本文分別闡述了交流直線電動機和精密高速滾珠絲杠副的發(fā)展和在機床上的應(yīng)用，并進(jìn)一步對這兩種驅(qū)動方式進(jìn)行了對比分析。指出它們在數(shù)控機床上有各自的優(yōu)缺點和最佳的適用范圍，同時還對中國這方面的發(fā)展策略提出建議。
作為裝備制造業(yè)核心加工設(shè)備的數(shù)控機床正向高速、高效、高精度、智能化、復(fù)合化、環(huán)保化方向發(fā)展。在高速和超高速加工中，要求高的動態(tài)特性和控制精度；瞬間達(dá)到高速和在高速運行中瞬間準(zhǔn)停；振動小、噪聲低、運行平穩(wěn)；可靠性高、壽命長。在各類線性驅(qū)動元部件中，精密高速滾珠絲杠副（Precicion High-speed Ball Screws——本文簡稱PHS-BS）和AC直線電動機（AC Linear Motor本文簡稱AC-LM）是大型、精密、高速數(shù)控裝備的快速伺服進(jìn)給系統(tǒng)中能滿足上述要求的核心功能部件。
邁入數(shù)控裝備領(lǐng)域的AC直線電動機
直線電動機是借助于電磁作用原理，直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運動的驅(qū)動裝置。世界上第一臺直線電動機是英國物理學(xué)家惠斯登（Sir Charles Wheatstone）發(fā)明，并于1845年取得專利。最初以高速運輸和牽引為主，經(jīng)過不斷改進(jìn)后應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大到電腦及辦公設(shè)備、半導(dǎo)體制造裝備、醫(yī)療裝備、工業(yè)自動化、自動繪圖儀等等。根據(jù)不同應(yīng)用場合的差異，直線電動機的種類也很多。近年出現(xiàn)一種由直線電動機與鋁合金滾柱導(dǎo)軌組合的高速線性驅(qū)動部件。Vmax=600m/min，加速度4g，應(yīng)用在快速抓取和放下的場合。圖1為中國臺灣HIWIN公司的LMS、LMC小推力伺服直線電動機，Vmax=210m/min。
圖1 中國臺灣HIWIN公司的LMS、LMC伺服直線電動機
隨著控制技術(shù)、電子技術(shù)、材料技術(shù)的發(fā)展，直線電動機經(jīng)歷了由快速輕載到快速大推力，由一般工業(yè)領(lǐng)域向大型、精密、高速數(shù)控裝備領(lǐng)域發(fā)展的過程。美國Ingersoll公司于1982年開發(fā)出用AC-LM驅(qū)動的高速加工中心樣機，在EMO’93展會上Ex-cell-O公司首次展出在各坐標(biāo)軸上配置感應(yīng)式直線電動機（Indramat公司生產(chǎn)）的XHC240型臥式加工中心，各軸快移速度80m/min，加速度1g，定位精度0.004mm。上述公司邁出了AC-LM在數(shù)控機床上應(yīng)用的第一步。AC-LM作為高速、高精度、高剛度的直接驅(qū)動系統(tǒng)已引起業(yè)界的高度重視，在隨后的EMO’97又掀起了“歐洲的直線電機熱”。
中國雖然早在1969年浙江大學(xué)等單位就開始研究工業(yè)用直線電動機，但是AC-LM在數(shù)控機床上的應(yīng)用還是最近十多年的事情，清華大學(xué)、廣東工學(xué)院、沈陽工業(yè)大學(xué)、哈工大等單位在研究AC-LM用于高速數(shù)控機床方面做了大量工作。清華大學(xué)承擔(dān)了國家“十五”科技項目，并與江蘇瑞安特公司聯(lián)合推出“數(shù)控機床用直線電機及伺服系統(tǒng)”，在CCMT2004（上海）展會上展出。中國用于數(shù)控機床的AC-LM仍處于成長期，離專業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。近年來，中國研發(fā)高速、高檔數(shù)控機床的企業(yè)開始采用AC-LM，但多數(shù)是從國外進(jìn)口。
筆者曾在CIMT國際機床展會上對參展的88臺高速數(shù)控機床（V≥0m/min）作過調(diào)查，其中有23臺采用AC-LM，占所統(tǒng)計臺數(shù)的26%。國外知名企業(yè)例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCINNATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK等在他們的高速、高檔CNC機床中都采用了AC-LM，并把AC-LM作為創(chuàng)新和市場競爭的亮點。據(jù)業(yè)內(nèi)資深學(xué)者指出：直線電機作為一種機電系統(tǒng)，將機械結(jié)構(gòu)簡化，電氣控制復(fù)雜化，符合現(xiàn)代機電技術(shù)的發(fā)展趨勢。
