制造技術成熟、具有工業化規模的滾珠絲杠副從誕生至今已有100多年的歷史，國產軸承與進口軸承新舊代號對照表(57)在我國已有46年的歷史。隨著主機的發展，其產品的功能也在不斷擴展和完善。從最初的“AC-LM節能傳動”(60年代以前)到“精確定位”(70年代以後)，再從“大導程快驅”(80年代)到“精確高速傳動”(90年代中期)，“速度”與“精度”的發展可謂與時俱進。
滾珠絲杠和滾珠螺母相對位移時，加速度≥1g，線速度≥60m/min，或DN值≥120000(DN值定義為滾珠絲杠副公稱直徑do(mm)與滾珠絲杠和滾珠螺母相對轉速n(r/min)的乘積)，精度在P3(國標GB/min)以上
由於滾珠絲杠副優良的滾動摩擦特性和較高的傳動效率(η=90~95%)，以及國產軸承與進口軸承新舊代號對照表(58)的快速靈活傳動功能，具有提速的有利條件。提速有三種方式:(1)提高導程Pn，也就是我們常說的大導程(或超大導程)滾珠絲杠副。由於Pn的增加不利於導程精度的提高，進給系統的靜剛度下降較快，所以只適用於對定位精度要求不高的快速驅動場合。(2)綜合考慮精度、速度和動態特性，適度增加Pn和N(轉速)以及螺紋頭數。由於臨界轉速Nc的限制，追求高轉速是不可取的。(3)在產品結構和傳動方式上進行創新，如將絲杠主傳動改為螺母主傳動；變單驅動為雙驅動；空心螺桿、小螺母直徑、輕型滾動元件等。
PHS-BS的出現起源於90年代中後期。SKF軸承熱處理分類及硬度測試方法最早推出高速數控機床用HMC系列，直徑φ 36 ~ 55 mm，Pn=16~32mm，Vmax=116m/min，加速度1.3g，等等。近年來，世界知名滾珠絲杠制造商陸續推出了壹批DN ≥150000(220000)、V≥120m/min(200m/min)、加速度≥ 1.5g的靜音PHS-BS產品，例如:日本NSK公司的BSS和S3系列、THK公司的SBK系列、中國臺灣省HIWIN公司的Super S系列、PMI公司的FSW系列、德國力士樂公司的FDM-E系列、NTG系列
我國最早由北京機床研究所從事PHS-BS研究，九五完成了GSZ2000高速滾珠絲杠副綜合測量儀的研制。隨後，山東濟寧的博特公司也與山東工業大學合作研制成功BTJS-03高速滾珠絲杠副測量儀。目前國內PHS-BS的水平是:Vmax≥60m/min(80m/min)，加速度≥ 0.4g，精度≥P3，DN ≥ 140000。
圖2北京機床研究所精密機電公司μ1000系列立式加工中心三軸采用PHS-BS實現快速進給和高精度定位。綜上所述，新壹代PHS-BS具有以下特點:
(1)優化了循環換向裝置的設計。解決NSK軸承鋼球磨煤機主軸承膨脹間隙過小的新方法。實驗研究證明，循環換向裝置是直接影響PHS-BS球的流暢性和動態特性、振動和噪聲的關鍵環節，制約著DN值的提高。早期PHS-BS采用厚壁切入式珠導管，使滾珠螺母螺旋線的延伸方向與珠導管對接。近年來，壹種新的內部循環結構開始流行。它在滾珠螺母螺旋線兩端裝有“端塞”回程裝置，使DN值達到20萬，噪音降低6-7dB(A)，螺母徑向尺寸減小30%左右。
(2)優化球鏈結構。為了減小滾動體在高速旋轉時的離心力，采用小直徑球、Si3N4陶瓷球或DS改性球。為了防止滾動體在高速運轉時相互碰撞、擠壓和摩擦，在球鏈上增加了由特殊工程塑料制成的具有潤滑功能的隔離器，有效降低了溫升和噪音，增加了滾動體的平穩性。
(3)為了減小“楔形效應”對滾動體高速運轉時的平穩性的影響，對內外螺紋滾道的幾何參數進行了優化，降低了滾道表面的粗糙度，或者對表面進行了修飾，改善了摩擦特性。
(4)使滾珠絲杠中空，並從滾珠絲杠內部實施強冷卻。有的企業還在內孔中布置阻尼桿，抑制高速時的振動。HIWIN的“Cool Type I”系列也強力冷卻滾珠螺母。
(5)德國力士樂、INA、國產軸承、進口軸承近年來新舊規範、尺寸、參數對照表(60)日本THK等公司推出了滾珠螺母直接由交流電機驅動的高速直線驅動裝置。
(6)絲杠和螺母分別由兩臺交流電機驅動。將它們的轉速和旋轉方向疊加，可以使速度加倍，實現微進給。
(7)充分利用滾珠絲杠副可以完成同步運動的功能，采用雙電機雙絲杠的驅動方式，提高伺服進給系統在高速下的穩定性，改善動能特性，例如美國辛辛那提·蘭姆公司的HPC-800HP高速臥式加工中心(見圖3)。另外還有德國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。也由雙電機和雙絲杠驅動。
