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滚珠丝杠高速进给系统
摘要：对高速机床的几种高速进给系统做了一些大致的比较。着重介绍了高速滚珠丝杠进给系统的性能、特点，对滚珠丝杠高速化所产生的问题及采取的技术措施做了详细的阐述。
关键词：高速进给系统、滚珠丝杠、技术措施。

1. 引言
高速加工技术是现代先进制造技术之一，其产生是市场经济全球化和各种先进技术发展的综合结果。高速加工技术逐步发展成为综合性系统工程技术，并得到了越来越广泛的应用。高速加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航空航天、汽车工业、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得了越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。
在高速加工机床迅速发展的过程中，进给系统速度的提高是实现高速的主要部件之一。虽然目前人们为了实现高速进给而探索研究出直线电机、并联虚拟轴机床，但由于它们成本高以及技术不完善等问题，还没能被广泛接受，因而高速滚珠丝杠螺母副传动系统在高速进给驱动系统中仍然占主导地位。因此发展高速滚珠丝杠螺母副是实现高速切削的关键技术之一[1]。
2.几种高速进给系统
2.1高速滚珠丝杠进给系统
从1958年美国K&T公司生产出世界上第一台加工中心以来，“旋转电动机+滚珠丝杠”至今仍然是加工中心和其他数控机床进给系统采用的主要形式。滚珠丝杠副传动系统采用交流伺服电机驱动，进给加速度可以达到1g，进给速度可以达到40～60 m/min，定位精度可以达到20～25μm。相对于采用直线电机驱动的进给系统，采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，因为受工作台的惯性以及滚珠丝杠副结构限制，能够实现的进给速度和加速度比较小。改进后的滚珠丝杠进给速度一般不超过60～80 m/min，加速度小于1.5g。它在高速加工中心上的应用仍受到一定的限制。采用滚珠丝杠副传动实现的高速进给系统与采用直线电机驱动的进给系统相比，可以大幅度降低成本。日本精工已经研制出了进给速度高达100 m/min的滚珠丝杠，采取的改进措施主要有采用16～32mm大导程，提高滚珠循环部分零件质量采用多头螺纹以增加有效圈数，改进滚道形状等。从而实现了进给系统的高速、高刚度以及高承载能力。
2.2直线电机进给驱动系统
直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了滚珠丝杠、齿轮和齿条传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，可获得高精度的高速移动，并具有极好的稳定性。直线电机的实质是把旋转电机径向剖切开，然后拉直演变而成。直线电机的转子和工作台固定联结，定子则安装在机床床身上，在机床进给系统中采用直线电机后可以把机床进给传动链的长度缩短为零，从而实现所谓的“零传动”。
直线电机的结构本身也存在着一些不利因素，如直线电机的磁场是敞开的，尤其是采用永磁式直线电机时，要在机床床身上安装一排磁力强大的永久磁铁。因此必须采取适当的隔磁措施，否则对其磁场周围的灰尘和切屑有吸收作用。与同容量的旋转电机相比，直线电机的效率和功率因数要低。尤其在低速时比较明显，但从整个装置和系统来看，由于采用直线电机后省去中间传动装置，系统的效率有时还是比采用旋转电机的高。另外，直线电机特别是直线感应电动机的起动推力受电源电压的影响较大，故需要采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减小或消除这种影响。虽然采用直线电机驱动的数控机床需要解决如上问题，但是目前在加速度大于1g的情况下，直线电机仍是唯一的选择。
2.3基于并联机构的高速进给系统
传统机床的结构一般都是由床身、工作台立柱、导轨、主轴箱等部件串联而成的非对称的布局，因此机床结构不但要承受拉压载荷，而且还要承受弯扭载荷。为了保证机床的整体刚度，只能采用结构比较笨重的支撑部件和运动部件，这不但要消耗大量的材料和能源，也制约了机床进给速度和加速度的进一步提高。刀具和工件之间的相对运动误差是由各坐标轴运动误差线性叠加而成，机床结构的非对称还导致受力和受热的不均匀，这些都影响机床的加工精度。为了克服传统机床布局上固有的缺陷，满足高速加工的要求，近年来出现了一种全新概念的机床进给机构即并联虚拟轴结构。具有这种进给机构的机床也被称为并联运动机床。