AC-LM進(jìn)入機床領(lǐng)域后，這種全新的直接驅(qū)動方式使傳統(tǒng)的機床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變革。AC-LM作為高性能、高速化的核心功能部件，將在數(shù)控機床特別是高速數(shù)控機床的產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮十分重要的作用。
向AC直線電動機挑戰(zhàn)的精密高速滾珠絲杠副
具有成熟制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的滾珠絲杠副，從它誕生至今已有100多年歷史，在中國也有46年歷史。其產(chǎn)品功能隨主機的發(fā)展不斷擴(kuò)展、提高，從最初的“敏捷省能傳動”（上世紀(jì)六十年代前）到“精密定位”（上世紀(jì)七十年代后），再從“大導(dǎo)程快速驅(qū)動”（上世紀(jì)八十年代）到“精密高速驅(qū)動”（上世紀(jì)九十年代中期），“速度”與“精度”的發(fā)展可謂與時俱進(jìn)，特別是進(jìn)入21世紀(jì)，PHS-BS得到迅速發(fā)展，成為數(shù)控裝備伺服快速進(jìn)給系統(tǒng)中與AC-LM并列的兩顆耀眼明星。
當(dāng)滾珠絲杠與滾珠螺母相對位移時，其加速度≥1g、線速度≥60m/min、或DN值≥120000（DN值的定義是：滾珠絲杠副公稱直徑do(mm)和滾珠絲杠與滾珠螺母相對轉(zhuǎn)速n(r/min)的乘積）、精度達(dá)到P3級以上（國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18587），而各項性能指標(biāo)（力矩變化、剛度、溫升、噪聲等）滿足主機要求者，就可稱之為精密高速滾珠絲杠副(PHS-BS)。
由于滾珠絲杠副優(yōu)良的滾動摩擦特性和傳動效率高（η=90~95%）、傳動敏捷靈活等功能，使其具備提速的有利條件。提速有三個途徑：(1)加大導(dǎo)程Pn，這就是我們常說的大導(dǎo)程（或超大導(dǎo)程）滾珠絲杠副。因Pn增大不利于提高導(dǎo)程精度，而且進(jìn)給系統(tǒng)的靜剛度迅速下降，所以只適用于對定位精度要求不高的快速驅(qū)動場合。(2)兼顧精度、速度、動態(tài)特性，適度增加Pn和n（轉(zhuǎn)速）以及螺紋頭數(shù)。因為受臨界轉(zhuǎn)速Nc的制約，追求高轉(zhuǎn)速是不可取的。(3)從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式上進(jìn)行改革創(chuàng)新，例如：變絲杠主驅(qū)動為螺母主驅(qū)動；變單驅(qū)動為雙驅(qū)動；絲杠空心化、螺母小徑化、滾動體輕量化等。
PHS-BS的出現(xiàn)起源于上世紀(jì)九十年代中后期，日本NSK公司首先推出專用于高速數(shù)控機床的HMC系列，直徑Φ36~55 mm、Pn=16~32mm、Vmax=116m/min、加速度1.3g、DN值=13萬、精度C3~C5（JIS標(biāo)準(zhǔn)）。近年來，世界上知名的滾珠絲杠制造企業(yè)先后推出一批DN值≥150000（220000），V≥120m/min(200m/min)、加速度≥1.5g的靜音PHS-BS產(chǎn)品，例如：日本NSK公司的BSS和S3系列、THK公司的SBK系列、中國臺灣HIWIN公司的Super S系列、PMI公司的FSW系列、德國Rexroth公司的FDM-E系列、西班牙Korta公司的NTG系列等。中國最早從事PHS-BS研究的是北京機床研究所，在“九五”攻關(guān)中完成了GSZ2000型高速滾珠絲杠副綜合測量儀的研制，隨后山東濟(jì)寧博特公司與山東工業(yè)大學(xué)合作也研制成功BTJS-03高速滾珠絲杠副測量儀。目前國內(nèi)PHS-BS的水平是：Vmax≥60m/min(80m/min)、加速度1.4g、精度≥P3級、DN值≈140000。
圖2 北京機床研究所精密機電公司的μ1000 系列立式加工中心
三軸采用PHS—BS實現(xiàn)快速進(jìn)給和高精度定位
歸納起來新一代PHS-BS具有以下特點：
