滾珠絲杠高速進(jìn)給系統(tǒng).doc

滾珠絲杠高速進(jìn)給系統(tǒng)摘要：對高速機(jī)床的幾種高速進(jìn)給系統(tǒng)做了一些大致的比較。著重介紹了高速滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的性能、特點(diǎn)，對滾珠絲杠高速化所產(chǎn)生的問題及采取的技術(shù)措施做了詳細(xì)的闡述。關(guān)鍵詞：高速進(jìn)給系統(tǒng)、滾珠絲杠、技術(shù)措施。1. 引言 高速加工技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)之一，其產(chǎn)生是市場經(jīng)濟(jì)全球化和各種先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的綜合結(jié)果。高速加工技術(shù)逐步發(fā)展成為綜合性系統(tǒng)工程技術(shù)，并得到了越來越廣泛的應(yīng)用。高速加工是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在航空航天、汽車工業(yè)、模具制造、光電工程和儀器儀表等行業(yè)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，并已取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。 在高速加工機(jī)床迅速發(fā)展的過程中，進(jìn)給系統(tǒng)速度的提高是實(shí)現(xiàn)高速的主要部件之一。雖然目前人們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)高速進(jìn)給而探索研究出直線電機(jī)、并聯(lián)虛擬軸機(jī)床，但由于它們成本高以及技術(shù)不完善等問題，還沒能被廣泛接受，因而高速滾珠絲杠螺母副傳動系統(tǒng)在高速進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)中仍然占主導(dǎo)地位。因此發(fā)展高速滾珠絲杠螺母副是實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵技術(shù)之一1。2.幾種高速進(jìn)給系統(tǒng)2.1高速滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng) 從1958年美國K&T公司生產(chǎn)出世界上第一臺加工中心以來，“旋轉(zhuǎn)電動機(jī)+滾珠絲杠”至今仍然是加工中心和其他數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用的主要形式。滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動，進(jìn)給加速度可以達(dá)到1g，進(jìn)給速度可以達(dá)到4060 m/min，定位精度可以達(dá)到2025m。相對于采用直線電機(jī)驅(qū)動的進(jìn)給系統(tǒng)，采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動滾珠絲杠的進(jìn)給方案，因?yàn)槭芄ぷ髋_的慣性以及滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)限制，能夠?qū)崿F(xiàn)的進(jìn)給速度和加速度比較小。改進(jìn)后的滾珠絲杠進(jìn)給速度一般不超過6080 m/min，加速度小于1.5g。它在高速加工中心上的應(yīng)用仍受到一定的限制。采用滾珠絲杠副傳動實(shí)現(xiàn)的高速進(jìn)給系統(tǒng)與采用直線電機(jī)驅(qū)動的進(jìn)給系統(tǒng)相比，可以大幅度降低成本。日本精工已經(jīng)研制出了進(jìn)給速度高達(dá)100 m/min的滾珠絲杠，采取的改進(jìn)措施主要有采用1632mm大導(dǎo)程，提高滾珠循環(huán)部分零件質(zhì)量，采用多頭螺紋以增加有效圈數(shù)，改進(jìn)滾道形狀等。從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給系統(tǒng)的高速、高剛度以及高承載能力。