加工机床领域伺服电机技术的发展及其优缺点分析

　　高速高精加工机床的进给驱动，主要有传统的“旋转伺服电机和精密高速滚珠丝杠”和新型的“直线电机直接驱动”两种类型。

　　滚珠丝杠由於工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高（iso34081级），而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。但滚珠丝杠毕竟是机械传动，从伺服电机到移动部件间有一系列机械元件，势必存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应造成运动滞后和其它非线性误差，目前滚珠丝杠副的移动速度和加速度已提高较多，再进一步提高的余地有限。自1993 年，在机床进给上开始应用直线电机直接驱动，它是高速高精加工机床特别是其中的大型机床更理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208m/min，加速度2g（mazak的hmcf3-660l加工中心的水平），并且还有发展余地。

　　直线电机直接驱动的优点是: 1.高刚度。直线电机直接和负载连接，没有间隙，有更高的动态刚度。2.更宽的速度范围。现代电机技术，很容易实现宽调速，速度变化范围可达,1:10000以上。例如，美国科尔摩根公司ddl永磁直线电机高速大于5m/s，低速1μm/s。3.加速特性好、运动惯量小、有更高动态响应性能。4.运行平稳，位置精度高（基本上取决于位置反馈检测元件）。5.无行程限制。采用模块结构,可接长适应不同行程要求。采用直线电机直接驱动，省去了一切中间机械传动，从根本上减小了机械摩损与传动误差，减少维护工作。6.轨迹误差小，高速下可获得良好的定位精度。直线电机直接驱动的优点正好弥补滚珠丝杠传动的不足，与滚珠丝杠传动相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大达10g，刚度提高7倍，最高响应频率达100hz。

　　直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题，除控制难度大（中间没有缓冲环节和存在端部效应）外，还存在强磁场对周边产生磁干扰，影响滚动导轨副的寿命，同时给排屑、装配、维修带来困难，以及发热大、散热条件差。需解决散热、隔磁、足够的推力、自锁和移动部件轻量化等方面的问题，才能在机床上实际应用，同时成本较高也影响其推广应用。目前这些问题都已得到不同程度的解决，采用者愈来愈多。交流直线伺服电机也有感应（异步）式和同步式两大类，同步式（次级为永久磁钢）由于效率高、推力密度大、可控性好等优点，尽管其对隔磁防尘要求较高和装配较困难，现在也已成为机床用直线电机的主流。例如，美国ingersoll 铣床公司生产的hvm800高速卧式加工中心，x、y、z三轴都采用永磁同步直线伺服电机，最大进给速度可达76.2m/min，最大加速度1.5g。

　　在高速高精加工机床领域，直线电机驱动和滚珠丝杠驱动虽然还会并存相当长一段时间，但总的趋势是直线电机驱动所占比重会愈来愈大，将来很有可能成为此种机床进给驱动的主流。现在世界各国的知名机床制造商（比如以发展滚珠丝杠驱动闻名于世的日本mazak公司和韩国的大宇公司）都纷纷推出直线电机驱动的机床。种种迹象表明，直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。