并联机床是实现高速进给的一种崭新的运动机构,有非常好的应用前景。但是由于并联机床结构上的限制，其在应用过程中也存在一定的问题，比如有效的工作空间比较小，六轴完全并联的机床运动范围很小，很难同时实现立卧加工,做出的机床往往体积大而实用的工作空间小，这是六杆机床发展初期普遍存在的问题.近年来各个国家都在大力发展混联机床，这种结构机床可以在很大程度上解决工作空间小的问题。并联机床另一个比较严重的问题是加工精度不高，其原因主要有杆件热变形以及铰关节制造精度的提高十分困难.研究开发结构尺寸小、承载能力强、精度高的复合滚动关节部件是发展并联机床的关键基础技术问题。并联机床的数控编程和误差补偿比较复杂。并联机床的自动编程。特别是自动补偿的难度和工作量都是比较重要和困难的工作[2]。
诚然，直线电机高速进给系统和基于并联结构的高速进给系统具有很多好的优点，但是由于直线电机高速进给较滚珠丝杠成本较高，对一般的加工企业来说承担不起，而基于并联结构的高速进给系统技术发展还不完善。因此，对滚珠丝杠高速化的研究依然是一个重要方向。
3滚珠丝杠高速化所带来的问题
理论上来说，滚珠丝杠的线速度可以简单地通过提高转速实现，但是，提高丝杠的转速也同样存在很多问题，主要表现在以下几个方面：
3.1滚珠丝杠螺母副传动系统的刚度较低，受系统共振临界转速的限制。
由滚珠丝杠螺母副组成的振动系统产生共振的临界转速Nc，其计算公式为：

式中：λ，由支承形式决定的支承系数；
L，丝杠支承间距，mm；
E，丝杠轴材料的纵向弹性模量，Mpa；
I，丝杠轴底径的最小惯性矩，mm4；
g，重力加速度，mm/s2；
γ，丝杠轴材料的密度，N/mm3；
A，丝杠轴底径的横截面积，mm2。
从上式可以看出，丝杠螺母副系统产生共振的临界转速与丝杠轴材质、支承形式、支承间距、丝杠轴底径等因素有关，要提高丝杠的转速不是一个简单的问题[3]。
3.2滚珠受安全转速的限制
为了表示滚珠在丝杠螺纹滚道和循环装置内滚动的安全性、可靠性，通常借用滚珠轴承的d0n值(此处d0为滚珠丝杠的名义直径，n为丝杠的转速)来表示滚珠丝杠副的高速极限，实际上，d0n值反映的是滚珠中心线速度的大小。为方便计算，工程中常以螺杆外径D取代d0n，将该数值称作DN值。对于φ50mm×30mm的滚珠丝杠，在丝杠转速为3000r/min时，DN值可达15万，进给速度为90m／min。但同滚动轴承相比，滚珠丝杠螺母副没有防止滚珠之间相互摩擦的保持架，反而多了循环返向装置，这使得滚珠丝杠螺母副的DN值比滚珠轴承的DN值小得多，从而使滚珠能安全、畅通流动的转速受到限制。
3.3温升和热变形的限制
丝杠螺母副在高速回转下发热比较严重，使丝杠有较大的温升和热变形，从而影响机床传动精度，有关实验表明，滚珠丝杠螺母副的发热量主要取决于摩擦力，当回转速度增大时，丝杠螺母副产生的热量无法实时散发而造成温升，引起滚珠丝杠轴变形，改变了工件和刀具之间的相对位置，使得加工精度降低。
3.4噪声较大，环保性差
据有关试验表明，在未采取降噪减振措施时，滚珠丝杠的转速每提高 1000r/min，噪声提高4～5dB[4]。高速回转时滚珠丝杠螺母副噪声的来源是滚珠与导珠管的碰撞、滚道表面粗糙度、滚道表面形状和滚珠之间的碰撞，这些因素取决于滚珠丝杠螺母副的加工工艺。
4滚珠丝杠副高速化的技术对策
要实现精密滚珠丝杠的高速化，上述问题是必须要面对和解决的，解决上述问题的基础是结构的创新，同时要提高工艺水平和制造质量。为此，国内外做了大量的工作，也取得了可喜的成绩，其中以日本、瑞典和德国的成绩最引人注目，而日本 NSK 的研究和制造水平更是代表了当今世界精密高速滚珠丝杠副研究和生产的最高水平和发展方向。在精密滚珠丝杠副的高速化方面主要采用了以下的技术和对策：
4.1增大丝杠的导程和螺纹头数
滚珠丝杠的进给速度为转速与导程的乘积，因此，实现滚珠丝杠的高速进给的两种方法：一是提高滚珠丝杠转速；二是加大滚珠丝杠导程，朝大导程方向发展。所谓大导程就是使丝杠导程与丝杠轴外径之比大于或等于1/2。目前，世界各滚珠丝杠制造商都已经采用了这种技术，日本的NSK还开发了3倍导程系列的产品。
加大丝杠的导程，会使丝杠的导程误差加大，难以保证精度而且随着导程的加大，启力矩也变大，这会影响传动的平稳性。所以单纯采取加大丝杠导程的方法难以满足市场需求，须将两种方法配合使用才行。为了兼具高速化、高精度化，必须取得转速与导程的平衡。因此滚珠丝杠高速回转能力的提升，也同样非常重要。
