作為裝備製造業核心加工設備的數控機床正向高速、高效、高精度、智能化、複合化、環保化方向發展。在高速和超高速加工中，要求高的動態特性和控制精度；瞬間達到高速和在高速運行中瞬間准停；振動小、雜訊低、運行平穩；可靠性高、壽命長。在各類線性驅動元部件中，精密高速滾珠絲杠副(Precicion High- eed Ball Screws——本文簡稱PHS- )和AC直線電動機(AC Linear Motor本文簡稱AC-LM)是大型、精密、高速數控裝備的快速伺服進給系統中能滿足上述要求的核心功能部件。
邁入數控裝備領域的AC直線電動機
直線電動機是藉助於電磁作用原理，直接將電能轉換為直線運動的驅動裝置。世界上第一台直線電動機是英國物理學家惠斯登(Sir Charles
Wheatstone)發明，並於1845年取得專利。最初以高速運輸和牽引為主，經過不斷改進后應用範圍逐漸擴大到電腦及辦公設備、半導體製造裝備、醫療裝備、工業自動化、自動繪圖儀等等。根據不同應用場合的差異，直線電動機的種類也很多。近年出現一種由直線電動機與鋁合金滾柱導軌組合的高速線性驅動部件。Vmax=600m/min，加速度4g，應用在快速抓取和放下的場合。圖1為中國台灣HIWIN公司的LMS、LMC小推力伺服直線電動機，Vmax=210m/min。
隨著控制技術、電子技術、材料技術的發展，直線電動機經歷了由快速輕載到快速大推力，由一般工業領域向大型、精密、高速數控裝備領域發展的過程。美國Ingersoll公司於1982年開發出用AC-LM驅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軸上配置感應式直線電動機(Indramat公司生產)的XHC240型卧式加工中心，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在數控機床上應用的第一步。AC-LM作為高速、高精度、高剛度的直接驅動系統已引起業界的高度重視，在隨後的EMO』97又掀起了「歐洲的直線電機熱」。
中國雖然早在1969年浙江大學等單位就開始研究工業用直線電動機，但是AC-LM在數控機床上的應用還是最近十多年的事情，清華大學、廣東工學院、瀋陽工業大學、哈工大等單位在研究AC-LM用於高速數控機床方面做了大量工作。清華大學承擔了國家「十五」科技項目，並與江蘇瑞安特公司聯合推出「數控機床用直線電機及伺服系統」，在CCMT2004(上海)展會上展出。中國用於數控機床的AC-LM仍處於成長期，離專業化生產還有一定的距離。近年來，中國研發高速、高檔數控機床的企業開始採用AC-LM，但多數是從國外進口。
筆者曾在CIMT國際機床展會上對參展的88台高速數控機床作過調查，其中有23台採用AC-LM，占所統計台數的26%。國外知名企業例如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC、SODICK等在他們的高速、高檔CNC機床中都採用了AC-LM，並把AC-LM作為創新和市場競爭的亮點。據業內資深學者指出：直線電機作為一種機電系統，將機械結構簡化，電氣控制複雜化，符合現代機電技術的發展趨勢。
AC-LM進入機床領域后，這種全新的直接驅動方式使傳統的機床結構產生重大變革。AC-LM作為高性能、高速化的核心功能部件，將在數控機床特別是高速數控機床的產業鏈中發揮十分重要的作用。
向AC直線電動機挑戰的精密高速滾珠絲杠副
具有成熟製造技術和產業化規模的滾珠絲杠副，從它誕生至今已有100多年歷史，在中國也有46年歷史。其產品功能隨主機的發展不斷擴展、提高，從最初的「敏捷省能傳動」(上世紀六十年代前)到「精密定位」(上世紀七十年代后)，再從「大導程快速驅動」(上世紀八十年代)到「精密高速驅動」(上世紀九十年代中期)，「速度」與「精度」的發展可謂與時俱進，特別是進入21世紀，PHS- 得到迅速發展，成為數控裝備伺服快速進給系統中與AC-LM並列的兩顆耀眼明星。
當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速n(r/min)的乘積)、精度達到P3級以上(國家標準GB/T18587)，而各項性能指標（力矩變化、剛度、溫升、雜訊等)滿足主機要求者，就可稱之為精密高速滾珠絲杠副(PHS- )。
由於滾珠絲杠副優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)加大導程 ，這就是我們常說的大導程(或超大導程)滾珠絲杠副。因 增大不利於提高導程精度，而且進給系統的靜剛度迅速下降，所以只適用於對定位精度要求不高的快速驅動場合。(2)兼顧精度、速度、動態特性，適度增加 和n(轉速)以及螺紋頭數。因為受臨界轉速Nc的制約，追求高轉速是不可取的。(3)從產品結構和驅動方式上進行改革創新，例如：變絲杠主驅動為螺母主驅動；變單驅動為雙驅動；絲杠空心化、螺母小徑化、滾動體輕量化等。
