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    直線電機與滾珠絲杠性能比較
    發布時間:2017-9-19 2:14:08 查看次數:

     

    直線電機與滾珠絲杠性能比較

           隨著直接驅動技術的發展,直線電機與傳統的“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”的驅動方式的對比引起業界的關注。 

          1845年英國人就已經發明了直線電動機,但當時的直線電動機氣隙過大導致效率很低,無法應用。19世紀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展。直到20世紀70年代以后,直線電機才逐步發展并應用于一些特殊領域,20世紀90年代直線電機開始應用于機械制造業,現在世界一些技術先進的加工中心廠家開始在其高速機床上應用,國外知名企業例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都陸續推出使用直線電機的高速高精加工中心。 

          下面參考先進的高速靜音式絲杠 SUPER S 系列(DN值達22萬)和直線電機在幾個主要特性上做一些比較,為相關業者提供一個參考。 

    速度比較: 

           速度方面直線電機具有相當大的優勢,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,直線電機具有相當大的優勢,而且直線電機在成功解決發熱問題后速度還會進一步提高,而“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”在速度上卻受到限制很難再提高較多。 

    從動態響應上因為運動慣量和間隙以及機構復雜性等問題直線電機也占有絕對的優勢。 

    速度控制上直線電機因其響應快,調速范圍更寬,可以實現啟動瞬間達到最高速度,高速運行時又能迅速停止。調速范圍可達到1:10000。 

    精度比較: 

           精度方面直線電機因傳動機構簡單減少了插補滯后的問題,定位精度、重復定位精度、絕對精度,通過位置檢測反饋控制都會較“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”高,且容易實現。 

            直線電機定位精度可達0.1μm?!靶D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-高精度滾動導軌-螺母座-工作臺閉環整個系統的傳動部分要輕量化,光柵精度要高。 

           若想達到較高平穩性,“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”要采取雙軸驅動,直線電機是高發熱部件,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,在長行程上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用的原因。 

    能耗比較: 

            直線電機在提供同樣轉矩時的能耗是“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”一倍以上,“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”屬于節能、增力型傳動部件,直線電機可靠性受控制系統穩定性影響,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動V=120m/min。該公司為何不應用“旋轉伺服電機+滾珠絲杠(HIWIN SUPER S 系列)”?因為SUPER S雖然DN值已經歷了從傳統絲杠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的產品,則Vmax=110m/min,因nmax=5500r/min轉速很高,行程范圍受臨界轉速Nc的制約顯然不可能太長。若采用大導程Φ40×40mm產品,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產品,在n≈4000~5000r/min,V=80~100m/min狀態下使用,其安全性、可靠性、工作壽命均可高于預期值。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系列驅動的成功范例未見到。實際上“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”的最佳應用場合是: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控裝備和部分高檔數控裝備。 

    應用比較: 

    事實上,直線電機和“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”兩種驅動方式盡管各有優勢,但也有自身的軟肋。兩者在數控機床上都有各自最佳的適用范圍。 

    直線電機驅動在以下數控裝備領域具有得天獨厚的優勢:

    1.高速、超高速、高加速度和生產批量大、要求定位的運動多、速度大小和方向頻繁變化的場合。例如汽車產業和IT產業的生產線,精密、復雜模具的制造。 

    2.大型、超長行程高速加工中心,航空航天制造業中輕合金、薄壁、金屬去除率大的整體構件“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。 

    3.要求高動態特性、低速和高速時的隨動性、高靈敏的動態精密定位。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。 

    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。 

           德國DMG公司以批量生產各類高性能數控裝備著稱,在其伺服進給系統中采用直線電機較早,而且采用率也是很高的(均在機床型號后標注“Linear”),該公司對兩種驅動方式的配置有三種類型: 

    各坐標軸全部配置直線電機驅動的“快速型”數控裝備。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“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”,V=60m/min。 

    各坐標軸全部配置“旋轉伺服電機+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勢。直線電機的提升空間很大,未來直線電機的技術更加成熟了、產量上去了、成本下降了,應用也會更加廣泛,但從節能降耗、綠色制造的角度思考,以及兩種結構自身特點考慮“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”驅動仍有其廣闊的市場空間。直線電機將成為高速(超高速)、高檔數控裝備中的主流驅動方式的同時,“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”依然會繼續保持其在中檔高速數控裝備中的主流地位。

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