AC直線電動機與精密滾珠絲杠副的必然性 具有成熟制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的滾珠絲杠副，從它誕生至今已有100多年歷史，在中國也有46年歷史。其產(chǎn)品功能隨主機的發(fā)展不斷擴展、提高，從zui初的“敏捷省能傳動”（上世紀(jì)六十年代前）到“精密定位”（上世紀(jì)七十年代后），再從“大導(dǎo)程快速驅(qū)動”（上世紀(jì)八十年代）到“精密高速驅(qū)動”（上世紀(jì)九十年代中期），“速度”與“精度”的發(fā)展可謂與時俱進(jìn)，特別是進(jìn)入21世紀(jì)，PHS-BS得到迅速發(fā)展，成為數(shù)控裝備伺服快速進(jìn)給系統(tǒng)中與AC-LM并列的兩顆耀眼明星。 當(dāng)滾珠絲杠與滾珠螺母相對位移時，其加速度≥1g、線速度≥60m/min、或DN值≥120000（DN值的定義是：滾珠絲杠副公稱直徑do（mm）和滾珠絲杠與滾珠螺母相對轉(zhuǎn)速n（r/min）的乘積）、精度達(dá)到P3級以上（國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18587），而各項性能指標(biāo)（力矩變化、剛度、溫升、噪聲等）滿足主機要求者，就可稱之為精密高速滾珠絲杠副（PHS-BS）。 由于滾珠絲杠副優(yōu)良的滾動摩擦特性和傳動效率高（η=90～95%）、傳動敏捷靈活等功能，使其具備提速的有利條件。提速有三個途徑：（1）加大導(dǎo)程Pn，這就是我們常說的大導(dǎo)程（或超大導(dǎo)程）滾珠絲杠副。因Pn增大不利于提高導(dǎo)程精度，而且進(jìn)給系統(tǒng)的靜剛度迅速下降，所以只適用于對定位精度要求不高的快速驅(qū)動場合。（2）兼顧精度、速度、動態(tài)特性，適度增加Pn和n（轉(zhuǎn)速）以及螺紋頭數(shù)。因為受臨界轉(zhuǎn)速Nc的制約，追求高轉(zhuǎn)速是不可取的。（3）從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式上進(jìn)行改革創(chuàng)新，例如：變絲杠主驅(qū)動為螺母主驅(qū)動；變單驅(qū)動為雙驅(qū)動；絲杠空心化、螺母小徑化、滾動體輕量化等。 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zui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(jì)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。
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圖2 北京機床研究所精密機電公司的μ1000 系列立式加工中心三軸采用PHS—BS實現(xiàn)快速進(jìn)給和高精度定位
| 歸納起來新一代PHS-BS具有以下特點： - 對循環(huán)返向裝置進(jìn)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(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。
- 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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，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。
- 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）。
- 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(jìn)給。
- 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(jìn)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(tuán)的DHSC500，寧江機床集團(tuán)的NJ-5HMC40等，也采用雙電機、雙絲杠驅(qū)動。
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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，V=80m/min，加速度1.5g。框中框結(jié)構(gòu)的雙驅(qū)動大大提高了快速進(jìn)給的穩(wěn)定性
| 根據(jù)筆者在一次CIMT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、高速數(shù)控機床中采用PHS-BS也屢見不鮮。 本文有蘇州中航長風(fēng)數(shù)控科技有限公司各系列電火花機床，火花機整理發(fā)布在 公司上。 |
