直線電動機是借助于電磁作用原理，直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運動的驅(qū)動裝置。世界上第一臺直線電動機是英國物理學(xué)家惠斯登(Sir Charles Wheatstone)發(fā)明，并于1845年取得專利。最初以高速運輸和牽引為主，經(jīng)過不斷改進后應(yīng)用范圍逐漸擴大到電腦及辦公設(shè)備、半導(dǎo)體制造裝備、醫(yī)療裝備、工業(yè)自動化、自動繪圖儀等等。根據(jù)不同應(yīng)用場合的差異，直線電動機的種類也很多。近年出現(xiàn)一種由直線電動機與鋁合金滾柱導(dǎo)軌組合的高速線性驅(qū)動部件。Vmax=600m/min，加速度4g，應(yīng)用在快速抓取和放下的場合。圖1為中國臺灣HIWIN公司的LMS、LMC小推力伺服直線電動機，Vmax=210m/min。

AC-LM進入機床領(lǐng)域后，這種全新的直接驅(qū)動方式使傳統(tǒng)的機床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變革。AC-LM作為高性能、高速化的核心功能部件，將在數(shù)控機床特別是高速數(shù)控機床的產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮十分重要的作用。

向AC直線電動機挑戰(zhàn)的精密高速滾珠絲杠副

PHS-BS的出現(xiàn)起源于上世紀(jì)九十年代中后期，日本NSK公司首先推出專用于高速數(shù)控機床的HMC系列，直徑Ø36～55 mm、Pn=16～32mm、Vmax=116m/min、加速度1.3g、DN值=13萬、精度C3～C5(JIS標(biāo)準(zhǔn))。近年來，世界上知名的滾珠絲杠制造企業(yè)先后推出一批DN值≥150000(220000)，V≥120m/min(200m/min)、加速度≥1.5g的靜音PHS-BS產(chǎn)品，例如：日本NSK公司的BSS和S3系列、THK公司的SBK系列、中國臺灣HIWIN公司的Super S系列、PMI公司的FSW系列、德國Rexroth公司的FDM-E系列、西班牙Korta公司的NTG系列等。中國最早從事PHS-BS研究的是北京機床研究所，在“九五”攻關(guān)中完成了GSZ2000型高速滾珠絲杠副綜合測量儀的研制，隨后山東濟寧博特公司與山東工業(yè)大學(xué)合作也研制成功BTJS-03高速滾珠絲杠副測量儀。目前國內(nèi)PHS-BS的水平是：Vmax≥60m/min(80m/min)、加速度1.4g、精度≥P3級、DN值≈140000。

歸納起來新一代PHS-BS具有以下特點：

1. 對循環(huán)返向裝置進行了優(yōu)化設(shè)計。試驗研究證明循環(huán)返向裝置是直接影響PHS-BS滾珠流暢性和動態(tài)特性、振動和噪聲的關(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值達到200000，噪聲降低6-7dB(A)，螺母徑向尺寸縮小30%左右。


2. 優(yōu)化滾珠鏈結(jié)構(gòu)。為減小高速旋轉(zhuǎn)時滾動體的離心力，采用小徑球、Si3N4陶瓷球或DS改質(zhì)球。為了隔斷滾動體在高速運轉(zhuǎn)時相互碰撞、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，增加滾動體的流暢性。


3. 為減少高速時“楔效應(yīng)”對滾動體流暢性的影響，對內(nèi)外螺紋滾道的幾何參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，并降低滾道面的粗糙度，或?qū)Ρ砻孢M行改質(zhì)處理，改善摩擦特性。


4. 將滾珠絲杠做成空心，從絲杠內(nèi)部實施強冷。有的企業(yè)還在內(nèi)孔中配置阻尼棒，抑制高速時的振動。HIWIN公司的“Cool Type I”系列還同時對滾珠螺母實施強冷。


5. 近年德國Rexroth、INA、日本THK等公司推出AC電機直接驅(qū)動滾珠螺母的高速線性驅(qū)動裝置(詳見《中國機械與金屬》2005年12期)。


6. 絲杠和螺母分別由兩個AC電機驅(qū)動，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，又能實現(xiàn)微量進給。