2.2直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng) 直線電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)了無接觸直接驅(qū)動，避免了滾珠絲杠、齒輪和齒條傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點(diǎn)，可獲得高精度的高速移動，并具有極好的穩(wěn)定性。直線電機(jī)的實(shí)質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向剖切開，然后拉直演變而成。直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子和工作臺固定聯(lián)結(jié)，定子則安裝在機(jī)床床身上，在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中采用直線電機(jī)后可以把機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短為零，從而實(shí)現(xiàn)所謂的“零傳動”。 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)本身也存在著一些不利因素，如直線電機(jī)的磁場是敞開的，尤其是采用永磁式直線電機(jī)時，要在機(jī)床床身上安裝一排磁力強(qiáng)大的永久磁鐵。因此必須采取適當(dāng)?shù)母舸糯胧?，否則對其磁場周圍的灰塵和切屑有吸收作用。與同容量的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)的效率和功率因數(shù)要低。尤其在低速時比較明顯，但從整個裝置和系統(tǒng)來看，由于采用直線電機(jī)后省去中間傳動裝置，系統(tǒng)的效率有時還是比采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的高。另外，直線電機(jī)特別是直線感應(yīng)電動機(jī)的起動推力受電源電壓的影響較大，故需要采取有關(guān)措施保證電源的穩(wěn)定或改變電機(jī)的有關(guān)特性來減小或消除這種影響。雖然采用直線電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床需要解決如上問題，但是目前在加速度大于1g的情況下，直線電機(jī)仍是唯一的選擇。2.3基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的高速進(jìn)給系統(tǒng) 傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)一般都是由床身、工作臺、立柱、導(dǎo)軌、主軸箱等部件串聯(lián)而成的非對稱的布局，因此機(jī)床結(jié)構(gòu)不但要承受拉壓載荷，而且還要承受彎扭載荷。為了保證機(jī)床的整體剛度，只能采用結(jié)構(gòu)比較笨重的支撐部件和運(yùn)動部件，這不但要消耗大量的材料和能源，也制約了機(jī)床進(jìn)給速度和加速度的進(jìn)一步提高。刀具和工件之間的相對運(yùn)動誤差是由各坐標(biāo)軸運(yùn)動誤差線性疊加而成，機(jī)床結(jié)構(gòu)的非對稱還導(dǎo)致受力和受熱的不均勻，這些都影響機(jī)床的加工精度。為了克服傳統(tǒng)機(jī)床布局上固有的缺陷，滿足高速加工的要求，近年來出現(xiàn)了一種全新概念的機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)即并聯(lián)虛擬軸結(jié)構(gòu)。具有這種進(jìn)給機(jī)構(gòu)的機(jī)床也被稱為并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床。并聯(lián)機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給的一種嶄新的運(yùn)動機(jī)構(gòu),有非常好的應(yīng)用前景。