轴承光轴的应用
制造技术成熟、具有工业化规模的滚珠丝杠副从诞生至今已有100多年的历史，国产轴承与进口轴承新旧代号对照表(57)在我国已有46年的历史。随着主机的发展，其产品的功能也在不断扩展和完善。从最初的“AC-LM节能传动”(60年代以前)到“精确定位”(70年代以后)，再从“大导程快驱”(80年代)到“精确高速传动”(90年代中期)，“速度”与“精度”的发展可谓与时俱进。
滚珠丝杠和滚珠螺母相对位移时，加速度≥1g，线速度≥60m/min，或DN值≥120000(DN值定义为滚珠丝杠副公称直径do(mm)与滚珠丝杠和滚珠螺母相对转速n(r/min)的乘积)，精度在P3(国标GB/min)以上
由于滚珠丝杠副优良的滚动摩擦特性和较高的传动效率(η=90~95%)，以及国产轴承与进口轴承新旧代号对照表(58)的快速灵活传动功能，具有提速的有利条件。提速有三种方式:(1)提高导程Pn，也就是我们常说的大导程(或超大导程)滚珠丝杠副。由于Pn的增加不利于导程精度的提高，进给系统的静刚度下降较快，所以只适用于对定位精度要求不高的快速驱动场合。(2)综合考虑精度、速度和动态特性，适度增加Pn和N(转速)以及螺纹头数。由于临界转速Nc的限制，追求高转速是不可取的。(3)在产品结构和传动方式上进行创新，如将丝杠主传动改为螺母主传动；变单驱动为双驱动；空心螺杆、小螺母直径、轻型滚动元件等。
PHS-BS的出现起源于90年代中后期。SKF轴承热处理分类及硬度测试方法最早推出高速数控机床用HMC系列，直径φ 36 ~ 55 mm，Pn=16~32mm，Vmax=116m/min，加速度1.3g，等等。近年来，世界知名滚珠丝杠制造商陆续推出了一批DN ≥150000(220000)、V≥120m/min(200m/min)、加速度≥ 1.5g的静音PHS-BS产品，例如:日本NSK公司的BSS和S3系列、THK公司的SBK系列、中国台湾省HIWIN公司的Super S系列、PMI公司的FSW系列、德国力士乐公司的FDM-E系列、NTG系列
我国最早由北京机床研究所从事PHS-BS研究，九五完成了GSZ2000高速滚珠丝杠副综合测量仪的研制。随后，山东济宁的博特公司也与山东工业大学合作研制成功BTJS-03高速滚珠丝杠副测量仪。目前国内PHS-BS的水平是:Vmax≥60m/min(80m/min)，加速度≥ 0.4g，精度≥P3，DN ≥ 140000。
图2北京机床研究所精密机电公司μ1000系列立式加工中心三轴采用PHS-BS实现快速进给和高精度定位。综上所述，新一代PHS-BS具有以下特点:
(1)优化了循环换向装置的设计。解决NSK轴承钢球磨煤机主轴承膨胀间隙过小的新方法。实验研究证明，循环换向装置是直接影响PHS-BS球的流畅性和动态特性、振动和噪声的关键环节，制约着DN值的提高。早期PHS-BS采用厚壁切入式珠导管，使滚珠螺母螺旋线的延伸方向与珠导管对接。近年来，一种新的内部循环结构开始流行。它在滚珠螺母螺旋线两端装有“端塞”回程装置，使DN值达到20万，噪音降低6-7dB(A)，螺母径向尺寸减小30%左右。
(2)优化球链结构。为了减小滚动体在高速旋转时的离心力，采用小直径球、Si3N4陶瓷球或DS改性球。为了防止滚动体在高速运转时相互碰撞、挤压和摩擦，在球链上增加了由特殊工程塑料制成的具有润滑功能的隔离器，有效降低了温升和噪音，增加了滚动体的平稳性。
(3)为了减小“楔形效应”对滚动体高速运转时的平稳性的影响，对内外螺纹滚道的几何参数进行了优化，降低了滚道表面的粗糙度，或者对表面进行了修饰，改善了摩擦特性。
(4)使滚珠丝杠中空，并从滚珠丝杠内部实施强冷却。有的企业还在内孔中布置阻尼杆，抑制高速时的振动。HIWIN的“Cool Type I”系列也强力冷却滚珠螺母。
(5)德国力士乐、INA、国产轴承、进口轴承近年来新旧规范、尺寸、参数对照表(60)日本THK等公司推出了滚珠螺母直接由交流电机驱动的高速直线驱动装置。
(6)丝杠和螺母分别由两台交流电机驱动。将它们的转速和旋转方向叠加，可以使速度加倍，实现微进给。
(7)充分利用滚珠丝杠副可以完成同步运动的功能，采用双电机双丝杠的驱动方式，提高伺服进给系统在高速下的稳定性，改善动能特性，例如美国辛辛那提·兰姆公司的HPC-800HP高速卧式加工中心(见图3)。另外还有德国DMG的DMC63H，瑞士DIXI公司的DHP-80-5x，日本牧野公司的A55E，中国大连机床集团的DHSC500，宁江机床集团的NJ-5HMC40等。也由双电机和双丝杠驱动。
