伺服电机与进给滚珠丝杠的联接的发展
伺服电机与进给滚珠丝杠的联接的发展
近年来，数控机床的快速发展也促进了伺服电机向高速方向的发展。数控机床的进给驱动有两种类型：“旋转伺服电机精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”。保守的滚珠丝杠加工精度高。随着直接驱动技术的发展，直线电机和传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杆”驱动模式的对比引起了业界的关注。1845 年，英国人发明了直线电机，但当时直线电机气隙过大，效率低下，无法应用。科尔摩根也在 20 世纪 70 年代推出，但由于成本高、效率低，其发展受到限制。直到 20 世纪 70 年代以后，直线电机才逐渐发展并应用于一些特殊领域。20 世纪 90 年代，直线电机开始应用于机械制造业。现在，世界上一些先进的技术加工中心制造商已经开始应用于其高速机床，例如，国外知名企业 DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、Grob、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK 都推出了使用直线电机的高速高精度加工中心。
下面主要参考HIWIN科技的先进的高速静音式滚珠丝杠 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些比较，为相关业者提供一个参考。
速度比较：
速度方面直线电机具有相当大的优势，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，直线电机具有相当大的优势，而且直线电机在成功解决发热问题后速度还会进一步提高，而“旋转伺服电机+滚珠丝杠”在速度上却受到限制很难再提高较多。
精度比较：
精度方面直线电机因传动机构简单减少了插补滞后的问题，定位精度、重现精度、绝对精度，通过位置检测反馈控制都会较“旋转伺服电机+滚珠丝杠”高，且容易实现。直线电机定位精度可达0.1μm。“旋转伺服电机+滚珠丝杠”最高达到2~5μm，且要求CNC-伺服电机-无隙连轴器-止推轴承-冷却系统-高精度滚动导轨-螺母座-工作台闭环整个系统的传动部分要轻量化，光栅精度要高。
价格比较：
价格方面直线电机的价格要高出很多，这也是限制直线电机被更广泛应用的原因。
能耗比较：
直线电机在提供同样转矩时的能耗是“旋转伺服电机+滚珠丝杠”一倍以上，“旋转伺服电机+滚珠丝杠”属于节能、增力型传动部件，直线电机可靠性受控制系统稳定性影响，对周边的影响很大必须采取有效隔磁与防护措施，隔断强磁场对滚动导轨的影响和对铁屑磁尘的吸附。
通过以下这个例子更容易使大家了解直线电机和“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的一些特点：
日本某公司超高速龙门式加工中心。X、Y轴采用直线电动机驱动V=120m/min。该公司为何不应用“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，但由于存在纯机械传动的软肋，其线速度、加速度、行程范围的增加总是有限的。若选用Φ40×20mm的产品，则Vmax=110m/min，因Nmax=5500r/min转速很高，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，这显然又不能满足定位精度高的场合。能达到DN值22万从一个侧面反映了HIWIN的设计、制造水准。如果我们选择Φ40×20(双头)mm产品，在n≈4000~5000r/min，V=80～100m/min状态下使用，其安全性、可靠性、工作寿命均可高于预期值。事实上到目前为止，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。实际上“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0.8~1.5(2.0)g，精度P3级以上的中档高速数控装备和部分高档数控装备。
应用比较：
事实上，直线电机和“旋转伺服电机+滚珠丝杠”两种驱动方式尽管各有优势，但也有自身的软肋。两者在数控机床上都有各自最佳的适用范围。直线电机驱动在以下数控装备领域具有得天独厚的优势：高速、超高速、高加速度和生产批量大、要求定位的运动多、速度大小和方向频繁变化的场合。例如汽车产业和IT产业的生产线，精密、复杂模具的制造。
两种驱动方式在德国DMG公司被同时运用也说明他们具有各自的优势。直线电机的提升空间很大，未来直线电机的技术更加成熟了、产量上去了、成本下降了，应用也会更加广泛，但从节能降耗、绿色制造的角度思考，以及两种结构自身特点考虑“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动仍有其广阔的市场空间。直线电机将成为高速(超高速)、高档数控装备中的主流驱动方式的同时，“旋转伺服电机+滚珠丝杠”依然会继续保持其在中档高速数控装备中的主流地位。
综上所述，伺服系统与进给滚珠丝杠的连接是数控机床及其应用的重要组成部分，不同的连接方式适合不同数控机床的需要。这些技术的发展和应用提高了伺服系统的性能和可靠性，极大地推动了数控机床及其应用技术的发展。随着时代的发展和科学技术的进步，伺服系统与进给滚珠丝杠之间的连接方式有一天可能会被其他社会发展成果所取代，但它已经为数控产业的可持续发展奠定了基础，对数控产业的发展将产生永久的影响。
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