數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠的改進(jìn)方法
隨著機(jī)電一體化技術(shù)的廣泛推廣，機(jī)床加工精度越來(lái)越高。精密滾珠絲杠副正以其優(yōu)越的性能在數(shù)控設(shè)備和其他先進(jìn)設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。滾珠絲杠系以機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置之用途為主體發(fā)展的。其開(kāi)發(fā)的目的在于實(shí)現(xiàn)機(jī)床高速化、高精度化以及其順暢性。
滾珠絲杠副工作原理及特點(diǎn)：滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)，在絲杠和螺母之間放入適量的滾珠來(lái)使絲杠與螺母之間由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的絲杠傳動(dòng)。滾珠絲杠副在機(jī)械傳動(dòng)中作用，可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，也可以將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
滾珠絲杠副與傳統(tǒng)絲杠副相比較，它以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，因此具有以下特點(diǎn)：摩擦損失小，傳動(dòng)效率高。磨損小、壽命長(zhǎng)。軸向剛度高。摩擦阻尼小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。不能自鎖，具有傳動(dòng)的可逆性。高速化機(jī)床用滾珠絲杠副隨著機(jī)床的高速、高精度化，對(duì)高速滾珠絲杠副的技術(shù)要求不斷增大。而高速滾珠絲杠副是精密滾珠絲杠副與大導(dǎo)程滾珠絲杠副性能的綜合。因此提高驅(qū)動(dòng)速度的途徑有兩條:其一是提高絲杠的轉(zhuǎn)速，其二是采用大導(dǎo)程。提高轉(zhuǎn)速n要受dn值的限制(d為滾珠絲杠的公稱直徑)，當(dāng)n增大時(shí)，d就減小。根據(jù)資料顯示，國(guó)外的公司生產(chǎn)的滾珠絲杠副的dn值已經(jīng)能夠達(dá)到200000，但是，過(guò)分提高轉(zhuǎn)速會(huì)引起絲杠發(fā)熱，共振等不利影響。而且d太小也會(huì)造成系統(tǒng)剛性差、易變形，從而影響了加工精度。為提高dn值，必須對(duì)滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。
導(dǎo)程P過(guò)大時(shí)，不僅增加了滾珠絲杠副的制造難度，精度難以提高，降低絲杠副的承載能力，而且也增加了伺服電機(jī)的啟動(dòng)力矩。因此為了兼具高速化及高精度化，必須能取得轉(zhuǎn)速與導(dǎo)程之平衡，兩個(gè)方面要綜合起來(lái)加以考慮。因此滾珠絲杠高速回轉(zhuǎn)能力之提高，也就益發(fā)重要了。高速滾珠絲杠副的循環(huán)方式，高速滾珠絲杠副的導(dǎo)程較大，所以采用外循環(huán)插管式的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)由于回程道的制造簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)折較平緩、順利而便于滾珠返回，目前在各種機(jī)床應(yīng)用廣泛，常制成單列或雙列的回程道結(jié)構(gòu)形式。滾珠絲杠副軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊方式，消除滾珠絲杠螺母的間隙和對(duì)其預(yù)緊，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高速高精度傳動(dòng)十分必要。
常用的幾種間隙調(diào)整和預(yù)緊方式的優(yōu)缺點(diǎn):
(1)螺母墊片式的優(yōu)點(diǎn)是只加墊片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，剛性好，裝卸方便。但是因?yàn)檎{(diào)整需修磨墊片，工作中不能隨時(shí)調(diào)整。所以此種方法只適用于一般精度的機(jī)構(gòu)。
(2)雙螺母螺紋式特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可隨時(shí)調(diào)整，且較方便。但預(yù)緊力須由用戶自調(diào)，較難控制，準(zhǔn)確性和可靠性均較差，而且易于松動(dòng)，軸向尺寸長(zhǎng)，調(diào)整的軸向位移量不太精確。
(3)雙螺母齒差式的特點(diǎn)是調(diào)整精確可靠，定位精度高，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
(4)單螺母變位螺距自預(yù)緊式特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，價(jià)格低廉。但調(diào)整不便。現(xiàn)在廣泛采用的預(yù)緊形式都有一個(gè)缺點(diǎn)，就是在工作中，不能直接測(cè)量預(yù)緊力。而是通過(guò)測(cè)量動(dòng)態(tài)預(yù)緊拉力矩而間接確定，因而不能隨時(shí)精確地補(bǔ)償因磨損而增大的間隙，不能保證穩(wěn)定的精度。故需要采用一種新的調(diào)隙和預(yù)緊方式。
