——基于绿色科技的理念，对数控机床线性伺服进给系统若干问题的探讨
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">本文以数控机床线性伺服进给系统为例，分析了中国滚动功能部件产品与国外的差距，指出机床企业不应盲目追求“精度指标”，而需关注于内在的“性能指标”，从而走上高能效、节能、降耗、减排的绿色制造道路。
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">This article takes the servo feed system for CNC machine tool as an example, analyzes the difference between China and overseas scroll functional components, and points out the fact that machine tool enterprises should not blindly pursue “precision index” but focus on the internal “performance index” so as to achieve green manufacture of high efficiency, energy-saving, and emission-reduction.
伴随着绿色制造时代的到来，装备制造企业应遵循科学发展观的思想，基于绿色科技的理念，在各类数控机床中，根据不同类型、不同功能、不同档次的产品，以及对线性伺服进给系统的进给速度、加速度、动态精度以及运动轨迹精度的不同要求，选择与之匹配的功能部件，而不盲目追的求高精度、高速度、高指标、也不赶时髦。
对“高精度”的理想选择
我们经常可以见到，在不少企业的产品样单中，总是把“高精度”当成“优点”来宣传，不管是否能达到，都统统美化为“精密”、“高精度”的滚动功能部件、产品。其实这是不对的，是把产品的“功能”与“优点”混为一谈。事实上，在机械制造众多领域中，主机产品真正需要“高精度”的只是一小部分。此外，还有一种情况是把“精度指标”与“性能指标”的内在有机联系不当回事儿，淡化对“性能指标”的要求与功能，盲目、片面追求“精度指标”，这是不科学的。其实，中国滚动功能部件产品与国外的差距，并不仅仅是在“精度指标”上，还包括在刚度、动态特性、可靠性在内的“性能指标”上的差距。清醒的认识这个差距是十分必要的，否则，技术发展仍会继续迷失方向。
多主轴龙门移动式数控钻床，床身两侧各装有两条
高承载力量直线滚动导轨副，龙门纵向移动同通过
AC伺服电机和精密大螺距滚珠丝杠副双侧同步驱动。
对于高精度、纳米级的CNC机床，通常把系统的动态性能、刀具的运动轨迹精度以及精度的稳定性，作为主要的设定目标。而在线性伺服进给系统中则更要配置高性能的P1-P0级滚珠丝杠副，其原因是：
首先，滚珠丝杠副的精度等级与制造成本成正比。精度越高，最终精加工的成本高，生产周期长，能耗、物耗也越大。因此，盲目的选配会导致主机成本的上升。
其次，在闭环、半闭环的CNC系统中，可借助于系统的误差补偿功能来实现对动态性能和运动轨迹精度的要求。
回顾上世纪60-70年代，在精密机床战役中，基本全部采用的是纯机械的硬功夫，即用高精度的传动、定位零部件来达到机床精度的要求，例如：采用“0”级、“00”级的母丝杠副，研制成功高精度的丝杠母机。而现在，精度的进化早已从纯机迈向数字化、CNC化、智能化。为便于对滚珠丝杠在行程（导程）上的误差进行补偿，ISO标准、国家标准，均对误差的线性分布做了细化规定。现在，CNC精密螺丝磨床的母丝杠副，已不再像当年那样苛求P1-P0级了，而采用P2-P3级就能满足要求。因此，可以说盲目取选是对“精度性能”资源的浪费。科学而理性地选择精度等级，并对精度保持性、性能可靠性予以严格要求，才是明智的优化配置。
在国际标准ISO3408中，把精度等级为P0、P1、P3、P5划分为有预加负荷的定位型（P）滚珠丝杠副（Positioning Ball Screw）。而在本系列的第二篇文章中也谈到，早在20年前，国外就出现了一批高刚度、智能化的CNC精密冷轧机，使RBS（冷轧滚珠丝杠）的精度稳定性达到P5级，部分达到了P3级，于是，中、低档CNC机床在功能部件的配置上，又多了一种选择。在此，笔者把相同规格、相同精度（P3级）的磨削滚珠丝杠副（MBS）与精密冷轧滚珠丝杠副（RBS）的性能做了一个定性的对比（见下表），供分析参考。nextpage
