有其廣闊的市場空間。在AC-LM將成為高速(超高速)、高檔數(shù)控裝備中的主流驅(qū)動(dòng)方式的同時(shí),PHS-BS依然會(huì)繼續(xù)保持在中檔高速數(shù)控裝備中的主流地位,但是如果PHS-BS盲目追求高指標(biāo),在AC-LM的優(yōu)勢范圍中去“硬拼”,恐怕是得不償失的。
- 科學(xué)發(fā)展,重在基礎(chǔ)。分析中國PHS-BS發(fā)展緩慢的原因,主要在于企業(yè)長期忽視基礎(chǔ)理論和性能試驗(yàn)方面的投入,發(fā)展后勁不足,面對提速后暴露出來的問題不知從何處下手解決。由于我們在滾動(dòng)螺旋副的摩擦理論、高速和微動(dòng)時(shí)的摩擦特性、滾動(dòng)體在不同工況下的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、振動(dòng)與噪聲、力矩特性、動(dòng)靜剛度特性等基礎(chǔ)理論方面缺乏深入研究,制約了提速的進(jìn)程。而AC-LM在全數(shù)字控制技術(shù)、散熱、隔磁、電磁干擾、零位方式、增大推力、降低能耗、部件模塊化等方面還有大量的基礎(chǔ)工作要做。中國高校和科研院所在這方面的研究成果,要盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,要用先進(jìn)的科技成果和在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新來推動(dòng)AC-LM和PHS-BS的國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化。
- 有序發(fā)展、正確導(dǎo)向。要對中國的數(shù)控裝備市場作深入調(diào)查,冷靜分析。在數(shù)控裝備中,高速、超高速占多少?高速金切機(jī)床、成形機(jī)床各占多少?輕載和大型重載占多少?據(jù)有關(guān)人士預(yù)測,到2010年全球?qū)⒂写蠹s20%的數(shù)控機(jī)床采用AC-LM。經(jīng)驗(yàn)表明,數(shù)量的預(yù)測往往不夠準(zhǔn)確,如果這個(gè)20%是指全部數(shù)控機(jī)床,那么高速數(shù)控機(jī)床呢?中國是不是也占20%?我們對市場的分析切忌主觀推斷,盲目樂觀。
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◆緊湊且質(zhì)量較輕 相對于傳統(tǒng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的一個(gè)顯著優(yōu)勢:結(jié)構(gòu)極端緊湊,功率更不遜色分好,甚至更佳。 更少的干擾邊緣:(GD)-40%;(DD)-41% 可以極為方便地橫向操作軸(從上方) 可以十分迅速地夾緊切割刀具:最長的耐用時(shí)間
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pL Lehmann數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)3+2軸替代五軸機(jī)床的完整加工
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