圖3美國辛辛那提蘭姆公司HPC-800HP臥式高速加工中心X、Y、Z軸采用雙PHS-BS驅動，V=80m/min，加速度1.5g，畫框結構的雙驅動大大提高了快速進給的穩定性。
根據在CIMT國際機床展覽會上的調查統計和後續跟蹤可以看出，解決NSK軸承鋼球磨主軸承膨脹間隙過小的新方法在中檔高速數控機床中仍然是主流，而PHS-BS在壹些高端高速數控機床中也很常見。
兩位明星同臺亮相，各有亮點。
德國DMG公司以大量生產各種高性能數控設備而聞名。其伺服進給系統采用AC-LM較早，采用率也很高(機床型號後標註“線性”)。該公司有三種類型的AC-LM和PHS-BS配置:
所有軸都配有AC-LM驅動的“快速型”數控設備。國產軸承與進口軸承尺寸規格對照表(61)。例如:DMC85V線性、DMC75V線性、DMC105V線性、DMC60H線性、DMC80H線性和DML 80-精切激光加工機等。
混合驅動類型。例如:DMF500直線移動立柱大型立式加工中心，X軸用AC-LM(5m行程)，v = 100m/min；另壹方面，PHS-BS用於Y和Z軸，V=60m/min。另外，CTV250、CTX300、CTX420、DMC104V、DMF220F、DMF360F都屬於混合驅動類型。
所有軸都配備了由PHS-BS驅動的“強大”加工中心。如DMC63H高速臥式加工中心，X、Y、Z三軸均由PHS-BS (φ 50，Pn=35)驅動，V=80m/min，加速度1g，定位精度0.008mm，此外還有DMC80H和DMC100H，DMC125H (duo BLOCK)和DMC60T等。
AC-LM和PHS-BS已被DMG公司采用，並在其主導產品中同臺亮相。驅動方式的多樣性還表現在同壹企業同壹型號、同壹系列的高速數控設備上，根據不同的使用場合配置不同的驅動方式。例如，德國格羅布公司的BZ500配備了PHS-BS，而BZ500L則配備了AC-LM。日本小樽鐵工的MA-400HA型號配備PHS-BS，MAC-Star-400型號配備AC-LM。德國Hueller-Hille的Specht63系列配PHS-BS，Specht 500L系列配AC-LM等等。
DMG和壹些公司僅在長沖程X軸上配置AC-LM。國產軸承與進口軸承新舊代號對照表(62)旨在提高機床的動態特性和定位精度，同時最大限度地減少非加工時間，提高生產效率，而其他軸仍由PHS-BS驅動，從而使機床的性價比對用戶更具吸引力。這種“混合驅動”模式是AC-LM和PHS-BS“功能”的優化組合，目標是最大程度地滿足用戶的個性化需求，在創新中追求最佳性價比。這種設計理念確實能給用戶帶來實實在在的好處。“混動”模式客觀反映了市場需求的多樣性，體現了兩大明星的亮點。
其實AC-LM和PHS-BS雖然各有優勢，但也各有弱點。表1對比了AC-LM和PHS-BS，從中可以看出兩者在數控機床中各有其最佳的應用範圍。
表1交流直線電機與精密高速滾珠絲杠副對比
交流電機驅動在以下數控設備領域具有獨特的優勢:
(1)高速、超高速、高加速度、生產批量大、需要定位的運動多、速度和方向變化頻繁。比如汽車行業、IT行業的生產線，精密復雜模具的制造。
(2)大型、超長行程高速加工中心，航空航天制造業輕合金、薄壁、金屬去除率大的“鏤空”加工。比如美國辛辛那提公司的“Hyper Mach”加工中心(46m)；日本MAZAK公司的“高超聲速1400L超高速加工中心”(見圖4)X、Y軸采用AC-LM，快進速度120m/min，可將整塊鋁塊鏤空成飛機零件(Z軸仍采用PHS-BS)。
圖4日本MAZAK公司高超音速1400L超高速龍門加工中心。x軸和y軸由直線電機驅動，V=120m/min。
(3)要求高動態特性，低速高速隨動，高靈敏度動態精確定位。例如新壹代高性能數控電加工機床、數控超精密機床、新壹代CPC曲軸磨床、凸輪磨床、數控非圓車床等。由索迪克代理。
(4)輕載高速專用數控設備。比如德國DMG的“DML80精切”激光雕刻打孔機，比利時LVD公司的“AXEL3015S”激光切割機，馬紮克的“Hyper Cear510”高速激光加工機等等。