(1)對循環(huán)返向裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。試驗研究證明循環(huán)返向裝置是直接影響PHS-BS滾珠流暢性和動態(tài)特性、振動和噪聲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它制約了DN值的提高。早期的PHS-BS采用厚壁切入式的導(dǎo)珠管，使?jié)L珠螺母螺旋線的延伸方向與導(dǎo)珠管對接。近年又流行一種新的內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，它是在滾珠螺母的螺旋線兩端配置“端塞式”返向裝置，使DN值達(dá)到200000，噪聲降低6-7dB(A)，螺母徑向尺寸縮小30%左右。
(2)優(yōu)化滾珠鏈結(jié)構(gòu)。為減小高速旋轉(zhuǎn)時滾動體的離心力，采用小徑球、Si3N4陶瓷球或DS改質(zhì)球。為了隔斷滾動體在高速運轉(zhuǎn)時相互碰撞、擠壓、摩擦，在滾珠鏈中增加用特殊工程塑料制作并有潤滑功能的隔離器，從而有效降低溫升和噪聲，增加滾動體的流暢性。
(3)為減少高速時“楔效應(yīng)”對滾動體流暢性的影響，對內(nèi)外螺紋滾道的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并降低滾道面的粗糙度，或?qū)Ρ砻孢M(jìn)行改質(zhì)處理，改善摩擦特性。
(4)將滾珠絲杠做成空心，從絲杠內(nèi)部實施強冷。有的企業(yè)還在內(nèi)孔中配置阻尼棒，抑制高速時的振動。HIWIN公司的“Cool Type I”系列還同時對滾珠螺母實施強冷。
(5)近年德國Rexroth、INA、日本THK等公司推出AC電機直接驅(qū)動滾珠螺母的高速線性驅(qū)動裝置（詳見本刊2005年12期）。
(6)絲杠和螺母分別由兩個AC電機驅(qū)動，借助于兩者轉(zhuǎn)速大小和施轉(zhuǎn)方向的疊加，既可成倍提速，又能實現(xiàn)微量進(jìn)給。
(7)充分利用滾珠絲杠副能完成同步運動的功能，采用雙電機雙絲杠驅(qū)動方式，提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)在高速時的平穩(wěn)性，改善動能特性，例如：美國CINCINNATI LAMB公司的HPC-800HP高速臥式加工中心（見圖3）。此外，德國DMG的DMC63H，瑞士DIXI公司的DHP-80-5x，日本牧野公司的A55E，中國大連機床集團(tuán)的DHSC500，寧江機床集團(tuán)的NJ-5HMC40等，也采用雙電機、雙絲杠驅(qū)動。
圖3 美國CINCINNATI LAMB公司的HPC-800HP臥式高速加工中心X、Y、Z三軸采用雙PHS-BS驅(qū)動，
V=80m/min，加速度1.5g。框中框結(jié)構(gòu)的雙驅(qū)動大大提高了快速進(jìn)給的穩(wěn)定性
根據(jù)筆者在一次CIMT國際機床展覽上的調(diào)查統(tǒng)計及隨后的跟蹤可以看出：在中檔高速數(shù)控機床中，采用PHS-BS依然是主流，而部分高檔、高速數(shù)控機床中采用PHS-BS也屢見不鮮。
雙星同臺亮相、各顯亮點
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AC-LM較早，而且采用率也是很高的（均在機床型號后標(biāo)注“Linear”），該公司對AC-LM和PHS-BS的配置有三種類型：
各坐標(biāo)軸全部配置AC-LM驅(qū)動的“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激光加工機等。
混合驅(qū)動型。例如：DMF500 Linear動柱式大型立式加工中心，在X軸（行程5m）配置AC-LM，V=100m/min；而在Y、Z軸則采用PHS-BS，V=60m/min。此外，CTV250、CTX300、CTX420、DMC104V、DMF220F、DMF360F等均屬混合驅(qū)動型。
各坐標(biāo)軸全部配置PHS-BS驅(qū)動的“強力型”加工中心。例如：DMC63H高速臥式加工中心，X、Y、Z三軸全部采用PHS-BS驅(qū)動(Φ50，Pn=35)，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。