图3美国辛辛那提兰姆公司HPC-800HP卧式高速加工中心X、Y、Z轴采用双PHS-BS驱动，V=80m/min，加速度1.5g，画框结构的双驱动大大提高了快速进给的稳定性。
根据在CIMT国际机床展览会上的调查统计和后续跟踪可以看出，解决NSK轴承钢球磨主轴承膨胀间隙过小的新方法在中档高速数控机床中仍然是主流，而PHS-BS在一些高端高速数控机床中也很常见。
两位明星同台亮相，各有亮点。
德国DMG公司以大量生产各种高性能数控设备而闻名。其伺服进给系统采用AC-LM较早，采用率也很高(机床型号后标注“线性”)。该公司有三种类型的AC-LM和PHS-BS配置:
所有轴都配有AC-LM驱动的“快速型”数控设备。国产轴承与进口轴承尺寸规格对照表(61)。例如:DMC85V线性、DMC75V线性、DMC105V线性、DMC60H线性、DMC80H线性和DML 80-精切激光加工机等。
混合驱动类型。例如:DMF500直线移动立柱大型立式加工中心，X轴用AC-LM(5m行程)，v = 100m/min；另一方面，PHS-BS用于Y和Z轴，V=60m/min。另外，CTV250、CTX300、CTX420、DMC104V、DMF220F、DMF360F都属于混合驱动类型。
所有轴都配备了由PHS-BS驱动的“强大”加工中心。如DMC63H高速卧式加工中心，X、Y、Z三轴均由PHS-BS (φ 50，Pn=35)驱动，V=80m/min，加速度1g，定位精度0.008mm，此外还有DMC80H和DMC100H，DMC125H (duo BLOCK)和DMC60T等。
AC-LM和PHS-BS已被DMG公司采用，并在其主导产品中同台亮相。驱动方式的多样性还表现在同一企业同一型号、同一系列的高速数控设备上，根据不同的使用场合配置不同的驱动方式。例如，德国格罗布公司的BZ500配备了PHS-BS，而BZ500L则配备了AC-LM。日本小樽铁工的MA-400HA型号配备PHS-BS，MAC-Star-400型号配备AC-LM。德国Hueller-Hille的Specht63系列配PHS-BS，Specht 500L系列配AC-LM等等。
DMG和一些公司仅在长冲程X轴上配置AC-LM。国产轴承与进口轴承新旧代号对照表(62)旨在提高机床的动态特性和定位精度，同时最大限度地减少非加工时间，提高生产效率，而其他轴仍由PHS-BS驱动，从而使机床的性价比对用户更具吸引力。这种“混合驱动”模式是AC-LM和PHS-BS“功能”的优化组合，目标是最大程度地满足用户的个性化需求，在创新中追求最佳性价比。这种设计理念确实能给用户带来实实在在的好处。“混动”模式客观反映了市场需求的多样性，体现了两大明星的亮点。
其实AC-LM和PHS-BS虽然各有优势，但也各有弱点。表1对比了AC-LM和PHS-BS，从中可以看出两者在数控机床中各有其最佳的应用范围。
表1交流直线电机与精密高速滚珠丝杠副对比
交流电机驱动在以下数控设备领域具有独特的优势:
(1)高速、超高速、高加速度、生产批量大、需要定位的运动多、速度和方向变化频繁。比如汽车行业、IT行业的生产线，精密复杂模具的制造。
(2)大型、超长行程高速加工中心，航空航天制造业轻合金、薄壁、金属去除率大的“镂空”加工。比如美国辛辛那提公司的“Hyper Mach”加工中心(46m)；日本MAZAK公司的“高超声速1400L超高速加工中心”(见图4)X、Y轴采用AC-LM，快进速度120m/min，可将整块铝块镂空成飞机零件(Z轴仍采用PHS-BS)。
图4日本MAZAK公司高超音速1400L超高速龙门加工中心。x轴和y轴由直线电机驱动，V=120m/min。
(3)要求高动态特性，低速高速随动，高灵敏度动态精确定位。例如新一代高性能数控电加工机床、数控超精密机床、新一代CPC曲轴磨床、凸轮磨床、数控非圆车床等。由索迪克代理。
(4)轻载高速专用数控设备。比如德国DMG的“DML80精切”激光雕刻打孔机，比利时LVD公司的“AXEL3015S”激光切割机，马扎克的“Hyper Cear510”高速激光加工机等等。
