吴金辉先生  天津罗升企业有限公司直线产品部部长

随着直接驱动技术的发展，直线电机与传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的驱动方式的对比引起业界的关注。

早在1845年英国人就发明了直线电动机，但当时的直线电动机气隙过大导致效率很低，无法应用。19世纪70年代科尔摩根也推出了直线电机产品，但因成本高效率低限制了它的发展。直到20世纪70年代以后，直线电机才逐步发展并应用于一些特殊领域。20世纪90年代直线电机开始应用于机械制造业，现在世界一些技术先进的加工中心厂家开始在其高速机床上应用，国外知名企业，如DMG、Ex-cell-O、Ingersoll、CINCI ATI、GROB、MATEC、MAZAK、FANUC和SODICK都推出了使用直线电机的高速高精加工中心。

HIWIN做为世界线性产品的领导者，在滚珠丝杠和线性滑轨取得成功后也于近几年自行研发和生产了直线电机，并且在高速高精领域取得了不错的业绩。下面主要参考HIWIN公司先进的高速静音式丝杠SUPER S 系列（DN值达220000）和HIWIN直线电机在几个主要特性上做一些比较，为相关业者提供参考。

滚珠丝杠与直线电机的比较速度比较

在速度方面直线电机具有相当大的优势。直线电机的速度为300m/min；加速度为10g。滚珠丝杠的速度为120 m/min；加速度为1.5g。

从速度和加速度的对比上直线电机具有相当大的优势，而且直线电机在成功解决发热问题后速度还会进一步提高，而“旋转伺服电机+滚珠丝杠”在速度上却受到了较多限制很难再有所提高。从动态响应来讲直线电机因运动惯量和间隙以及机构复杂性等问题而占有绝对优势。

图1 天津罗升企业有限公司研发生产的丝杠产品

在速度控制方面，直线电机响应更快，调速范围更宽，达1:10000，可以在启动瞬间达到最高转速，而且在高速运行时能迅速停止。

精度比较

精度方面直线电机因传动机构简单减少了插补滞后的问题，定位精度、重现精度和绝对精度通过位置检测反馈控制都会较“旋转伺服电机+滚珠丝杠”高，且容易实现。

直线电机定位精度可达0.1μm。“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的精度最高为2~5μm，要求CNC-伺服电机-无隙联轴器-止推轴承-冷却系统-高精度滚动导轨-螺母座-工作台闭环整个系统的传动部分要轻量化，光栅精度要高。

若想达到较高的平稳性“旋转伺服电机+滚珠丝杠”要采取双轴驱动，直线电机是高发热部件，需采取强冷措施。达到相同的目的，直线电机要付出更大代价。

价格比较

在价格上直线电机要比“旋转伺服电机+滚珠丝杠”装置高出很多，这也是限制直线电机被更广泛应用的一个重要原因。

能耗比较

“旋转伺服电机+滚珠丝杠”属于节能增力型传动部件。在提供相同转矩时，直线电机消耗的能源约比“旋转伺服电机+滚珠丝杠”多一倍以上。而且直线电机的可靠性受控制系统稳定性的影响，且对周边环境有较大影响，因此必须采取有效的隔磁和防护措施以隔断磁场对滚动导轨的影响和对铣屑磁尘的吸附。

滚珠丝杠与直线电机各有千秋

为了使大家更容易了解直线电机和“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的一些特点，通过日本某公司超高速龙门式加工中心的例子来详细说明。该加工中心的X轴和Y轴采用直线电动机驱动，速度V=120 m/min。然而，该公司为何不应用“旋转伺服电机+滚珠丝杠(HIWIN SUPER S 系列）呢？这是因为SUPER S虽然DN值已经历了从传统丝杠7万到15万再到22万的提速进程，但由于存在纯机械传动的软肋，其线速度、加速度和行程范围的增加总是有限的。若选用?40×20mm的产品，则Vmax=110 m/min，因Nmax=5500r/min，转速很高，行程范围受临界转速Nc的制约而不可能太长。若采用大导程?40×40 mm的产品，则Vmax=220m/min，这显然又不能满足高定位精度高要求的场合。22万的DN值从侧面反映了HIWIN的设计和制造水准。如果选择?40×20(双头) mm的产品，在n≈4000~5000 r/min、速度为80～100 m/min状态下使用，其安全性、可靠性和工作寿命均高于预期值。到目前为止，在高速高精CNC金切机床中，(CNC成形机床除外)速度V≥120 m/min仍采用SUPER S系列产品驱动的成功范例还未出现。实际上“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的最佳应用场合是：速度V为40~100 m/min，加速度0.8~1.5(2.0) g，精度为P3级以上的中档高速数控装备和部分高档数控装备中。

事实上，直线电机和“旋转伺服电机+滚珠丝杠”两种驱动方式尽管各有优势，但也都有自身的软肋，两者在数控机床上都有各自最佳的使用范围。

直线电机驱动在以下数控装备领域具有得天独厚的优势：高速、超高速、高加速度和生产批量大、要求定位的运动多、速度大小和方向频繁变化的场合。例如汽车产业和IT产业的生产线，如精密和复杂模具的制造。

大型和超长行程高速加工中心，航空航天制造业中轻合金、薄壁和金属去除率大的整体构件的“镂空”加工。如美国CINCI ATI公司的“Hyper Mach”加工中心(46 m)；日本MAZAK公司“HYPERSONIC 1400L”超高速加工中心。

要求高动态特性、低速和高速时的随动性及高灵敏的动态精密定位。例如，以Sodick为代表的新一代高性能CNC电加工机床、CNC超精密机床、新一代CPC曲轴磨床及凸轮磨床。

轻载、快速特种CNC装备。例如德国DMG的“DML80 Fine Cutting”激光雕刻和打孔机、比利时LVD公司的“AXEL3015S”激光切割机以及MAZAK公司的“Hyper Cear510”高速激光加工机等。

德国DMG公司以批量生产各类高性能数控装备而著称，在其伺服进给系统中较早的采用了直线电机，而且采用率很高(均在机床型号后标注“Linear”)，对此两种驱动方式的配置共有以下三种方式。

首先是各坐标轴全部配置直线电机驱动的“快速型”数控装备。例如DMC85V Linear、DMC75V Linear、DMC105V Linear、DMC60H Linear、DMC80H Linear以及DML80-Fine Cutting激光加工机床等。

其次是混合驱动型。例如DMF500 Linear动柱式大型立式加工中心，在X轴(行程5m)配直线电机，V=100 m/min；而在Y轴和Z轴则采用“旋转伺服电机+滚珠丝杠”，V=60 m/min。

第三种是各坐标轴全部配置“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的“强力型”加工中心。例如DMC63H高速卧式加工中心，V=80 m/min，加速度为1 g，定位精度0.008 mm。此外，还有DMC80H和DMC100H、DMC125H (duo BLOCK)以及DMC60T等。

两种驱动方式在德国DMG公司被同时运用也说明他们是各具优势的。而直线电机的提升空间更大，将来直线电机的技术会更加成熟，产量会随之上升，成本下降，并得到更加广泛的应用。但从节能降耗、绿色制造以及两种结构自身特点考虑“旋转伺服电机+滚珠丝杠”驱动仍有其广阔的市场空间。直线电机成为高速(超高速) 和高档数控装备的主流驱动方式的同时，“旋转伺服电机+滚珠丝杠”依然会继续保持在中档高速数控装备中的主流地位。