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直线电机与滚珠丝杠比较

出处:勃曼工业   发布日期:2015/10/29 15:04:08

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    随着直接驱动技术的进展,直线电机与传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的驱动形式的对比引动业界的关注。
    1845年英国人就已经发明了直线马达,但当初的直线马达气隙过大以致速率很低,无法应用。19世纪70年代科尔摩根也推出过,但因成本高速率低限止了它的进展。直至20世纪70年代之后,直线电机才逐步进展并应用于一点特别领域,20世纪90年代直线电机起始应用于机械制作业,如今世界一点技术先进的加工核心厂家起始在其高速机床上应用,海外知名企业例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK都陆续推出使役直线电机的高速高精加工核心。
    HIWIN做为世界线性产品的上层者,在滚珠丝杠和线性滑轨方面获得成功后,于近几年自行开发和生产了直线电机,而且在高速高精领域获得不赖的业绩。
    下边主要参考HIWIN企业的先进的高速静音式丝杠 SUPER S 系列(DN值达22万)和HIWIN的直线电机在几个主要特性上做一点比较,为相关业者提供一个参考。
    精密度比较:
    精密度方面直线电机因传动因构简单减损了插补落后的问题,定位精密度、重现精密度、完全精密度,经过位置检测反馈扼制都会较“旋转伺服电机+滚珠丝杠”高,且容易实行。
    直线电机定位精密度可达0.1μm。“旋转伺服电机+滚珠丝杠”无上达到2~5μm,且要求CNC-伺服电机-无隙连轴器-止推轴承-冷却系统-高精密度骨碌导轨-螺母座-办公台闭环囫囵系统的传动局部要轻量化,光栅精密度要高。
    若想达到较高平顺性,“旋转伺服电机+滚珠丝杠”要采取双轴驱动,直线电机是高发热器件,需采取强冷措施,要达到相同目标,直线电机则要支付更大的代价。
    价钱比较:
    价钱方面直线电机的价钱要凌驾众多,这也是限止直线电机被更广泛应用的端由。
    速度比较:
    速度方面直线电机具备相当大的优势,直线电机速度达到300m/min,加速度达到10g;滚珠丝杠速度为120m/min,加速度为1.5g。从速度上和加速度的对比上,直线电机具备相当大的优势,而且直线电机在成功解决发热问题后速度还会进一步增长,而“旋转伺服电机+滚珠丝杠”在速度上却遭受限止很难再增长较多。
    从动态响应上因为运动惯量和间隙以及机构复杂性等问题直线电机也霸占完全的优势。
    速度扼制上直线电机因其响应快,调速范围更宽,可以实行启动刹那达到无上转速,高速运行时又能迅疾休止。调速范围可达到1:10000。
    能耗比较:
    直线电机在提供同等转矩时的能耗是“旋转伺服电机+滚珠丝杠”一倍以上,“旋转伺服电机+滚珠丝杠”归属节能、增力型传动器件,直线电机靠得住性受扼制系统安定性影响,对周边的影响巨大务必采取管用隔磁与防护措施,隔断强磁场对骨碌导轨的影响和对铁屑磁尘的吸附。
    经过以下这个例子更容易使大家理解直线电机和“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的一点特点:
    东洋某企业超高速龙门式加工核心。X、Y轴采用直线马达驱动V=120m/min。该企业为何不应用“旋转伺服电机+滚珠丝杠(HIWIN SUPER S 系列)”?因为SUPER S虽然DN值已经历了从传统丝杠7万到15万再到22万的提速进程,但因为存在纯机械传动的软肋,其线速度、加速度、行程范围的增加老是有限的。若选用Φ40×20mm的产品,则vmax=110m/min,因nmax=5500r/min转速颀长,行程范围受临界转速Nc的制约显然不可能太长。
    若采用大导程Φ40×40mm产品,则Vmax=220m/min,这显然又不得知足定位精密度高的场合。能达到DN值22万从一个侧面反映了HIWIN的设计、制作水准。假如我们取舍Φ40×20(双头)mm产品,在n≈4000~5000r/min,V=80~100m/min面貌下使役,其安全性、靠得住性、办公寿命均可高于预期值。事实上到现下为止,在高速高精CNC金切机床中(CNC成形机床除外)速度V≥120m/min仍采用SUPER S系列驱动的成功范例未见到。其实“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的最佳应用场合是:要求V=40~100m/min,加速度0.8~1.5(2.0)g,精密度P3级以上的中档高速数字控制装备和局部高档数字控制装备。
    应用比较:
    事实上,直线电机和“旋转伺服电机+滚珠丝杠”两种驱动形式尽管各有优势,但也有自身的软肋。两者在数字控制机床上都有各自最佳的得用范围。
    直线电机驱动在以下数字控制装备领域具备得天独厚的优势:高速、超高速、高加速度和生产批量大、要求定位的运动多、速度体积和方向频繁变动的场合。例如汽车产业和IT产业的生产线,精密、复杂模具的制作。
    大型、超长行程高速加工核心,航空航天制作业中轻合金、薄壁、金属去除率大的群体构件“镂空”加工。例如美国CINCI ATI企业的“Hyper Mach”加工核心(46m);东洋MAZAK企业的“HYPERSONIC 1400L超高速加工核心。
    要求高动态特性、低速和高速时的随动性、高锐敏的动态精密定位。例如,以Sodick为代表的新一代高性能CNC电加工机床、CNC超精密机床、新一代CPC曲轴磨床、凸轮磨床、CNC非圆车床等。

    轻载、快速特种CNC装备。例如德国DMG的“DML80 Fine Cutting”激光镌刻、打孔机,比利时LVD企业的“AXEL3015S”激光切割机,MAZAK的“Hyper Cear510”高速激光加工机等。

直线电机与滚珠丝杠比较

    德国DMG企业以批量生产各类高性能数字控制装备著称,在其伺服进给系统中采用直线电机较早,而且采用率也是颀长的(均在机床型号后标注“Linear”),该企业对两种驱动形式的配置有三品类型:
    各坐标轴所有配置直线电机驱动的“快速型”数字控制装备。例如:DMC85V Linear、DMC75V Linear、DMC105V Linear、DMC60H Linear、DMC80H Linear以及DML80-Fine Cutting激光加工机等。
    混合驱动型。例如:DMF500 Linear动柱式大型立式加工核心,在X轴(行程5m)配直线电机,V=100m/min;而在Y、Z轴则采用“旋转伺服电机+滚珠丝杠”,V=60m/min。
    各坐标轴所有配置“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的“强力型”加工核心。例如:DMC63H高速卧式加工核心,V=80m/min,加速度1g,定位精密度0.008mm。此外还有DMC80H和DMC100H、DMC125H (duo BLOCK)以及DMC60T等。
    两种驱动形式在德国DMG企业被同时使用也申说它们具备各自的优势。直线电机的提高空间巨大,未来直线电机的技术更加成熟了、产量上去了、成本减退了,应用也会更加广泛,但从节能降耗、绿色制作的角度思考,以及两种结构自身特点考量“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动仍有其辽阔的市场空间。直线电机将成为高速(超高速)、高档数字控制装备中的主流驱动形式的同时,“旋转伺服电机+滚珠丝杠”傲然会接续保持其在中档高速数字控制装备中的主流地位。

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