我們來分析壹下PHS-BS的最佳應用。雖然PHS-BS的DN值經歷了從7萬到65，438+0.5萬再到20萬(22萬)的提速過程，但是從表65，438+0可以看出，由於純機械傳動的弱點，線速度、加速度、行程範圍的提升總是有限的。以日本NSK公司的新壹代BSS和S3系列為例，其產品樣本中引入的DN值為22萬。如果選用φ40×20mm產品，Vmax=110m/min。因為NMAX = 5500rpm的轉速很高，由於臨界轉速Nc的限制，行程範圍顯然不會太長。如果使用大導程φ40×40mm的產品，Vmax=220m/min，顯然不能滿足高定位精度的場合。22萬的DN值從壹個側面反映了企業的設計制造水平。如果選用φ40×20(雙頭)mm產品，在n≈4000~5000 rpm，V=80~100m/min的狀態下使用，其安全性、可靠性和工作壽命可高於預期。事實上，到目前為止，在要求快進速度V≥20m/min的高速高檔數控金屬切削機床(數控成形機床除外)上，還沒有PHS-BS驅動的成功例子。
據調查分析，PHS-BS的最佳應用場合是:V=40~100m/min，加速度0.8~1.5(2.0)g，精度在P3水平以上，行程範圍在3m以內的中高檔高速數控設備和部分高檔數控設備。
振興與發展的思考
最近在《國務院關於加快振興裝備制造業的若幹意見》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、高精度數控機床多依賴進口的現狀，滿足機械、航空航天等行業發展的需要。”AC-LM和PHS-BS是大型、精密、特別是高速數控設備中非常重要的直線驅動功能部件。發展高速加工功能部件、高速驅動技術和精密加工技術被列為國家發改委主持制定的《數控機床發展專項規劃》(草案)中的關鍵技術。顯然，盡快實現數控系統、電主軸、AC-LM、PHS-BS等主要功能部件的國產化和產業化，是振興我國大型、精密、高速數控裝備的當務之急。
(1)加速振興刻不容緩。在國內，實現高速行駛和精確定位的這兩類功能部件的發展滯後於市場的需求，與海外存在明顯差距。以PHS-BS為例。在海外已經推出第二代和第三代產品的時候，中國還處於PHS-BS第壹代產品開發的初級階段，還沒有商用。至於用於裝備高速高檔數控機床的AC-LM，目前還沒有壹家技術實力雄厚、具備量產條件的企業向市場提供產品，還沒有走出“學術模式”的研究階段。我們應該清醒地認識到，加快發展AC-LM和PHS-BS刻不容緩，是我國數控裝備國產化和產業化的迫切願望，也是提升我國綜合國力的時代需要。
(2)優勢互補，共同發展。雖然AC-LM和PHS-BS並行發展，但不同國家國情不同，不同企業各有優劣，兩種驅動模式在海外的認可度和采用率也不同。但中國的國情是:地大物博，資源豐富，人口眾多，勞動力資源豐富。從我國國情出發，以科學發展觀和新型工業化為指導思想，統籌AC-LM和PHS-BS的發展，不可偏廢，缺壹不可。即使將來AC-LM技術成熟，產量上去，成本下來，從節能和綠色制造的角度來看，PHS-BS驅動器仍有其廣闊的市場空間。在AC-LM將成為高速(超高速)和高檔數控設備中的主流驅動方式的同時，PHS-BS將繼續保持在中檔高速數控設備中的主流地位。但如果PHS-BS壹味追求高指標，在AC-LM的優勢範圍內“硬拼”，可能會得不償失。
(3)科學發展重在基礎。分析了PHS-BS在中國發展緩慢的原因。滾動SKF軸承的基本結構主要在於企業長期忽視基礎理論和性能試驗的投入，發展潛力不足。面對提速後暴露出來的問題，他們不知道從哪裏著手解決。由於我們對滾動螺旋副的摩擦理論、高速下的摩擦特性和微動、滾動體在不同工況下的運動機理、振動和噪聲、轉矩特性、動靜剛度特性等基礎理論缺乏深入的研究，制約了提速的進程。但AC-LM在全數字控制技術、散熱、磁隔離、電磁幹擾、零模、增加推力、降低能耗、組件模塊化等方面還有很多基礎工作要做。我國高校和科研院所的研究成果應盡快轉化為生產力，利用先進的科技成果和實踐中的不斷創新，推動AC-LM和PHS-BS的國產化和產業化。
(4)有序發展，正確導向。有必要對中國數控設備市場進行深入調查和冷靜分析。在數控設備中，高速和超高速是多少？高速金屬切削機床和成形機床分別多少錢？輕載和重載的比例是多少？據有關人士預測，到2010年，全球約有20%的數控機床將采用AC-LM。經驗表明，對數量的預測往往不夠準確。如果這20%是指所有數控機床，那麽高速數控機床呢？中國也占20%嗎？我們對市場的分析應該避免主觀推斷和盲目樂觀。
無論是發展AC-LM還是PHS-BS，都要吸取過去壹些機電產品發展的經驗教訓，避免盲目上馬，低水平重復，浪費資源。同時，與AC-LM和PHS-BS配套的相關功能部件要同步開發，如高速、高剛性精密滾動直線導軌副、制動裝置、保護裝置等。地址:http://www.nskfag.org/news/201104_36435.html.