数控机床中两种直线驱动机械

    当今，在数控机床中出现了两种直线驱动机构，即”旋转电机+滚珠丝杠副”进给传动方式和直线电机直接驱动方式．目前绝大多数精密机床及新研制的机床均采用前者作为直线驱动机构，而世界上一些发达国家的知名机床厂家则推出新型的直线电机直接驱动装置如德国DMG公司、日本沙迪克公司．美国Anorad公司等。我国的北京机电研究院．南京四开电子企业公司．江苏多棱数控机床股份有限公司等也开始在数控机床上使用直线电机。这两种直线驱动机构发展趋势如问，本文将从技术，经济，市场认可等方面作—综合评述。
    主要技术参数的评述
    1高速进给系统的基本要求
高速加工的切削速度为常规切削速度的10倍，为了使刀具的进给量基本保持不变，则进给量也需相应提高lO倍，即达到60m／min以上，有的甚至达到120m／min。
    机床加工零件时，工作行程一般只有几十至几百毫米。因此，只有在瞬间达到高速和高速行程中瞬间准停，高速运动才有意义．这就要求机床不但进给速度高，而且加速度大，最大加速度之值可达1～10g。此外，进给系统耍能实现快速的伺服控制和误差补偿，就要有很高的定位精度和重复定位精度，以便进行工件的高速精密加工。
    2．微动进给系统的基本要求
    在电加工机床中，微动进给系统的要求在0003—O．005mm／脉冲，要求平稳，无爬行。
    由此可见，满足上述要求的进给系统将是崭新的高．低速直线运动部件与高度自动化控制装置相结合的产物。
    3滚珠丝杠副的主要技术指标的评述
(1)从20世纪50年代中期世界上第一台数控机床出现以来，“旋转伺服电机+滚珠丝杠副”至今一直是各种数控机床进给系统的“一统天下”，应用十分广泛，技术上也很成熟，更且有结构可靠，稳定，传动精度较高的特点。普通磨制滚珠丝杠副产品，直线运动速度≤20mm／min．加速度为(0.2-03)g，精度O.008—0.012m/300mm；重复定位精度0.003-O.008mm,工作寿命4000—8000h，价格较低。
    (2)滚珠杠副存任的问题 ①“旋转电机+滚珠丝杠副”的直线驱动方式存在着多个弹性环节，当整个系统在高速运动时，会出现刚度下降，同时弹性变形使系统的阶次变高，系统的鲁棒性降低，从而使伺服性能下降。弹性变形是数控机床产生机械谐振的根源。②中间传动环节的存在，增加了运动体的惯量，使得位移和速度响应变慢。③间隙死区．摩擦，误差积累等因素，使进给速度和加速度受到限制。④动转平稳性较差，在高速运动下噪声易发热。⑤精度保持寿命相对短．
    (3)解决办法
第一，适当加入滚珠丝杠副的转速、导程和螺纹头数．滚珠丝杠的直线运动速度为丝杠导程与丝杠转数的乘积．适当提高转速（≤临界转速）对加大进给量有利。加大导程可提高进给量，但导程越大导程精度越难控．增加螺纹头数也是方法之一， —般采用双头螺纹，否则增加制造难度．
    第二，采用空心强冷技术改进高速丝杠的温升．高速丝杠易产也摩擦热．造成丝杠热变形，直接影响机床加工精度．采用空心强冷技术，把恒温冷却液直接通入空心的丝杠孔内，对丝杠进行强制冷却，这个措施是提高中，大型丝杠高速性能和工作精度的有力措施。
    第三，进—步提高滚珠丝杠副的制造质量．实现高质量是优秀的设计、精密的装备和完善的检测手段三者之间的完美结合．特别是精密的装备和完善的检测手段更是高质量的必备条件，但投资巨大也是一个问题．
    第四．在中低档滚珠丝杠的制造中，目前有一种新的发展趋势．即不断提高轧制丝杠的水平．逐步取代磨制滚珠丝杠．从有关资料分析看，国外目前的轧制滚珠丝杠的精度已达P3、P4级，且售价较低，交贷期较短，大有取代磨制滚珠丝杠的趋势．这个趋势，业内很多人士都看到了，不少厂家已着手开始研究。
     4．机床用直线电机的主要技术指标
    世界上第—台直线电机应用于数控机床的，是1993年德国公司生产的HSC一240型高速加工中心。从此以后，直线电机在高速数控机床的应用如雨后春笋般地迅速发展起来。近10年来，世界上各工业发达国家纷纷投入巨资，大力研究开发成功不少直线电机驱动的高速数控机床，受到用户的欢迎和好评。
    数控机床采用直线电机直接驱动与“旋转电机+滚珠丝杠副”驱动方式的最人区别是取消了从电机到工作台之间的一切中间环节．即把机床的进给传动链缩短为零，故称这种传动方式为“直接驱动”亦称为“零传动”。
    (1)直线电机的特点 ①快速响应性。一般说，机械传动件比电气元件的动态响应时间耍大几个数量级。由于系统中取消和响应时间常数较大的如滚珠丝杠等机械传动件。使整个闭环的控制系统动态响应性能大大提高。②结构简单，以—个运动部件实现直线运动。直接驱动中力是无接触传递的，因此无磨损，使用寿命长．维护简单。③传动刚性高．推力平稳．直接驱动，弹性环节减少，系统刚性提高，传动效果高。④精度和重复定位精度高，可达亚微米级，比伺服电机及滚珠丝杠副传动的加速度和重复定位精度提高7-10倍。⑤速度高，加速度大。最大速度可达90一180m／rain，最大加逮度可达(1—10)g。⑥行程不受限制．在导轨上通过串联直线电机的定子可任意延长动子的行程长度，这是滚珠丝杠所望尘莫及的。
    (2)直线电机存在的问距及解决办法 ①发热．直线电机是一种高发热元件，又安装在工作台与床身，导轨之间，处于机床的复部，散热条件差，必须采取强有力的冷却措施，否则会直怪影响机床的工作精度精度,降低直线电机的椎力，日前已有妥善解决办法，如西门子公司的IFNI产品，采取初次级分别冷却(粗冷却)及精度冷却装置，介质为水，受到很好效果。②隔磁．直线电机的磁场是敞开的．在有铁屑产生的加工环境中．必须采取隔磁措施，否则直线电机会吸住加工的铁屑．盒域工具和工件使直线电机不能正常工怍。目前，西门子公司制造的直线电机从清华大学，江苏诲安县机械厂研制的直线电机均借助一些隔磁材料和防护跟解决了隔磁问题．③移动邮件轻量化．因为是直接驱动、所以直线电机对负更加敏感。为此，应尽可能采用—些高强度的轻旧材料来制造工作台，用有限元分析和最优化设汁等方法获得所要求的动．静刚度条件下最轻的质量。（未来待续）