表
混合传动、优势互补—关于选择传动方式的探讨
1862年美国Lngersoll公司将研发的直线电机首次用于高速加工中心（样机），直到1990年后，直线电机作为商品开始在高速、高性能的数控机床上推广应用。西方国家在研制AC直线电机过程中，解决了在数控机床应用中的关键技术，并从“直驱”的角度分析，对AC直线电机的评价甚高，甚至在EMO’97上掀起了“欧洲直线电机热”。然而，包括日本工程界学者在内的不少业内人士对此都有不同的理解和判断。从技术的成熟度判断：滚珠丝杠副远远高于AC直线电机，特别是从1995年以来，以NSK、THK等为代表的全球滚珠丝杠知名企业推出了一代又一代的精密高速滚珠丝杠副，以及低惯性、低温升滚珠螺母旋转主传动的新产品，不断挑战AC直线电机。于是，“精密高速滚珠丝杠副VS AC直线电机”、对两种不同驱动方式利弊的分析与评说，成了工程界的热闹话题。笔者在2002年中国机械工程学会年会上，曾对直线电机“替代”论首次提出了质疑，指出“用普通滚珠丝杠与直线电机进行比较”，并断言 “很难有太大改进”，由此引申出来的“取代”论是值得商榷的。后来的事实证明：取代论是片面的，不仅如此，还对当年研发精密高速滚珠丝杠副的决策的决心产生负面影响。
众所周知，用于数控机床的AC直线电机最突出的优点是：Vmax ≧100-200 m/min；加速度1.5-10g；定位精度高达0.1-0.01μm，精度稳定，不产生漂移，运行平稳，噪声很小。关于AC直线电机的利弊分析及最佳应用场合，笔者曾在几篇论文中有详细的论述，不再赘述。工程办从事直线电机研发的专家更有精辟的见解。
当我们从绿色智造的角度来分析，AC直线电机的电气耗损远远大于由滚动摩擦等因素带来的机械耗损，据有关文献分析，高出5-10倍，和具有力矩放大功能的滚珠丝杠相比，多数AC直线电机的轴向推力有限，而大功率、大推力的AC直线电机的发热更大（甚至高达100℃）。此外，对隔磁、防护、自锁、强冷所必须采取的严格措施还大大提高了系统的成本。且对于高速切削，高切削状态下切削力变化等诸多不确定因素对控制系统的影响也尚无深入研究。
任何一项新技术、新应用，只要是科技发展的方向，符合国家在新时期的应用政策，又能给用户增益，都是有生命力的。事实上，无论是AC直线电机或精密高速滚珠丝杠副都各自有广阔的市场空间，都需要市场的拉动力，促成其健康持续发展。
现在，国外不少知名机床制造集团，在高性能的CNC机床线性伺服进给系统中，在采用AC直线电机的同时，基于能效、性价比等因素的综合考量，把AC直线电机与精密高速滚珠丝杠两类功能部件同时配置在一台数控机床的不同座标轴上，以充分发挥它们各自的特色，实现优势互补，从而最大程度地满足用户个性化需求。笔者认为，这种混合传动方案是务实的，是值得借鉴的绿色设计理念。
而对于长行径、大型高载的数控机床来说，当传动方式采用滚珠螺母传动，长丝杠先应采用高效硬旋铣（长度≧10m，精度P3-P5）或精密冷滚轧成形（长度6-8m，精度P5-P7）。若需要还可再对丝杠先整加工，对滚珠螺母进行改压处理，这样的高档大型，高载滚珠丝杠副，其性能、能效、性价比、供货期，无疑都更具竞争优势。
值得注意的是，当采用AC直线电机时，必须同时配置与之匹配的精密高速滚动直线导机副。近年，国外知名企业如SKF、THK等纷纷与生产直线电机的企业合作，成功研制出AC直线电机与滚动直线导轨一体化的高速线性驱动装置。这种驱动装置具有高速、高精度，结构紧凑，刚度高的特点。
结束语
有一种说法：十九世纪蒸汽机时代是第一次工业革命，二十世纪迈入电气化时代是第一次工业革命，二十一世纪将是以绿色科技为主导，迈入可持续发展的第三次工业革命。绿色浪潮席卷全球，二十一世纪需要优先新的绿色能源。而装备制造业也将以节能、降耗、减排为目标，努力实现科技创新和产业升级。
企业的社会责任在于不能用绿水青山去换取金山银山。事实上，高能效、节能、降耗、减排的绿色制造正是为企业升级改造，提升软实力和硬实力，追求新的经济增长方式创造了有利条件。