7. 充分利用滾珠絲杠副能完成同步運動的功能，采用雙電機雙絲杠驅(qū)動方式，提高伺服進給系統(tǒng)在高速時的平穩(wěn)性，改善動能特性，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，中國大連機床集團的DHSC500，寧江機床集團的NJ-5HMC40等，也采用雙電機、雙絲杠驅(qū)動。

根據(jù)筆者在一次CIMT國際機床展覽上的調(diào)查統(tǒng)計及隨后的跟蹤可以看出：在中檔高速數(shù)控機床中，采用PHS-BS依然是主流，而部分高檔、高速數(shù)控機床中采用PHS-BS也屢見不鮮。

雙星同臺亮相、各顯亮點

德國DMG公司以批量生產(chǎn)各類高性能數(shù)控裝備著稱，在其伺服進給系統(tǒng)中采用AC-LM較早，而且采用率也是很高的(均在機床型號后標(biāo)注“Linear”)，該公司對AC-LM和PHS-BS的配置有三種類型：

AC-LM驅(qū)動在以下數(shù)控裝備領(lǐng)域具有得天獨厚的優(yōu)勢：

1. 高速、超高速、高加速度和生產(chǎn)批量大、要求定位的運動多、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。


2. 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，快進速度120m/min，能將整體鋁塊鏤空成飛機零件(Z軸仍用PHS-BS)。


3. 要求高動態(tài)特性、低速和高速時的隨動性、高靈敏的動態(tài)精密定位。例如，以Sodick為代表的新一代高性能CNC電加工機床、CNC超精密機床、新一代CPC曲軸磨床、凸輪磨床、CNC非園車床等。


4. 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，比利時LVD公司的“AXEL3015S”激光切割機，MAZAK的“Hyper Cear510”高速激光加工機等。

據(jù)筆者調(diào)查分析：PHS-BS的最佳應(yīng)用場合是：要求V=40~100m/min，加速度0.8~1.5(2.0)g，精度P3級以上，行程范圍在3m以內(nèi)的中檔高速數(shù)控裝備和部分高檔數(shù)控裝備。

關(guān)于振興和發(fā)展的思考

最近在《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》中提出：“發(fā)展大型、精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件，改變大型、高精度數(shù)控機床大部分依賴進口的現(xiàn)狀，滿足機械、航空航天等工業(yè)發(fā)展的需要。”AC-LM和PHS-BS是大型、精密、特別是高速數(shù)控裝備中十分重要的線性驅(qū)動功能部件。國家發(fā)改委主持制定的《數(shù)控機床發(fā)展專項規(guī)劃》(草案)中把高速加工功能部件的開發(fā)、高速驅(qū)動技術(shù)、精密加工技術(shù)等列為關(guān)鍵技術(shù)。顯然，盡快實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)、電主軸、AC-LM和PHS-BS等主要功能部件的國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，是振興中國大型、精密、高速數(shù)控裝備的當(dāng)務(wù)之急。

1. 加快振興、刻不容緩。在中國，用于實現(xiàn)高速驅(qū)動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，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)控機床的AC-LM，目前還沒有一個技術(shù)實力雄厚、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，也是增強中國綜合國力的時代需要。


2. 并肩發(fā)展，優(yōu)勢互補。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)動方式的同時，PHS-BS依然會繼續(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。


3. 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。由于我們在滾動螺旋副的摩擦理論、高速和微動時的摩擦特性、滾動體在不同工況下的運動機理、振動與噪聲、力矩特性、動靜剛度特性等基礎(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，要用先進的科技成果和在實踐中不斷創(chuàng)新來推動AC-LM和PHS-BS的國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化。


4. 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？高速金切機床、成形機床各占多少？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)控機床采用AC-LM。經(jīng)驗表明，數(shù)量的預(yù)測往往不夠準(zhǔn)確，如果這個20%是指全部數(shù)控機床，那么高速數(shù)控機床呢？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。