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直線電機(jī)與滾珠絲杠性能比較
閱讀：748 發(fā)布時(shí)間：2022-6-17直線電機(jī)與滾珠絲杠性能比較
隨著直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)與傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)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(dòng)機(jī)，但當(dāng)時(shí)的直線電動(dòng)機(jī)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(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)開始應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)，現(xiàn)在世界一些技術(shù)*的加工中心廠家開始在其高速機(jī)床上應(yīng)用，國外企業(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(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方面取得成功后，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。
下面主要參考HIWIN公司的*的高速*式絲杠 SUPER S 系列（DN值達(dá)22萬）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。
速度比較：
速度方面直線電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，直線電機(jī)速度達(dá)到300m/min，加速度達(dá)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(duì)比上，直線電機(jī)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。
精度比較：
精度方面直線電機(jī)因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單減少了插補(bǔ)滯后的問題，定位精度、重現(xiàn)精度、精度，通過位置檢測(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”達(dá)到2~5μm，且要求CNC-伺服電機(jī)-無隙連軸器-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)則要付出更大的代價(jià)。
價(jià)格比較：
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。
能耗比較：
直線電機(jī)在提供同樣轉(zhuǎn)矩時(shí)的能耗是“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”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(HIWIN SUPER S 系列）”？因?yàn)镾UPER 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(jìn)程，但由于存在純機(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=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(chǎng)合。能達(dá)到DN值22萬從一個(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≈4000~5000r/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(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SUPER S系列驅(qū)動(dòng)的成功范例未見到。實(shí)際上“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的應(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)控裝備和部分高檔數(shù)控裝備。
應(yīng)用比較：
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(dòng)態(tài)特性、低速和高速時(shí)的隨動(dòng)性、高靈敏的動(dòng)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(jī)床、CNC超精密機(jī)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(jī)，比利時(shí)LVD公司的“AXEL3015S”激光切割機(jī)，MAZAK的“Hyper Cear510”高速激光加工機(jī)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(jìn)給系統(tǒng)中采用直線電機(jī)較早，而且采用率也是很高的(均在機(jī)床型號(hào)后標(biāo)注“Linear”)，該公司對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)方式的配置有三種類型：
各坐標(biāo)軸全部配置直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)等。
混合驅(qū)動(dòng)型。例如：DMF500 Linear動(dòng)柱式大型立式加工中心，在X軸(行程5m)配直線電機(jī)，V=100m/min；而在Y、Z軸則采用“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”，V=60m/min。
各坐標(biāo)軸全部配置“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的“強(qiáng)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(dòng)方式在德國DMG公司被同時(shí)運(yùn)用也說明他們具有各自的優(yōu)勢(shì)。直線電機(jī)的提升空間很大，未來直線電機(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)、高檔數(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)保持其在中檔高速數(shù)控裝備中的主流地位。(end)
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1845年英國人就已經(jīng)發(fā)明了直線電動(dòng)機(jī)，但當(dāng)時(shí)的直線電動(dòng)機(jī)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(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)開始應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)，現(xiàn)在世界一些技術(shù)*的加工中心廠家開始在其高速機(jī)床上應(yīng)用，國外企業(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(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方面取得成功后，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。
下面主要參考HIWIN公司的*的高速*式絲杠 SUPER S 系列（DN值達(dá)22萬）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。
速度比較：
速度方面直線電機(jī)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，直線電機(jī)速度達(dá)到300m/min，加速度達(dá)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(duì)比上，直線電機(jī)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。
精度比較：
精度方面直線電機(jī)因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單減少了插補(bǔ)滯后的問題，定位精度、重現(xiàn)精度、精度，通過位置檢測(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”達(dá)到2~5μm，且要求CNC-伺服電機(jī)-無隙連軸器-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)則要付出更大的代價(jià)。
價(jià)格比較：
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。
能耗比較：
直線電機(jī)在提供同樣轉(zhuǎn)矩時(shí)的能耗是“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”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(HIWIN SUPER S 系列）”？因?yàn)镾UPER 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(jìn)程，但由于存在純機(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=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(chǎng)合。能達(dá)到DN值22萬從一個(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≈4000~5000r/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(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SUPER S系列驅(qū)動(dòng)的成功范例未見到。實(shí)際上“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的應(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)控裝備和部分高檔數(shù)控裝備。
應(yīng)用比較：
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(dòng)態(tài)特性、低速和高速時(shí)的隨動(dòng)性、高靈敏的動(dòng)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(jī)床、CNC超精密機(jī)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(jī)，比利時(shí)LVD公司的“AXEL3015S”激光切割機(jī)，MAZAK的“Hyper Cear510”高速激光加工機(jī)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(jìn)給系統(tǒng)中采用直線電機(jī)較早，而且采用率也是很高的(均在機(jī)床型號(hào)后標(biāo)注“Linear”)，該公司對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)方式的配置有三種類型：
各坐標(biāo)軸全部配置直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)等。
混合驅(qū)動(dòng)型。例如：DMF500 Linear動(dòng)柱式大型立式加工中心，在X軸(行程5m)配直線電機(jī)，V=100m/min；而在Y、Z軸則采用“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”，V=60m/min。
各坐標(biāo)軸全部配置“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的“強(qiáng)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(dòng)方式在德國DMG公司被同時(shí)運(yùn)用也說明他們具有各自的優(yōu)勢(shì)。直線電機(jī)的提升空間很大，未來直線電機(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)、高檔數(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)保持其在中檔高速數(shù)控裝備中的主流地位。(end)
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2009年5月12日