濟(jì)南銘揚(yáng)軸承有限公司介紹滾珠絲杠與直線導(dǎo)軌的利與弊

直線電動(dòng)機(jī)1845年英國(guó)人就已經(jīng)發(fā)明，但當(dāng)時(shí)的直線電動(dòng)機(jī)氣隙過(guò)大導(dǎo)致效率很低，無(wú)法應(yīng)用。19世紀(jì)70年代科爾摩根也推出過(guò)，但因成本高效率低限制其發(fā)展。直到20世紀(jì)70年代以后，直線電機(jī)才逐步發(fā)展并應(yīng)用于一些特殊領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代直線電機(jī)開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)，現(xiàn)在世界一些技術(shù)先進(jìn)的加工中心廠家開(kāi)始在其高速機(jī)床上應(yīng)用，國(guó)外企業(yè)例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCIATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都在近推出使用直線電機(jī)的高速高精加工中心。

HIWIN做為世界線性產(chǎn)品的，在滾珠絲杠和線性滑軌取得成功后也于近幾年自行研發(fā)和生產(chǎn)了直線電機(jī)，并且在高速高精領(lǐng)域取得不錯(cuò)的業(yè)績(jī)。

下面主要參考HIWIN公司的先進(jìn)的高速靜音式絲杠SUPERS系列（DN值達(dá)220000）和HIWIN的直線電機(jī)在幾個(gè)主要特性上做一些比較，為相關(guān)業(yè)者提供一個(gè)參考。

1.速度PK：
速度方面直線導(dǎo)軌具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)
直線電機(jī)
速度:300米/分鐘
加速度：10g
滾珠絲杠：120米/分鐘
加速度：1.5g

從速度上和加速度的對(duì)比上直線導(dǎo)軌具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，而且直線電機(jī)在成功解決發(fā)熱問(wèn)題后速度還會(huì)進(jìn)一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。

從動(dòng)態(tài)響應(yīng)上因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)慣量和間隙以及機(jī)構(gòu)復(fù)雜性等問(wèn)題直線電機(jī)也占有的優(yōu)勢(shì)。

速度控制上直線電機(jī)因其響應(yīng)快，調(diào)速范圍更寬，可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)瞬間達(dá)到轉(zhuǎn)速，高速運(yùn)行時(shí)又能迅速停止。調(diào)速范圍可達(dá)到1：10000。

2.能耗PK：

能耗方面直線電機(jī)在提供同樣轉(zhuǎn)矩時(shí)是“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”大致一倍以上，“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”屬于節(jié)能、增力型傳動(dòng)部件，直線電機(jī)可靠性受控制系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，對(duì)周邊的影響很大必須采取有效隔磁與防護(hù)措施，隔斷強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的影響和對(duì)鐵屑磁塵的吸附。

通過(guò)以下這個(gè)例子更容易使大家了解直線電機(jī)和“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的一些特點(diǎn)：
日本某公司超高速龍門(mén)式加工中心。X、Y軸采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)V=120m/min。該公司為何不應(yīng)用“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠（HIWINSUPERS系列）因?yàn)?SPAN lang=EN-US>SUPERS雖然DN值已經(jīng)歷了從傳統(tǒng)絲杠7萬(wàn)到15萬(wàn)再到22萬(wàn)的提速進(jìn)程，但由于由于存在純機(jī)械傳動(dòng)的軟肋，其線速度、加速度、行程范圍的增加總是有限的。若選用Φ40×20mm的產(chǎn)品，則Vmax=110m/min，因Nmax=5500轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速很高，行程范圍受臨界轉(zhuǎn)速Nc的制約顯然不可能太長(zhǎng)。若采用大導(dǎo)程Φ40×40mm產(chǎn)品，則Vmax=220m/min，這顯然又不能滿足定位精度高的場(chǎng)合。能達(dá)到DN值22萬(wàn)從一個(gè)側(cè)面反映了HIWIN的設(shè)計(jì)、制造水準(zhǔn)。如果我們選擇Φ40×20（雙頭）mm產(chǎn)品，在n≈4000～5000轉(zhuǎn)/分，V=80～100m/min狀態(tài)下使用，其安全性、可靠性、工作壽命均可高于預(yù)期值。事實(shí)上到目前為止，在高速高精CNC金切機(jī)床中（CNC成形機(jī)床除外）速度V≥120m/min仍采用SUPERS系列驅(qū)動(dòng)的成功范例未見(jiàn)到。實(shí)際上“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的佳應(yīng)用場(chǎng)合是：要求V=40～100m/min，加速度0.8～1.5（2.0）g，精度P3級(jí)以上的中檔高速數(shù)控裝備和部分?jǐn)?shù)控裝備。

3.精度PK：

精度方面直線電機(jī)因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單減少了插補(bǔ)滯后的問(wèn)題，定位精度、重現(xiàn)精度、精度，通過(guò)位置檢測(cè)反饋控制都會(huì)較“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”高，且容易實(shí)現(xiàn)。

直線電機(jī)定位精度可達(dá)0.1µm。

“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”2-5µm，要求CNC-伺服電機(jī)-無(wú)隙連軸器-止推軸承——冷卻系統(tǒng)-高精度滾動(dòng)導(dǎo)軌-螺母座-工作臺(tái)閉環(huán)整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)部分要輕量化，光柵精度要高。

若想達(dá)到較高平穩(wěn)性“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”要采取雙軸驅(qū)動(dòng)，直線電機(jī)是高發(fā)熱部件，需采取強(qiáng)冷措施，要達(dá)到相同目的，直線電機(jī)要付出更大的代價(jià)

4.價(jià)格PK：

事實(shí)上，直線電機(jī)和“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”兩種驅(qū)動(dòng)方式盡管各有優(yōu)勢(shì)，但也有自身的軟肋。兩者在數(shù)控機(jī)床上都有各自佳的適用范圍。

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)在以下數(shù)控裝備領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：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(chǎng)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(zhǎng)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(guó)CINCIATI公司的“HyperMach”加工中心（46m）；日本MAZAK公司的“HYPERSONIC1400L超高速加工中心。價(jià)格方面直線電機(jī)的價(jià)格要高出很多，這也是限制直線電機(jī)被更廣泛應(yīng)用的原因。

兩種驅(qū)動(dòng)方式在德國(guó)DMG公司被同時(shí)運(yùn)用也說(shuō)明他們具有各自的優(yōu)勢(shì)。直線電機(jī)的提升空間更大，將來(lái)直線電機(jī)的技術(shù)更加成熟了、產(chǎn)量上去了、成本下降了，應(yīng)用也會(huì)更加廣泛，但從節(jié)能降耗、綠色制造的角度思考，以及兩種結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)考慮“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”驅(qū)動(dòng)仍有其廣闊的市場(chǎng)空間。直線電機(jī)將成為高速（超高速）、數(shù)控裝備中的主流驅(qū)動(dòng)方式的同時(shí)，“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”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。

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