分析加工机床领域伺服电机技术的发展与优缺点

    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”两种类型的高速高精加工机床的进给驱动。

　　滚珠丝杠由于工艺成熟而广泛应用，不仅度能达到比较高，且实现高速化的成本也相对比较低，所以现在仍被许多高速加工机床所采用。目前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床移动速度为90m/min，加速度为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，就会存在弹性变形、摩擦与反向间隙，从而造成运动滞后以及其它非线性的误差，当前滚珠丝杠副的移动速度和加速度都已提高了比较多，进一步提高的余地非常有限。从1993 年，在机床进给上就开始应用直线电机直接驱动，它是高速高精加工机床尤其是大型机床更理想的驱动方式。现在所使用直线电机的高速高精加工机床快移速度已达到208m/min，加速度2g（mazak的hmcf3-660l加工中心的水平），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，有着更高的动态刚度。②.更宽的速度范围。现代电机技术，非常容易实现宽调速，速度变化范围可达1:10000以上。比如，美国科尔摩根公司的ddl永磁直线电机高速大于5m/s，低速是1μm/s。③.加速特性好、运动惯量小、有更高的动态响应性能。④.运行平稳，位置高（基本上取决于位置反馈检测元件）。⑤.无行程限制。若采用模块结构,可以接长适应不同行程的要求。如采用直线电机直接驱动，就省去了一切中间的机械传动，就可以从根本上减小机械摩损与传动误差，减少维护工作。⑥.轨迹误差小，高速下就可获得良好的定位。直线电机直接驱动的优点正好弥补了滚珠丝杠传动的不足，与滚珠丝杠传动相比，其速度提高了30倍，加速度提高了10倍，可达10g，刚度可提高7倍，响应频率达100hz左右。

　　相应直线电机直接驱动也存在着一些缺点及问题，除了控制难度大外，还存在强磁场对周边环境产生的磁干扰；影响了滚动从而导轨副的寿命，而且给排屑、装配以及维修带来了困难。发热大、散热条件差；需要解决散热、隔磁、自锁和移动部件轻量化等多方面的问题，才能在机床上实际应用。同时成本较高也影响它的推广应用。交流直线伺服电机也有感应式和同步式两大类。同步式因为效率高、推力密度大、可控性好等优点，现在已成为机床用直线电机的主流。像美国ingersoll 铣床公司生产的hvm800高速卧式加工中心，x、y、z三轴都采用了永磁同步直线伺服电机，进给速度可达到76.2m/min，加速度为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很长一段时间，但是总趋势是直线电机驱动所占比重会越来越大，未来可能成为此种机床进给驱动的主流。现在世界各国的机床制造商（例如以发展滚珠丝杠驱动著称的日本mazak公司和韩国的大宇公司）都推出了直线电机驱动的机床。这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。