采用双头螺纹可以增加滚珠的有效承载圈数，从而提高丝杠的刚度和承载能力，提高滚珠丝杠螺母副在高速运行中的平稳性[5]。
4.2采用空心强冷技术
最早将空心强冷技术用于精密高速滚珠丝杠副的日本 NSK 公司，1998 年推出用于高速数控机床的HZC，HZF和HDF系列高速滚珠丝杠副产品，直径36～55mm，导程16～30mm，DN值150000，最高线速度100m／min，加速度1.3g，双头螺纹。该公司曾对中空丝杠的各种冷却方法进行试验对比，试验结果表明，采用强制冷却技术效果十分明显，一是温升幅度很小，只有2℃左右，二是到达稳定温度的时间明显缩短，只需要30分钟左右[6]。
日本 MaKino 公司还研制开发了电子冷却器控制系统，可适时监控滚珠丝杠的温升，使其保持在允许范围内。
我国台湾PMI银泰科技公司在空心强冷技术方面采取在一端封闭的空心丝杠中插入冷却油管的专利技术(台湾专利107485)[7]，其特点是改变冷却液在丝杠体的循环方式，达到更好的制冷效果，而且结构简单，当线速度为100m/min时可使温度变化控制在1℃内。该公司在 CIMT2001上展出了FSW，FDW系列双头、多头高速滚珠丝杠产品及噪声测量装置，该产品DN值130000～140000，线速度达到100～120m／min。为了增强丝杠轴的抗振能力，NSK公司发明了在中空丝杠孔内配置“内藏减振阻尼器”的专利技术[8]，使临界转速NC和DN值进一步提高，用较简便的办法实现低成本提速，而且把行程范围扩大到4m以上，可实现长行程高速驱动。据介绍，该公司在试验室已能使DN值达到200000。
4.3改进滚珠循环返向装置和滚珠的流畅性
4.3.1优化滚珠反向器的结构
采用三维型导珠管，优化回珠曲线，沿内螺纹的导程角方向插入滚珠螺母体内并与滚道相切(而不是相交)，三维导珠管顺利导引滚珠流畅地出入循环返向装置，使布氏撞击耗损明显减小，摩擦力矩平滑，噪声低。
4.3.2采用适当滚珠与滚珠链结构
在高速运转下，滚珠的自转速度、公转速度、离心力和陀螺力矩都很大，滚珠相互之间的碰撞、进出返向机构时的冲击力也很大。为此，解决这个问题有以下几种办法：①通过对滚珠链优化计算，适当减少滚珠直径；②采用空心钢球；③将滚珠链中的钢球按一大一小间隔排列；④可采用Si3N4等陶瓷材料制造滚珠；⑤仿照轴承保持架结构，给滚珠加隔圈。实践证明后两种措施更为有效[9]。
因陶瓷材料具有硬度高、密度小、弹性模量大、线膨胀系数小、耐磨损、寿命长等特点,因此以陶瓷等材料制造滚珠将显著降低温升，减小噪声，增加DN值，从而有效提高滚珠丝杠螺母副传动系统的高速性能。
在滚珠链各相邻滚珠之间加入用特殊树脂制造的滚珠隔圈，它避免了相邻滚珠之间的摩擦、挤压和碰撞，还能润滑滚动体，延长工作寿命。采取上述两项措施使动态转矩更趋平滑，动态预紧转矩的波动量平均下降 0.05～0.08Nm，仅为传统结构的1/10左右，噪声降低5～8dB[10]。日本THK的SBN系列、NSK公司的S1系列，台湾PMI的E型滚珠回流系统等均采取了上述措施。THK的SBN系列直径32～50mm，导程10～20mm，DN值130000，速度大于 78m／min，加速度为1g，在3000 r/min时的噪声仅为60～69dB
4.3.3无循环反向装置
为了摆脱循环返向装置对 DN值的制约，近年出现了无返向装置的滚珠丝杠副。例如在滚珠螺母内配置封闭槽的滚珠螺旋传动装置和“GHF 滚动环螺母装置”(我国CNl2110950A)[11]，以及带圆柱形保持架的滚珠丝杠-螺母传动装置(德国专利 DE3308149)等。这类结构尚处于研发期，它更适用于高速、轻载的场合。
4.4采用双电动机驱动
采用两个伺服电动机，一个驱动丝杠轴，一个以相反方向驱动由轴承支承的滚珠螺母，这样，在不增加丝杠转速的情况下，被驱动部件(如工作台)的进给速度可提高 1 倍。同时，该结构还可以实现同方向差动驱动，有利于实现精确微进给[12]。
双电动机驱动另一方案是，采用两套伺服系统和两套滚珠丝杠螺母传动系统同时驱动同一运动部件。这样，在不增加丝杠直径的情况下可以有效提高驱动系统的刚度，从而有利于高速进给的实现。
4.5采用螺母驱动形式
当滚珠丝杠较长时，可把传统的“丝杠转动-螺母移动”的丝杠驱动方式改为“丝杠固定，螺母一边转动，一边移动”的螺母驱动方式。其优点是消除了丝杠临界转速NC的限制，可大幅度提高滚珠丝杠螺母副的转速。
参考文献
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