PHS- 的出現起源於上世紀九十年代中後期，日本 K公司首先推出專用於高速數控機床的HMC系列，直徑Ø36～55 mm、 =16～32mm、Vmax=116m/min、加速度1.3g、DN值=13萬、精度C3～C5(JIS標準)。近年來，世界上知名的滾珠絲杠製造企業先後推出一批DN值≥150000(220000)，V≥120m/min(200m/min)、加速度≥1.5g的靜音PHS- 產品，例如：日本 K公司的 和S3系列、THK公司的 K系列、中國台灣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- 研究的是北京機床研究所，在「九五」攻關中完成了GSZ2000型高速滾珠絲杠副綜合測量儀的研製，隨後山東濟寧博特公司與山東工業大學合作也研製成功BTJS-03高速滾珠絲杠副測量儀。目前國內PHS- 的水平是：Vmax≥60m/min(80m/min)、加速度1.4g、精度≥P3級、DN值≈140000。
歸納起來新一代PHS- 具有以下特點：
對循環返向裝置進行了優化設計。試驗研究證明循環返向裝置是直接影響PHS- 滾珠流暢性和動態特性、振動和雜訊的關鍵環節，它制約了DN值的提高。早期的PHS- 採用厚壁切入式的導珠管，使滾珠螺母螺旋線的延伸方向與導珠管對接。近年又流行一種新的內循環結構，它是在滾珠螺母的螺旋線兩端配置「端塞式」返向裝置，使DN值達到200000，雜訊降低6-7dB(A)，螺母徑向尺寸縮小30%左右。
優化滾珠鏈結構。為減小高速旋轉時滾動體的離心力，採用小徑球、Si3N4陶瓷球或DS改質球。為了隔斷滾動體在高速運轉時相互碰撞、擠壓、摩擦，在滾珠鏈中增加用特殊工程塑料製作並有潤滑功能的隔離器，從而有效降低溫升和雜訊，增加滾動體的流暢性。
為減少高速時「楔效應」對滾動體流暢性的影響，對內外螺紋滾道的幾何參數進行優化設計，並降低滾道面的粗糙度，或對錶面進行改質處理，改善摩擦特性。
將滾珠絲杠做成空心，從絲杠內部實施強冷。有的企業還在內孔中配置阻尼棒，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。
近年德國Rexroth、INA、日本THK等公司推出AC電機直接驅動滾珠螺母的高速線性驅動裝置(詳見《中國機械與金屬》2005年12期)。
絲杠和螺母分別由兩個AC電機驅動，藉助於兩者轉速大小和施轉方向的疊加，既可成倍提速，又能實現微量進給。
充分利用滾珠絲杠副能完成同步運動的功能，採用雙電機雙絲杠驅動方式，提高伺服進給系統在高速時的平穩性，改善動能特性，例如：美國CINCI ATI
LAMB公司的HPC-800HP高速卧式加工中心(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，中國大連機床集團的DHSC500，寧江機床集團的NJ-5HMC40等，也採用雙電機、雙絲杠驅動。
美國CINCI ATI LAMB公司的HPC-800HP卧式高速加工中心X、Y、Z三軸採用雙PHS- 驅動，V=80m/min，加速度1.5g。框中框結構的雙驅動大大提高了快速進給的穩定性
根據筆者在一次CIMT國際機床展覽上的調查統計及隨後的跟蹤可以看出：在中檔高速數控機床中，採用PHS- 依然是主流，而部分高檔、高速數控機床中採用PHS- 也屢見不鮮。
雙星同台亮相、各顯亮點
德國DMG公司以批量生產各類高性能數控裝備著稱，在其伺服進給系統中採用AC-LM較早，而且採用率也是很高的(均在機床型號后標註「Linear」)，該公司對AC-LM和PHS- 的配置有三種類型：
各坐標軸全部配置AC-LM驅動的「快速型」數控裝備。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軸則採用PHS- ，V=60m/min。此外，CTV250、CTX300、CTX420、DMC104V、DMF220F、DMF360F等均屬混合驅動型。
