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直线电机与滚珠丝杆的综合比较

        工作的要素之一,是加工中存在必需的切削推力和切削反力。电机作为动力源使滚珠丝杠轴旋转,从而转化为轴向驱动,这时的滚珠丝杠有两个作用:一是驱动作用;二是在产生加工所需切削推力的同时,承受切削反力等负载的作用。滚珠丝杠的螺距因导程(每转的移动距离)而异。通过螺距将电机的旋转周向力转换为轴向力,即还起着减速机的作用,使很小的电机也能产生很大的轴向力,滚珠丝杠确实是一种非常重要的机械部件。

 

线性电机则不具有减速机的作用。因此,在承受切削反力,或停止时都要耗费很大的电力,这是它的缺点。其优点是,可通过线性标尺在作用点(加工点)附近进行位置检测。还由于零件数量少,组装零件时相互间的误差也较少,定位精度优良。它没有通常电机、丝杠驱动中的旋转运动,不受离心力等的影响,因此速度可达丝杠驱动时的2倍以上。今后以线性电机为主要应用领域的是通过超高速主轴加工的无切削推力的精细加工和亚微米精度加工。

      电机是一种取代旋转运动而产生直线运动的电机。推进力直接产生在运动部件(滑台)上,不再需要用于将回转运动转换成直线运动的附加机构。因此其定位和重复精度较高,同时具有较高的速度和加速度。结构上较少的摩擦件保证了高可靠性。直线电机免维护,噪声也较低。但是,采用直线电机的整个机器结构没有缓冲,所以控制系统复杂,还需要采取防护措施解决磁铁吸引切屑以及散热等问题。价格也比滚珠丝杠贵。

滚珠丝杠传动系统,在运行方向上具有较高的刚度,同时具有较高的精度和较低的噪声,同直线电机相比具有更高的进给力,但是速度和加速度较低,维护要求也相对较高。

在滚珠丝杠和直线电机的认识上还存在一种误区,认为把原来机床的丝杠换为直线电机就行了,虽然这可以简化机床的机械结构,但并不一定意味着机械设计简单。因为机床在高速运行的情况下,并不是一个完全的刚体,会有一些变化,对于机床这种动态性能的研究国内还欠缺一些,从设计手段、设计方法上可能对这方面研究比较少。这样就会造成国内一些现象,原来很有愿望去试验一下这种高技术,就去试验,结果试验不好,就放弃了。也没有深入研究为什么,或者从方法上去改进,这就是问题所在。

国外使用直线电机的时候也会遇到同样的问题,如在运动过程中,主轴箱是方形的,但实际上在高速运行的情况下摆动了,精度就受到影响了。低速运行的时候可能不是很明显,但高速的时候就体现出来了。直线电机技术用在机床上的时候需要与系统配套起来,而不仅是一个零件,目前可应用于汽车生产线24h的工作,因此这种动态的问题,是主机厂商今后需要迫切解决的问题。

在大型的设备中使用直线电机还是具有一定优势的,因为直线电机的次级是通过一段段连续拼接安装在机床床身上的,可以预先计算出需要的比例,可以降低费用。

20世纪90年代直线电机作为机床驱动装置进入了市场并被应用于数控机床上面。直线电机的最大优点在于300m/min的高速度。在速度这点上直线电机超过了滚珠丝杠近3倍。在超高速的运行条件下,直线电机占有无与伦比的优势。

但滚珠丝杠相对直线电机又有着它独特的优势:价格优势——滚珠丝杠的价格要远远低于直线电机,从生产成本上来讲也是如此;低耗能——直线电机的耗能是滚珠丝杠的好几倍,这意味着会带来很多不经济的问题;高刚性——使用滚珠丝杠的机床刚性大于使用直线电机的机床;磁性——使用直线电机的机床在工作台周围形成很强的磁场,这种磁场会吸附铁屑,对数控机床的生产过程产生负面的影响。

市场上除了直线电机和滚珠丝杠外还有其他一系列的直线传动装置,如齿条、液压缸或者气压缸。滚珠丝杠在过去的几十年中,由于它的经济性,低耗能和高刚性在该领域占据主导地位,市场份额不断增加,未来也将继续扮演重要角色。

在高速和超高速加工中,要求高的动态特性和控制精度;瞬间达到高速和在高速运行中瞬间准停;振动小、噪声低、运行平稳;可靠性高、寿命长。在各类线性驱动元部件中,精密高速滚珠丝杠副和直线电机是大型、精密、高速数控装备的快速伺服进给系统中能满足上述要求的核心功能部件。

线电机作为一种机电系统,具有高速响应、高定位精度、动刚度高、速度快、加减速过程短、行程长度不受限制、运动安静、噪声低、效率高的特点。将机械结构简化,电气控制复杂化,符合现代机电技术的发展趋势。但直线电机也有很多不足,除了成本高以外,在全数字控制技术、散热、隔磁、电磁干扰、零位方式、增大推力、降低能耗、部件模块化等方面还有大量的基础工作要做。

由于滚珠丝杠副优良的滚动摩擦特性和传动效率高(η=90%~95%)、传动敏捷灵活等功能,使其具备提速的有利条件。因此,与直线电机相比,精密高速滚珠丝杠副不但具有成本低的优势,同时便于全数字控制、易于冷却发热量小、无电磁辐射、可实现较大的轴向推力、传动效率高、部件模块化已经成熟等优点,在很多领域直线电机无法代替或在相当长的时间内无法代替。

郑州微纳科技有限公司是专业研究和生产直线电机的高新科技企业,在直线电机领域已获得多项国家专利,处于国内领先水平。微纳科技为高校研发的教学直线电机系列,已成功应用于多所高校,取得了良好的效果。