但是由于并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)上的限制，其在應(yīng)用過程中也存在一定的問題，比如有效的工作空間比較小，六軸完全并聯(lián)的機(jī)床運(yùn)動范圍很小，很難同時實(shí)現(xiàn)立臥加工,做出的機(jī)床往往體積大而實(shí)用的工作空間小，這是六桿機(jī)床發(fā)展初期普遍存在的問題.近年來各個國家都在大力發(fā)展混聯(lián)機(jī)床，這種結(jié)構(gòu)機(jī)床可以在很大程度上解決工作空間小的問題。并聯(lián)機(jī)床另一個比較嚴(yán)重的問題是加工精度不高，其原因主要有桿件熱變形以及鉸關(guān)節(jié)制造精度的提高十分困難.研究開發(fā)結(jié)構(gòu)尺寸小、承載能力強(qiáng)、精度高的復(fù)合滾動關(guān)節(jié)部件是發(fā)展并聯(lián)機(jī)床的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)問題。并聯(lián)機(jī)床的數(shù)控編程和誤差補(bǔ)償比較復(fù)雜。并聯(lián)機(jī)床的自動編程。特別是自動補(bǔ)償?shù)碾y度和工作量都是比較重要和困難的工作2。誠然，直線電機(jī)高速進(jìn)給系統(tǒng)和基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速進(jìn)給系統(tǒng)具有很多好的優(yōu)點(diǎn)，但是由于直線電機(jī)高速進(jìn)給較滾珠絲杠成本較高，對一般的加工企業(yè)來說承擔(dān)不起，而基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速進(jìn)給系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展還不完善。因此，對滾珠絲杠高速化的研究依然是一個重要方向。3滾珠絲杠高速化所帶來的問題理論上來說，滾珠絲杠的線速度可以簡單地通過提高轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，但是，提高絲杠的轉(zhuǎn)速也同樣存在很多問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：3.1滾珠絲杠螺母副傳動系統(tǒng)的剛度較低，受系統(tǒng)共振臨界轉(zhuǎn)速的限制。由滾珠絲杠螺母副組成的振動系統(tǒng)產(chǎn)生共振的臨界轉(zhuǎn)速Nc，其計(jì)算公式為：式中：，由支承形式?jīng)Q定的支承系數(shù)； L，絲杠支承間距，mm； E，絲杠軸材料的縱向彈性模量，Mpa； I，絲杠軸底徑的最小慣性矩，mm4； g，重力加速度，mm/s2； ，絲杠軸材料的密度，N/mm3； A，絲杠軸底徑的橫截面積，mm2。從上式可以看出，絲杠螺母副系統(tǒng)產(chǎn)生共振的臨界轉(zhuǎn)速與絲杠軸材質(zhì)、支承形式、支承間距、絲杠軸底徑等因素有關(guān)，要提高絲杠的轉(zhuǎn)速不是一個簡單的問題3。3.2滾珠受安全轉(zhuǎn)速的限制為了表示滾珠在絲杠螺紋滾道和循環(huán)裝置內(nèi)滾動的安全性、可靠性，通常借用滾珠軸承的d0n值(此處d0為滾珠絲杠的名義直徑，n為絲杠的轉(zhuǎn)速)來表示滾珠絲杠副的高速極限，實(shí)際上，d0n值反映的是滾珠中心線速度的大小。為方便計(jì)算，工程中常以螺桿外徑D取代d0n，將該數(shù)值稱作DN值。對于50mm30mm的滾珠絲杠，在絲杠轉(zhuǎn)速為3000r/min時，DN值可達(dá)15萬，進(jìn)給速度為90mmin。但同滾動軸承相比，滾珠絲杠螺母副沒有防止?jié)L珠之間相互摩擦的保持架，反而多了循環(huán)返向裝置，這使得滾珠絲杠螺母副的DN值比滾珠軸承的DN值小得多，從而使?jié)L珠能安全、暢通流動的轉(zhuǎn)速受到限制。3.3溫升和熱變形的限制絲杠螺母副在高速回轉(zhuǎn)下發(fā)熱比較嚴(yán)重，使絲杠有較大的溫升和熱變形，從而影響機(jī)床傳動精度，有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，滾珠絲杠螺母副的發(fā)熱量主要取決于摩擦力，當(dāng)回轉(zhuǎn)速度增大時，絲杠螺母副產(chǎn)生的熱量無法實(shí)時散發(fā)而造成溫升，引起滾珠絲杠軸變形，改變了工件和刀具之間的相對位置，使得加工精度降低。