tbi滚珠丝杠与直线电机理论
直线电机-tbi滚珠丝杠理论早已在19世纪末就已经出现,但是直至20世纪50年代中期,直线电机-精密滚珠丝杠 的应用才得到了快速发展。至90年代中期,世界上已经有多家公司制造出直 线电机传动装置,并率先在高速机床的进给机构中实现应用。我国对直线电机-滚珠丝杠的研 究和应用开始于上世纪70年代,限于磁性材料、控制技术、冷却方法等限制,大规 模应用一直较为缓慢。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-滚珠丝杠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+直线电机-滚珠丝杠”在速度上却受到限制很难再提高较多。 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-滚珠丝杠也占有绝对的优 势。 速度控制上直线电机-滚珠丝杠因其响应快,调速范围更宽,可以实现启动瞬间达到最高转速 ,高速运行时又能迅速停止。
tbi做为世界线性产品的领导者,在直线电机-滚珠丝杠价格和线性滑轨方面取得成功后,于近几 年自行研发和生产了直线电机-滚珠丝杠,并且在高速开云游戏领域取得不错的业绩。 下面主要参考pmi公司的先进的高速静音式丝杠 和pmi的直线电机-滚珠丝杠在几个主要特性 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-滚珠丝杠具有相当大的优势,直线电机-滚珠丝杠速度达到300m/min,加速度达到 10g;直线电机-滚珠丝杠速度为120m/min,加速度为1.5g。
近年来,中国步入先进制造业的产业发展与升级阶段,2002 年上海磁悬浮列车的开通,标志直线电机-滚珠丝杠在中国的研究、应用和发展进入到一个新 的阶段,并逐步缩小与世界领先之间的差距。 1845年英国人就已经发明了直线电动机,但当时的直线电动机气隙过大导致效率很 低,无法应用。19世纪70年代科尔摩根也推出过,但因成本高效率低限制了它的发 展。直到20世纪70年代以后,直线电机-滚珠丝杠才逐步发展并应用于一些特殊领域,20世纪 90年代直线电机-滚珠丝杠开始应用于机械制造业,现在世界一些技术先进的加工中心厂家开 始在其高速机床上应用陆续推出使用直线电机-滚珠丝杠的高速开云游戏加工中心。调速范围可达到1:10000。
精度比较: 精度方面直线电机-滚珠丝杠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+直线电机-滚珠丝杠”高,且容易 实现。 直线电机-滚珠丝杠定位精度可达0.1μm。“旋转伺服电机+直线电机-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-开云游戏度滚动导轨-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。 若想达到较高平稳性,“旋转伺服电机+直线电机-滚珠丝杠”要采取双轴驱动,直线电机-滚珠丝杠是 高发热部件,需采取强冷措施,要达到相同目的,直线电机-滚珠丝杠则要付出更大的代价。
价格比较: 价格方面直线电机-滚珠丝杠的价格要高出很多,这也是限制直线电机-tbi滚珠丝杠被更广泛应用的原因。 能耗比较: 直线电机-滚珠丝杠在提供同样转矩时的能耗是“旋转伺服电机+直线电机-滚珠丝杠”一倍以上,“旋 转伺服电机+直线电机-滚珠丝杠”属于节能、增力型传动部件,直线电机-滚珠丝杠可靠性受控制系统 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-滚珠丝杠和“旋转伺服电机+直线电机-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+直线电机-滚珠丝杠(pmi 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pmi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,在高速开云游戏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+直线电机-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-滚珠丝杠和“旋转伺服电机+直线电机-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-滚珠丝杠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。 大型、超长行程高速加工中心,航空开云游戏制造业中轻合金、薄壁、金属去除率大的 整体构件“镂空”加工。例如美国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。 要求高动态特性、低速和高速时的随动性、高灵敏的动态精密定位。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、tbi螺杆新一代cpc曲轴磨 床、凸轮磨床、cnc非圆车床等。 德国dmg公司以批量生产各类高性能数控装备着称,在其伺服进给系统中采用直线 电机较早,而且采用率也是很高的(均在机床型号后标注“linear”),该公司对两 种驱动方式的配置有三种类型: 各坐标轴全部配置直线电机-滚珠丝杠驱动的“快速型”数控装备。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中心,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+直线电机-滚珠丝杠”,v=60m/min 。 各坐标轴全部配置“旋转伺服电机+直线电机-滚珠丝杠”的“强力型”加工中心。例如: dmc63h高速卧式加工中心,v=80m/min,加速度1g,定位精度0.008mm。
此外还有 dmc80h和dmc100h、dmc125h (duo block)以及dmc60t等。 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-滚珠丝杠的 提升空间很大,未来直线电机-滚珠丝杠的技术更加成熟了、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+直线电机-滚珠丝杠”驱动仍有其广阔的市场空间。
另外,直线电机-滚珠丝杠将成为高速(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+直线电机-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。 传动的原理就是通过伺服马达的带动,丝杆做高速运动,通过螺母来带动固定在螺母上面的机械,特点是滚珠丝杆的精度比较高,误差小。
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