各坐標軸全部配置PHS- 驅動的「強力型」加工中心。例如：DMC63H高速卧式加工中心，X、Y、Z三軸全部採用PHS- 驅動(Φ50， =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直線電動機與精密高速滾珠絲杠副的對比 PHS- AC-LM 說明 線性伺服進給系統主要環節 CNC-伺服電機-無隙連軸器-止推軸承－PHS/ -冷卻系統-滾動導軌-螺母座-工作台 閉環CNC-電機動子-強冷系統-滾動導軌-位置感測器－工作台 AC-LM稱為直接驅動，PHS- 是非直接驅動 驅動線速度(m/min) 60～100(120)，速度範圍有限 60～200(600)，速度範圍廣 前者當n↑， ↑；Vmax＝200m/min；後者最小：1µm/s 加速度(g) 0.5～1.5(2) 0.5～10 都要求運動部件輕量化 定位、重複定位精度(µm) 較高(2～5) 很高。光柵閉環控制：0.1～0.01 AC-LM在高速位移狀態下可達亞微米級定位精度，跟蹤誤差小 運動的平穩性(%速度) 較好，10% 很好，1% PHS- 採用雙頭螺紋、雙絲桿驅動可改善運動的平穩性 行程範圍 有限 無限 PHS- 一般不超過5m控制系統較簡單，技術較成熟較複雜，要求高(全閉環控制) 負載變化直接作用於AC-LM，由於端部效應、齒槽效應等因素，使伺服控制複雜化，難度加大 熱特性 已有較成熟的技術抑制溫升與熱變形 處於主機腹部的AC-LM是高發熱部件，需採取強冷措施 達到相同目的，後者要付出更大的代價工作噪音較低靜音前者已開發出高速靜音產品 軸向推力 較大(與絲桿參數有關) 較小(一般＜10kN) 採用多台AC-LM並聯，可提高軸向推力，但布局困難 產生相同推力所消耗的能量 較小 較大(功率損耗超過輸出功率的50%) PHS- 屬於節能、增力型傳動部件 壽命(h)，可靠性 6000～10000，可靠性較高 ≈50000，無機械磨損，壽命長，可靠性高 PHS- 的可靠性與製造品質有關，AC-LM的可靠性受控制系統穩定性影響 對周邊的影響 沒有影響 必須採取有效隔磁與防護措施，隔斷強磁場對滾動導軌的影響和對鐵屑磁塵的吸附 AC-LM法向磁力與軸向推力之比大約為4:1～5:1 工作效率 高 更高，可使主機生產效率提高20%以上 製造成本 比普通滾珠絲桿高，比AC-LM低得多 成本高，售價昂貴 AC-LM在中國的製造技術成熟和量產後，成本和售價可望下降AC-LM和PHS- 這兩顆明星被DMG公司活用，在其主導產品中同台亮相，精彩紛呈。驅動方式的多樣性還表現在同一企業的同一型號、系列的高速數控裝備上，根據不同的使用場合，配置不同的驅動方式。例如德國Grob公司的BZ500型配置PHS- ，而BZ500L型就配置AC-LM；日本大隈鐵工的MA-400HA型配置PHS- ，而MAC-Star-400型配置AC-LM；德國Hueller-Hille的 echt63系列配置PHS- ，而 echt 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特性、定位精度的同時，最大限度縮短非加工時間，提高生產效率，而其他軸仍採用PHS- 驅動，從而使機床的性價比對用戶更有吸引力。這種「混合驅動」的模式是吃透了AC-LM和PHS- 兩類功能部件的「功能」而進行的優化組合，把最大限度滿足用戶個性需要作為目標，在創新中追求最佳的性價比，這樣的設計理念能真正給用戶帶來實實在在的效益。「混合驅動」的模式客觀地反映了市場需求的多樣性，並折射出兩顆明星的亮點。
事實上，AC-LM和PHS- 兩種驅動方式儘管各有優勢，但也有自身的軟肋。表1對AC-LM和PHS- 進行了對比，由此可以看出，兩者在數控機床上都有各自最佳的適用範圍。
AC-LM驅動在以下數控裝備領域具有得天獨厚的優勢：
高速、超高速、高加速度和生產批量大、要求定位的運動多、速度大小和方向頻繁變化的場合。例如汽車產業和IT產業的生產線，精密、複雜模具的製造。
大型、超長行程高速加工中心，航空航天製造業中輕合金、薄壁、金屬去除率大的整體構件「鏤空」加工。例如美國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(見圖4)，x、y軸採用AC-LM，快進速度120m/min，能將整體鋁塊鏤空成飛機零件(Z軸仍用PHS- )。
要求高動態特性、低速和高速時的隨動性、高靈敏的動態精密定位。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。
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。