3.4噪聲較大，環(huán)保性差 據(jù)有關(guān)試驗(yàn)表明，在未采取降噪減振措施時，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速每提高 1000r/min，噪聲提高45dB4。高速回轉(zhuǎn)時滾珠絲杠螺母副噪聲的來源是滾珠與導(dǎo)珠管的碰撞、滾道表面粗糙度、滾道表面形狀和滾珠之間的碰撞，這些因素取決于滾珠絲杠螺母副的加工工藝。4滾珠絲杠副高速化的技術(shù)對策要實(shí)現(xiàn)精密滾珠絲杠的高速化，上述問題是必須要面對和解決的，解決上述問題的基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，同時要提高工藝水平和制造質(zhì)量。為此，國內(nèi)外做了大量的工作，也取得了可喜的成績，其中以日本、瑞典和德國的成績最引人注目，而日本 NSK 的研究和制造水平更是代表了當(dāng)今世界精密高速滾珠絲杠副研究和生產(chǎn)的最高水平和發(fā)展方向。在精密滾珠絲杠副的高速化方面主要采用了以下的技術(shù)和對策：4.1增大絲杠的導(dǎo)程和螺紋頭數(shù)滾珠絲杠的進(jìn)給速度為轉(zhuǎn)速與導(dǎo)程的乘積，因此，實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠的高速進(jìn)給的兩種方法：一是提高滾珠絲杠轉(zhuǎn)速；二是加大滾珠絲杠導(dǎo)程，朝大導(dǎo)程方向發(fā)展。所謂大導(dǎo)程就是使絲杠導(dǎo)程與絲杠軸外徑之比大于或等于1/2。目前，世界各滾珠絲杠制造商都已經(jīng)采用了這種技術(shù)，日本的NSK還開發(fā)了3倍導(dǎo)程系列的產(chǎn)品。加大絲杠的導(dǎo)程，會使絲杠的導(dǎo)程誤差加大，難以保證精度，而且隨著導(dǎo)程的加大，啟力矩也變大，這會影響傳動的平穩(wěn)性。所以單純采取加大絲杠導(dǎo)程的方法難以滿足市場需求，須將兩種方法配合使用才行。為了兼具高速化、高精度化，必須取得轉(zhuǎn)速與導(dǎo)程的平衡。因此滾珠絲杠高速回轉(zhuǎn)能力的提升，也同樣非常重要。采用雙頭螺紋可以增加滾珠的有效承載圈數(shù)，從而提高絲杠的剛度和承載能力，提高滾珠絲杠螺母副在高速運(yùn)行中的平穩(wěn)性5。4.2采用空心強(qiáng)冷技術(shù)最早將空心強(qiáng)冷技術(shù)用于精密高速滾珠絲杠副的日本 NSK 公司，1998 年推出用于高速數(shù)控機(jī)床的HZC，HZF和HDF系列高速滾珠絲杠副產(chǎn)品，直徑3655mm，導(dǎo)程1630mm，DN值150000，最高線速度100mmin，加速度1.3g，雙頭螺紋。該公司曾對中空絲杠的各種冷卻方法進(jìn)行試驗(yàn)對比，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用強(qiáng)制冷卻技術(shù)效果十分明顯，一是溫升幅度很小，只有2左右，二是到達(dá)穩(wěn)定溫度的時間明顯縮短，只需要30分鐘左右6。日本 MaKino 公司還研制開發(fā)了電子冷卻器控制系統(tǒng)，可適時監(jiān)控滾珠絲杠的溫升，使其保持在允許范圍內(nèi)。我國臺灣PMI銀泰科技公司在空心強(qiáng)冷技術(shù)方面采取在一端封閉的空心絲杠中插入冷卻油管的專利技術(shù)(臺灣專利107485)7，其特點(diǎn)是改變冷卻液在絲杠體的循環(huán)方式，達(dá)到更好的制冷效果，而且結(jié)構(gòu)簡單，當(dāng)線速度為100m/min時可使溫度變化控制在1內(nèi)。該公司在 CIMT2001上展出了FSW，F(xiàn)DW系列雙頭、多頭高速滾珠絲杠產(chǎn)品及噪聲測量裝置，該產(chǎn)品DN值130000140000，線速度達(dá)到100120mmin。為了增強(qiáng)絲杠軸的抗振能力，NSK公司發(fā)明了在中空絲杠孔內(nèi)配置“內(nèi)藏減振阻尼器”的專利技術(shù)8，使臨界轉(zhuǎn)速NC和DN值進(jìn)一步提高，用較簡便的辦法實(shí)現(xiàn)低成本提速，而且把行程范圍擴(kuò)大到4m以上，可實(shí)現(xiàn)長行程高速驅(qū)動。據(jù)介紹，該公司在試驗(yàn)室已能使DN值達(dá)到200000。