我们来分析一下PHS-BS的最佳应用。虽然PHS-BS的DN值经历了从7万到65，438+0.5万再到20万(22万)的提速过程，但是从表65，438+0可以看出，由于纯机械传动的弱点，线速度、加速度、行程范围的提升总是有限的。以日本NSK公司的新一代BSS和S3系列为例，其产品样本中引入的DN值为22万。如果选用φ40×20mm产品，Vmax=110m/min。因为NMAX = 5500rpm的转速很高，由于临界转速Nc的限制，行程范围显然不会太长。如果使用大导程φ40×40mm的产品，Vmax=220m/min，显然不能满足高定位精度的场合。22万的DN值从一个侧面反映了企业的设计制造水平。如果选用φ40×20(双头)mm产品，在n≈4000~5000 rpm，V=80~100m/min的状态下使用，其安全性、可靠性和工作寿命可高于预期。事实上，到目前为止，在要求快进速度V≥20m/min的高速高档数控金属切削机床(数控成形机床除外)上，还没有PHS-BS驱动的成功例子。
据调查分析，PHS-BS的最佳应用场合是:V=40~100m/min，加速度0.8~1.5(2.0)g，精度在P3水平以上，行程范围在3m以内的中高档高速数控设备和部分高档数控设备。
振兴与发展的思考
最近在《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》中提出:“发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件，改变大型、高精度数控机床多依赖进口的现状，满足机械、航空航天等行业发展的需要。”AC-LM和PHS-BS是大型、精密、特别是高速数控设备中非常重要的直线驱动功能部件。发展高速加工功能部件、高速驱动技术和精密加工技术被列为国家发改委主持制定的《数控机床发展专项规划》(草案)中的关键技术。显然，尽快实现数控系统、电主轴、AC-LM、PHS-BS等主要功能部件的国产化和产业化，是振兴我国大型、精密、高速数控装备的当务之急。
(1)加速振兴刻不容缓。在国内，实现高速行驶和精确定位的这两类功能部件的发展滞后于市场的需求，与海外存在明显差距。以PHS-BS为例。在海外已经推出第二代和第三代产品的时候，中国还处于PHS-BS第一代产品开发的初级阶段，还没有商用。至于用于装备高速高档数控机床的AC-LM，目前还没有一家技术实力雄厚、具备量产条件的企业向市场提供产品，还没有走出“学术模式”的研究阶段。我们应该清醒地认识到，加快发展AC-LM和PHS-BS刻不容缓，是我国数控装备国产化和产业化的迫切愿望，也是提升我国综合国力的时代需要。
(2)优势互补，共同发展。虽然AC-LM和PHS-BS并行发展，但不同国家国情不同，不同企业各有优劣，两种驱动模式在海外的认可度和采用率也不同。但中国的国情是:地大物博，资源丰富，人口众多，劳动力资源丰富。从我国国情出发，以科学发展观和新型工业化为指导思想，统筹AC-LM和PHS-BS的发展，不可偏废，缺一不可。即使将来AC-LM技术成熟，产量上去，成本下来，从节能和绿色制造的角度来看，PHS-BS驱动器仍有其广阔的市场空间。在AC-LM将成为高速(超高速)和高档数控设备中的主流驱动方式的同时，PHS-BS将继续保持在中档高速数控设备中的主流地位。但如果PHS-BS一味追求高指标，在AC-LM的优势范围内“硬拼”，可能会得不偿失。
(3)科学发展重在基础。分析了PHS-BS在中国发展缓慢的原因。滚动SKF轴承的基本结构主要在于企业长期忽视基础理论和性能试验的投入，发展潜力不足。面对提速后暴露出来的问题，他们不知道从哪里着手解决。由于我们对滚动螺旋副的摩擦理论、高速下的摩擦特性和微动、滚动体在不同工况下的运动机理、振动和噪声、转矩特性、动静刚度特性等基础理论缺乏深入的研究，制约了提速的进程。但AC-LM在全数字控制技术、散热、磁隔离、电磁干扰、零模、增加推力、降低能耗、组件模块化等方面还有很多基础工作要做。我国高校和科研院所的研究成果应尽快转化为生产力，利用先进的科技成果和实践中的不断创新，推动AC-LM和PHS-BS的国产化和产业化。
(4)有序发展，正确导向。有必要对中国数控设备市场进行深入调查和冷静分析。在数控设备中，高速和超高速是多少？高速金属切削机床和成形机床分别多少钱？轻载和重载的比例是多少？据有关人士预测，到2010年，全球约有20%的数控机床将采用AC-LM。经验表明，对数量的预测往往不够准确。如果这20%是指所有数控机床，那么高速数控机床呢？中国也占20%吗？我们对市场的分析应该避免主观推断和盲目乐观。
无论是发展AC-LM还是PHS-BS，都要吸取过去一些机电产品发展的经验教训，避免盲目上马，低水平重复，浪费资源。同时，与AC-LM和PHS-BS配套的相关功能部件要同步开发，如高速、高刚性精密滚动直线导轨副、制动装置、保护装置等。地址:http://www.nskfag.org/news/201104_36435.html.