日本MAZAK公司Hypersonic 1400L型超高速龍門式加工中心。X、Y軸採用直線電動機驅動V=120m/min 我們再來分析PHS- 的最佳應用場合。雖然PHS- 的DN值已經歷了從7萬到15萬再到20萬(22萬)的提速進程，從表1可看出，由於存在純機械傳動的軟肋，其線速度、加速度、行程範圍的增加總是有限的。就以日本 K公司的新一代 和S3系列為例，在其產品樣本中介紹DN值達22萬，若選用Φ40×20mm的產品，則Vmax=110m/min，因Nmax=5500轉/分轉速很高，行程範圍受臨界轉速Nc的制約顯然不可能太長。若採用大導程Φ40×40mm產品，則Vmax=220m/min，這顯然又不能滿足定位精度高的場合。能達到DN值22萬從一個側面反映了該企業的設計、製造水準。如果我們選擇Φ40×20(雙頭)mm產品，在n≈4000~5000轉/分，V=80～100m/min狀態下使用，其安全性、可靠性、工作壽命均可高於預期值。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)尚未見到要求快進速度V≥20m/min仍採用PHS- 驅動的成功範例。據筆者調查分析：PHS- 的最佳應用場合是：要求V=40~100m/min，加速度0.8~1.5(2.0)g，精度P3級以上，行程範圍在3m以內的中檔高速數控裝備和部分高檔數控裝備。
關於振興和發展的思考
最近在《國務院關於加快振興裝備製造業的若干意見》中提出：「發展大型、精密、高速數控裝備和數控系統及功能部件，改變大型、高精度數控機床大部分依賴進口的現狀，滿足機械、航空航天等工業發展的需要。」AC-LM和PHS- 是大型、精密、特別是高速數控裝備中十分重要的線性驅動功能部件。國家發改委主持制定的《數控機床發展專項規劃》(草案)中把高速加工功能部件的開發、高速驅動技術、精密加工技術等列為關鍵技術。顯然，儘快實現數控系統、電主軸、AC-LM和PHS- 等主要功能部件的國產化、產業化，是振興中國大型、精密、高速數控裝備的當務之急。
加快振興、刻不容緩。在中國，用於實現高速驅動和精密定位的這兩類功能部件的發展滯後於市場的需要，與海外存在明顯差距。以PHS- 為例，當海外都已推出第二代、第三代產品時，中國仍處在PHS- 第一代產品研製的初始階段，沒有商品化。至於用來裝備高速、高檔數控機床的AC-LM，目前還沒有一個技術實力雄厚、具備量產條件的企業向市場提供產品，尚未走出「學院模式」研究階段。應當清醒地看到：刻不容緩地加快發展AC-LM和PHS- ，是中國數控裝備國產化、產業化的緊迫渴求，也是增強中國綜合國力的時代需要。
並肩發展，優勢互補。雖然AC-LM和PHS- 并行不悖地在發展，但是，不同的國家有不同的國情，不同企業各有長短，海外對待兩種驅動方式的認知度、採用率也是有差異的。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，以科學發展觀和新型工業化的指導思想來統籌規劃AC-LM和PHS- 的發展，不可偏廢，缺一不可。即使將來AC-LM的技術成熟了、產量上去了、成本下降了，從節能降耗、綠色製造的角度思考，PHS- 驅動仍有其廣闊的市場空間。在AC-LM將成為高速(超高速)、高檔數控裝備中的主流驅動方式的同時，PHS- 依然會繼續保持在中檔高速數控裝備中的主流地位，但是如果PHS- 盲目追求高指標，在AC-LM的優勢範圍中去「硬拼」，恐怕是得不償失的。
科學發展，重在基礎。分析中國PHS- 發展緩慢的原因，主要在於企業長期忽視基礎理論和性能試驗方面的投入，發展後勁不足，面對提速后暴露出來的問題不知從何處下手解決。由於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、振動與雜訊、力矩特性、動靜剛度特性等基礎理論方面缺乏深入研究，制約了提速的進程。而AC-LM在全數字控制技術、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工作要做。中國高校和科研院所在這方面的研究成果，要儘快轉化為生產力，要用先進的科技成果和在實踐中不斷創新來推動AC-LM和PHS- 的國產化、產業化。
有序發展、正確導向。要對中國的數控裝備市場作深入調查，冷靜分析。在數控裝備中，高速、超高速佔多少？高速金切機床、成形機床各佔多少？輕載和大型重載佔多少？據有關人士預測，到2010年全球將有大約20%的數控機床採用AC-LM。經驗表明，數量的預測往往不夠準確，如果這個20%是指全部數控機床，那麼高速數控機床呢？中國是不是也佔20%？我們對市場的分析切忌主觀推斷，盲目樂觀。
無論是發展AC-LM還是PHS- ，都要吸取以往發展某些機電產品的教訓，避免盲目上馬、低水平重複、浪費資源。同時，與AC-LM和PHS- 配套的相關功能部件要同步發展，例如高速、高剛度精密滾動直線導軌副、制動裝置、防護裝置等。
