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直線電機性能與滾珠絲杠的比較
發(fā)布者：暢馨精工 發(fā)布時間：2019-7-15 15:35:16
隨著直接驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，直線電機與傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的驅(qū)動方式的對比引起業(yè)界的關(guān)注。
1845年英國人就已經(jīng)發(fā)明了直線電動機，但當(dāng)時的直線電動機氣隙過大導(dǎo)致效率很低，無法應(yīng)用。19世紀(jì)70年代科爾摩根也推出過，但因成本高效率低限制了它的發(fā)展。直到20世紀(jì)70年代以后，直線電機才逐步發(fā)展并應(yīng)用于一些特殊領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代直線電機開始應(yīng)用于機械制造業(yè)，現(xiàn)在世界一些技術(shù)先進的加工中心廠家開始在其高速機床上應(yīng)用，國外知名企業(yè)例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都陸續(xù)推出使用直線電機的高速高精加工中心。
佛山市暢馨精工科技有限公司 www.touzhu-jnh.com
精度比較：
精度方面直線電機因傳動機構(gòu)簡單減少了插補滯后的問題，定位精度、重現(xiàn)精度、絕對精度，通過位置檢測反饋控制都會較“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”高，且容易實現(xiàn)。
直線電機定位精度可達0.1μm?！靶D(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”最高達到2~5μm，且要求CNC-伺服電機-無隙連軸器-止推軸承-冷卻系統(tǒng)-高精度滾動導(dǎo)軌-螺母座-工作臺閉環(huán)整個系統(tǒng)的傳動部分要輕量化，光柵精度要高。
若想達到較高平穩(wěn)性，“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”要采取雙軸驅(qū)動，直線電機是高發(fā)熱部件，需采取強冷措施，要達到相同目的，直線電機則要付出更大的代價。
價格比較：
價格方面直線電機的價格要高出很多，這也是限制直線電機被更廣泛應(yīng)用的原因。
速度比較：
速度方面直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，直線電機速度達到300m/min，加速度達到10g；滾珠絲杠速度為120m/min，加速度為1.5g。從速度上和加速度的對比上，直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，而且直線電機在成功解決發(fā)熱問題后速度還會進一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。
從動態(tài)響應(yīng)上因為運動慣量和間隙以及機構(gòu)復(fù)雜性等問題直線電機也占有絕對的優(yōu)勢。
速度控制上直線電機因其響應(yīng)快，調(diào)速范圍更寬，可以實現(xiàn)啟動瞬間達到最高轉(zhuǎn)速，高速運行時又能迅速停止。調(diào)速范圍可達到1：10000。
能耗比較：
直線電機在提供同樣轉(zhuǎn)矩時的能耗是“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”一倍以上，“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”屬于節(jié)能、增力型傳動部件，直線電機可靠性受控制系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，對周邊的影響很大必須采取有效隔磁與防護措施，隔斷強磁場對滾動導(dǎo)軌的影響和對鐵屑磁塵的吸附。
通過以下這個例子更容易使大家了解直線電機和“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的一些特點：
日本某公司超高速龍門式加工中心。X、Y軸采用直線電動機驅(qū)動V=120m/min。該公司為何不應(yīng)用“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”？因為SUPER S雖然DN值已經(jīng)歷了從傳統(tǒng)絲杠7萬到15萬再到22萬的提速進程，但由于存在純機械傳動的軟肋，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=5500r/min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。
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合。如果我們選擇Φ40×20(雙頭)mm產(chǎn)品，在n≈4000~5000r/min，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。事實上到目前為止，在高速高精CNC金切機床中(CNC成形機床除外)速度V≥120m/min仍采用SUPER S系列驅(qū)動的成功范例未見到。實際上“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”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級以上的中檔高速數(shù)控裝備和部分高檔數(shù)控裝備。
應(yīng)用比較：
事實上，直線電機和“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”兩種驅(qū)動方式盡管各有優(yōu)勢，但也有自身的軟肋。兩者在數(shù)控機床上都有各自最佳的適用范圍。
直線電機驅(qū)動在以下數(shù)控裝備領(lǐng)域具有得天獨厚的優(yōu)勢：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。
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CINCI ATI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。
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非圓車床等。
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，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。
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)中采用直線電機較早，而且采用率也是很高的(均在機床型號后標(biāo)注“Linear”)，該公司對兩種驅(qū)動方式的配置有三種類型：
各坐標(biāo)軸全部配置直線電機驅(qū)動的“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激光加工機等。
混合驅(qū)動型。例如：DMF500 Linear動柱式大型立式加工中心，在X軸(行程5m)配直線電機，V=100m/min；而在Y、Z軸則采用“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”，V=60m/min。
各坐標(biāo)軸全部配置“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的“強力型”加工中心。例如：DMC63H高速臥式加工中心，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。
兩種驅(qū)動方式在德國DMG公司被同時運用也說明他們具有各自的優(yōu)勢。直線電機的提升空間很大，未來直線電機的技術(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)自身特點考慮“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”驅(qū)動仍有其廣闊的市場空間。直線電機將成為高速(超高速)、高檔數(shù)控裝備中的主流驅(qū)動方式的同時，“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”依然會繼續(xù)保持其在中檔高速數(shù)控裝備中的主流地位。