AC-LM和PHS-BS這兩顆明星被DMG公司活用，在其主導(dǎo)產(chǎn)品中同臺亮相，精彩紛呈。驅(qū)動方式的多樣性還表現(xiàn)在同一企業(yè)的同一型號、系列的高速數(shù)控裝備上，根據(jù)不同的使用場合，配置不同的驅(qū)動方式。例如德國Grob公司的BZ500型配置PHS-BS，而BZ500L型就配置AC-LM；日本大隈鐵工的MA-400HA型配置PHS-BS，而MAC-Star-400型配置AC-LM；德國Hueller-Hille的Specht63系列配置PHS-BS，而Specht 500L系列配置AC-LM等等。DMG和某些公司只在長行程的X軸配置AC-LM，意在提高機床的動態(tài)特性、定位精度的同時，最大限度縮短非加工時間，提高生產(chǎn)效率，而其他軸仍采用PHS-BS驅(qū)動，從而使機床的性價比對用戶更有吸引力。這種“混合驅(qū)動”的模式是吃透了AC-LM和PHS-BS兩類功能部件的“功能”而進(jìn)行的優(yōu)化組合，把最大限度滿足用戶個性需要作為目標(biāo)，在創(chuàng)新中追求最佳的性價比，這樣的設(shè)計理念能真正給用戶帶來實實在在的效益。“混合驅(qū)動”的模式客觀地反映了市場需求的多樣性，并折射出兩顆明星的亮點。
事實上，AC-LM和PHS-BS兩種驅(qū)動方式盡管各有優(yōu)勢，但也有自身的軟肋。表1對AC-LM和PHS-BS進(jìn)行了對比，由此可以看出，兩者在數(shù)控機床上都有各自最佳的適用范圍。
表1 AC直線電動機與精密高速滾珠絲杠副的對比
AC-LM驅(qū)動在以下數(shù)控裝備領(lǐng)域具有得天獨厚的優(yōu)勢：
(1)高速、超高速、高加速度和生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)和IT產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)線，精密、復(fù)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(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CINCINNATI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（見圖4），x、y軸采用AC-LM，快進(jìn)速度120m/min，能將整體鋁塊鏤空成飛機零件（Z軸仍用PHS-BS）。
(3)要求高動態(tài)特性、低速和高速時的隨動性、高靈敏的動態(tài)精密定位。例如，以Sodick為代表的新一代高性能CNC電加工機床、CNC超精密機床、新一代CPC曲軸磨床、凸輪磨床、CNC非園車床等。
(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。
我們再來分析PHS-BS的最佳應(yīng)用場合。雖然PHS-BS的DN值已經(jīng)歷了從7萬到15萬再到20萬（22萬）的提速進(jìn)程，從表1可看出，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。就以日本NSK公司的新一代BSS和S3系列為例，在其產(chǎn)品樣本中介紹DN值達(dá)22萬，若選用Φ40×20mm的產(chǎn)品，則Vmax=110m/min，因Nmax=5500轉(zhuǎn)/分轉(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合。能達(dá)到DN值22萬從一個側(cè)面反映了該企業(yè)的設(shè)計、制造水準(zhǔn)。如果我們選擇Φ40×20（雙頭）mm產(chǎn)品，在n≈4000~5000轉(zhuǎn)/分，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。事實上到目前為止，在高速高檔CNC金切機床中（CNC成形機床除外）尚未見到要求快進(jìn)速度V≥20m/min仍采用PHS-BS驅(qū)動的成功范例。
圖4 日本MAZAK公司Hypersonic 1400L型超高速龍門式加工中心。
X、Y軸采用直線電動機驅(qū)動V=120m/min
據(jù)筆者調(diào)查分析：PHS-BS的最佳應(yīng)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，行程范圍在3m以內(nèi)的中檔高速數(shù)控裝備和部分高檔數(shù)控裝備。
關(guān)于振興和發(fā)展的思考