4.3改進(jìn)滾珠循環(huán)返向裝置和滾珠的流暢性4.3.1優(yōu)化滾珠反向器的結(jié)構(gòu)采用三維型導(dǎo)珠管，優(yōu)化回珠曲線，沿內(nèi)螺紋的導(dǎo)程角方向插入滾珠螺母體內(nèi)并與滾道相切(而不是相交)，三維導(dǎo)珠管順利導(dǎo)引滾珠流暢地出入循環(huán)返向裝置，使布氏撞擊耗損明顯減小，摩擦力矩平滑，噪聲低。4.3.2采用適當(dāng)滾珠與滾珠鏈結(jié)構(gòu)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，滾珠的自轉(zhuǎn)速度、公轉(zhuǎn)速度、離心力和陀螺力矩都很大，滾珠相互之間的碰撞、進(jìn)出返向機(jī)構(gòu)時的沖擊力也很大。為此，解決這個問題有以下幾種辦法：通過對滾珠鏈優(yōu)化計(jì)算，適當(dāng)減少滾珠直徑；采用空心鋼球；將滾珠鏈中的鋼球按一大一小間隔排列；可采用Si3N4等陶瓷材料制造滾珠；仿照軸承保持架結(jié)構(gòu)，給滾珠加隔圈。實(shí)踐證明后兩種措施更為有效9。因陶瓷材料具有硬度高、密度小、彈性模量大、線膨脹系數(shù)小、耐磨損、壽命長等特點(diǎn),因此以陶瓷等材料制造滾珠將顯著降低溫升，減小噪聲，增加DN值，從而有效提高滾珠絲杠螺母副傳動系統(tǒng)的高速性能。在滾珠鏈各相鄰滾珠之間加入用特殊樹脂制造的滾珠隔圈，它避免了相鄰滾珠之間的摩擦、擠壓和碰撞，還能潤滑滾動體，延長工作壽命。采取上述兩項(xiàng)措施使動態(tài)轉(zhuǎn)矩更趨平滑，動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的波動量平均下降 0.050.08Nm，僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/10左右，噪聲降低58dB10。日本THK的SBN系列、NSK公司的S1系列，臺灣PMI的E型滾珠回流系統(tǒng)等均采取了上述措施。THK的SBN系列直徑3250mm，導(dǎo)程1020mm，DN值130000，速度大于 78mmin，加速度為1g，在3000 r/min時的噪聲僅為6069dB。4.3.3無循環(huán)反向裝置為了擺脫循環(huán)返向裝置對 DN值的制約，近年出現(xiàn)了無返向裝置的滾珠絲杠副。例如在滾珠螺母內(nèi)配置封閉槽的滾珠螺旋傳動裝置和“GHF 滾動環(huán)螺母裝置”(我國CNl2110950A)11，以及帶圓柱形保持架的滾珠絲杠-螺母傳動裝置(德國專利 DE3308149)等。這類結(jié)構(gòu)尚處于研發(fā)期，它更適用于高速、輕載的場合。4.4采用雙電動機(jī)驅(qū)動采用兩個伺服電動機(jī)，一個驅(qū)動絲杠軸，一個以相反方向驅(qū)動由軸承支承的滾珠螺母，這樣，在不增加絲杠轉(zhuǎn)速的情況下，被驅(qū)動部件(如工作臺)的進(jìn)給速度可提高 1 倍。同時，該結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)同方向差動驅(qū)動，有利于實(shí)現(xiàn)精確微進(jìn)給12。雙電動機(jī)驅(qū)動另一方案是，采用兩套伺服系統(tǒng)和兩套滾珠絲杠螺母傳動系統(tǒng)同時驅(qū)動同一運(yùn)動部件。這樣，在不增加絲杠直徑的情況下可以有效提高驅(qū)動系統(tǒng)的剛度，從而有利于高速進(jìn)給的實(shí)現(xiàn)。4.5采用螺母驅(qū)動形式當(dāng)滾珠絲杠較長時，可把傳統(tǒng)的“絲杠轉(zhuǎn)動-螺母移動”的絲杠驅(qū)動方式改為“絲杠固定，螺母一邊轉(zhuǎn)動，一邊移動”的螺母驅(qū)動方式。其優(yōu)點(diǎn)是消除了絲杠臨界轉(zhuǎn)速NC的限制，可大幅度提高滾珠絲杠螺母副的轉(zhuǎn)速。參考文獻(xiàn)1.李亞芹.高速加工中滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)性能分析J.機(jī)電工程技術(shù)，2006,35（12）:13-142.李長河.高速切削加工技術(shù)發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)J.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,