1845年英國人就已經(jīng)發(fā)明了直線電動機，但當(dāng)時的直線電動機氣隙過大導(dǎo)致效率很低，無法應(yīng)用。19世紀(jì)70年代科爾摩根也推出過，但因成本高效率低限制了它的發(fā)展。直到20世紀(jì)70年代以后，直線電機才逐步發(fā)展并應(yīng)用于一些特殊領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代直線電機開始應(yīng)用于機械制造業(yè)，現(xiàn)在世界一些技術(shù)先進的加工中心廠家開始在其高速機床上應(yīng)用，國外知名企業(yè)例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都陸續(xù)推出使用直線電機的高速高精加工中心。
佛山市暢馨精工科技有限公司 www.touzhu-jnh.com
精度比較：
精度方面直線電機因傳動機構(gòu)簡單減少了插補滯后的問題，定位精度、重現(xiàn)精度、絕對精度，通過位置檢測反饋控制都會較“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”高，且容易實現(xiàn)。
直線電機定位精度可達0.1μm?！靶D(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”最高達到2~5μm，且要求CNC-伺服電機-無隙連軸器-止推軸承-冷卻系統(tǒng)-高精度滾動導(dǎo)軌-螺母座-工作臺閉環(huán)整個系統(tǒng)的傳動部分要輕量化，光柵精度要高。
若想達到較高平穩(wěn)性，“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”要采取雙軸驅(qū)動，直線電機是高發(fā)熱部件，需采取強冷措施，要達到相同目的，直線電機則要付出更大的代價。
價格比較：
價格方面直線電機的價格要高出很多，這也是限制直線電機被更廣泛應(yīng)用的原因。
速度比較：
速度方面直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，直線電機速度達到300m/min，加速度達到10g；滾珠絲杠速度為120m/min，加速度為1.5g。從速度上和加速度的對比上，直線電機具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，而且直線電機在成功解決發(fā)熱問題后速度還會進一步提高，而“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。
從動態(tài)響應(yīng)上因為運動慣量和間隙以及機構(gòu)復(fù)雜性等問題直線電機也占有絕對的優(yōu)勢。
速度控制上直線電機因其響應(yīng)快，調(diào)速范圍更寬，可以實現(xiàn)啟動瞬間達到最高轉(zhuǎn)速，高速運行時又能迅速停止。調(diào)速范圍可達到1：10000。
能耗比較：
直線電機在提供同樣轉(zhuǎn)矩時的能耗是“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”一倍以上，“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”屬于節(jié)能、增力型傳動部件，直線電機可靠性受控制系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，對周邊的影響很大必須采取有效隔磁與防護措施，隔斷強磁場對滾動導(dǎo)軌的影響和對鐵屑磁塵的吸附。
通過以下這個例子更容易使大家了解直線電機和“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的一些特點：
日本某公司超高速龍門式加工中心。X、Y軸采用直線電動機驅(qū)動V=120m/min。該公司為何不應(yīng)用“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”？因為SUPER S雖然DN值已經(jīng)歷了從傳統(tǒng)絲杠7萬到15萬再到22萬的提速進程，但由于存在純機械傳動的軟肋，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=5500r/min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。
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合。如果我們選擇Φ40×20(雙頭)mm產(chǎn)品，在n≈4000~5000r/min，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。事實上到目前為止，在高速高精CNC金切機床中(CNC成形機床除外)速度V≥120m/min仍采用SUPER S系列驅(qū)動的成功范例未見到。實際上“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”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級以上的中檔高速數(shù)控裝備和部分高檔數(shù)控裝備。
應(yīng)用比較：
事實上，直線電機和“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”兩種驅(qū)動方式盡管各有優(yōu)勢，但也有自身的軟肋。兩者在數(shù)控機床上都有各自最佳的適用范圍。
直線電機驅(qū)動在以下數(shù)控裝備領(lǐng)域具有得天獨厚的優(yōu)勢：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。
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CINCI ATI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。
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非圓車床等。
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，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。
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)中采用直線電機較早，而且采用率也是很高的(均在機床型號后標(biāo)注“Linear”)，該公司對兩種驅(qū)動方式的配置有三種類型：
各坐標(biāo)軸全部配置直線電機驅(qū)動的“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激光加工機等。
混合驅(qū)動型。例如：DMF500 Linear動柱式大型立式加工中心，在X軸(行程5m)配直線電機，V=100m/min；而在Y、Z軸則采用“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”，V=60m/min。
各坐標(biāo)軸全部配置“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的“強力型”加工中心。例如：DMC63H高速臥式加工中心，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。
兩種驅(qū)動方式在德國DMG公司被同時運用也說明他們具有各自的優(yōu)勢。直線電機的提升空間很大，未來直線電機的技術(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)自身特點考慮“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”驅(qū)動仍有其廣闊的市場空間。直線電機將成為高速(超高速)、高檔數(shù)控裝備中的主流驅(qū)動方式的同時，“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”依然會繼續(xù)保持其在中檔高速數(shù)控裝備中的主流地位。
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