最近在《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》中提出：“發(fā)展大型、精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件，改變大型、高精度數(shù)控機床大部分依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，滿足機械、航空航天等工業(yè)發(fā)展的需要。”AC-LM和PHS-BS是大型、精密、特別是高速數(shù)控裝備中十分重要的線性驅(qū)動功能部件。國家發(fā)改委主持制定的《數(shù)控機床發(fā)展專項規(guī)劃》（草案）中把高速加工功能部件的開發(fā)、高速驅(qū)動技術(shù)、精密加工技術(shù)等列為關(guān)鍵技術(shù)。顯然，盡快實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)、電主軸、AC-LM和PHS-BS等主要功能部件的國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，是振興中國大型、精密、高速數(shù)控裝備的當(dāng)務(wù)之急。
(1)加快振興、刻不容緩。在中國，用于實現(xiàn)高速驅(qū)動和精密定位的這兩類功能部件的發(fā)展滯后于市場的需要，與海外存在明顯差距。以PHS-BS為例，當(dāng)海外都已推出第二代、第三代產(chǎn)品時，中國仍處在PHS-BS第一代產(chǎn)品研制的初始階段，沒有商品化。至于用來裝備高速、高檔數(shù)控機床的AC-LM，目前還沒有一個技術(shù)實力雄厚、具備量產(chǎn)條件的企業(yè)向市場提供產(chǎn)品，尚未走出“學(xué)院模式”研究階段。應(yīng)當(dāng)清醒地看到：刻不容緩地加快發(fā)展AC-LM和PHS-BS，是中國數(shù)控裝備國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化的緊迫渴求，也是增強中國綜合國力的時代需要。
(2)并肩發(fā)展，優(yōu)勢互補。雖然AC-LM和PHS-BS并行不悖地在發(fā)展，但是，不同的國家有不同的國情，不同企業(yè)各有長短，海外對待兩種驅(qū)動方式的認(rèn)知度、采用率也是有差異的。而中國的國情是：地大物不博、人口眾多、勞力資源豐富，要從中國的國情出發(fā)，以科學(xué)發(fā)展觀和新型工業(yè)化的指導(dǎo)思想來統(tǒng)籌規(guī)劃AC-LM和PHS-BS的發(fā)展，不可偏廢，缺一不可。即使將來AC-LM的技術(shù)成熟了、產(chǎn)量上去了、成本下降了，從節(jié)能降耗、綠色制造的角度思考，PHS-BS驅(qū)動仍有其廣闊的市場空間。在AC-LM將成為高速（超高速）、高檔數(shù)控裝備中的主流驅(qū)動方式的同時，PHS-BS依然會繼續(xù)保持在中檔高速數(shù)控裝備中的主流地位，但是如果PHS-BS盲目追求高指標(biāo)，在AC-LM的優(yōu)勢范圍中去“硬拼”，恐怕是得不償失的。
(3)科學(xué)發(fā)展，重在基礎(chǔ)。分析中國PHS-BS發(fā)展緩慢的原因，主要在于企業(yè)長期忽視基礎(chǔ)理論和性能試驗方面的投入，發(fā)展后勁不足，面對提速后暴露出來的問題不知從何處下手解決。由于我們在滾動螺旋副的摩擦理論、高速和微動時的摩擦特性、滾動體在不同工況下的運動機理、振動與噪聲、力矩特性、動靜剛度特性等基礎(chǔ)理論方面缺乏深入研究，制約了提速的進(jìn)程。而AC-LM在全數(shù)字控制技術(shù)、散熱、隔磁、電磁干擾、零位方式、增大推力、降低能耗、部件模塊化等方面還有大量的基礎(chǔ)工作要做。中國高校和科研院所在這方面的研究成果，要盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，要用先進(jìn)的科技成果和在實踐中不斷創(chuàng)新來推動AC-LM和PHS-BS的國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化。
(4)有序發(fā)展、正確導(dǎo)向。要對中國的數(shù)控裝備市場作深入調(diào)查，冷靜分析。在數(shù)控裝備中，高速、超高速占多少？高速金切機床、成形機床各占多少？輕載和大型重載占多少？據(jù)有關(guān)人士預(yù)測，到2010年全球?qū)⒂写蠹s20%的數(shù)控機床采用AC-LM。經(jīng)驗表明，數(shù)量的預(yù)測往往不夠準(zhǔn)確，如果這個20%是指全部數(shù)控機床，那么高速數(shù)控機床呢？中國是不是也占20%？我們對市場的分析切忌主觀推斷，盲目樂觀。
無論是發(fā)展AC-LM還是PHS-BS，都要吸取以往發(fā)展某些機電產(chǎn)品的教訓(xùn)，避免盲目上馬、低水平重復(fù)、浪費資源。同時，與AC-LM和PHS-BS配套的相關(guān)功能部件要同步發(fā)展，例如高速、高剛度精密滾動直線導(dǎo)軌副、制動裝置、防護(hù)裝置等。