連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置，滾珠絲杠副傳動(dòng)間隙主要是指軸向間隙，即絲杠和螺母無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠和螺母之間的最大軸向竄動(dòng)量除了本身結(jié)構(gòu)的間隙之外，在施加軸向載荷之后，還包括彈性變形所造成的竄動(dòng)量。當(dāng)滾珠絲杠反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生空回誤差，從而影響傳動(dòng)精度和降低了滾珠絲杠副的剛度。因此在對(duì)軸向間隙和軸向剛度有嚴(yán)格要求的精密滾珠絲杠副中，必須采取消除軸向間隙和提高軸向剛度的措施。
雙螺母墊片式調(diào)隙方式，為了消除軸向間隙，施加預(yù)緊力與不施加預(yù)緊力情況下，滾珠絲杠螺母的彈性位移曲線比較，可以看出施加的載荷恰好為預(yù)緊力的三倍時(shí)，施加了預(yù)緊力的滾珠絲杠的剛性為沒(méi)有施加預(yù)緊力的滾珠絲杠的2倍，而彈性位移為沒(méi)有施加預(yù)緊力的滾珠絲杠的二分之一。
把預(yù)緊后的彈性變形量控制在一定范圍內(nèi)，不但能消除間隙。減少誤差，而且還能提高進(jìn)給精度和定位精度。但過(guò)大的預(yù)加載荷將增加摩擦阻力，降低傳動(dòng)效率，并使壽命大為縮短。如何能易于控制，精確的調(diào)整軸向位移量是我們要解決的問(wèn)題。
連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置構(gòu)成，連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置就是壓電陶瓷傳感器和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的結(jié)合。連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置主要以壓電陶瓷為基礎(chǔ)。壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過(guò)本身尺寸的千萬(wàn)分之一，但是別小看這微小變化，基于這個(gè)原理制作的精確控制機(jī)構(gòu)—壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。
由于壓電陶瓷應(yīng)變所需電場(chǎng)強(qiáng)度高，極限應(yīng)變小，因此壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常采用導(dǎo)電聚合物粘結(jié)的多層壓電陶瓷片疊加方式，這些疊加塊為了擴(kuò)大橫截面積還可并排使用，采用疊加方式不但使壓電陶瓷片可以做得很薄，從而降低驅(qū)動(dòng)器所需的電壓，而且還使驅(qū)動(dòng)器位移增加。將數(shù)個(gè)疊層的壓電陶瓷片均勻的安裝在具有彈性伸縮的封裝盒內(nèi)。這個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器能隨時(shí)調(diào)整軸向間隙，并且具有剛度高、體積小和調(diào)整距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
連續(xù)可調(diào)裝置應(yīng)用，此裝置對(duì)雙螺母進(jìn)行預(yù)緊，可以用來(lái)測(cè)量預(yù)緊的合力和雙螺母內(nèi)的軸向力，以達(dá)到控制預(yù)緊力的目的。在沒(méi)有舒服信號(hào)電流的情況下首先給整個(gè)裝置一個(gè)基本的預(yù)緊力，大小約為最大的工作載荷的三分之一。預(yù)緊力保證驅(qū)動(dòng)器順換的情況下，系統(tǒng)也可以正常地向前進(jìn)給。
已基本的預(yù)緊力為起點(diǎn)，根據(jù)加工狀況運(yùn)行狀況，在計(jì)算機(jī)程序中利用信號(hào)電流預(yù)緊所需預(yù)緊力，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的伸張和收縮而進(jìn)行控制。使預(yù)緊力處于受控狀態(tài)，從而易于控制，精確的調(diào)整軸向位移量。
預(yù)緊力的可控性是滾珠絲杠以理想的預(yù)緊力工作基礎(chǔ)，在減少預(yù)緊力是。摩擦能量急劇減少，可使系統(tǒng)發(fā)熱小、摩擦少喝疲勞壽命增加。而且，也可以通過(guò)增加預(yù)緊力，超過(guò)基本預(yù)緊力的一定程度，已獲得所需要的扭轉(zhuǎn)及磨損可以引起預(yù)緊力的變化，繼而可以引起預(yù)緊力的變化，繼而可以引起動(dòng)態(tài)預(yù)緊力矩的變化，這方面影響就可以通過(guò)控制預(yù)緊力而得以補(bǔ)償，從而提高數(shù)控機(jī)床的定位精度。
連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置在滾珠絲杠中具有廣泛應(yīng)用前景。盡管目前它在滾珠絲杠中得應(yīng)用研究還處于初級(jí)階段，還存在著這樣那樣需要解決的問(wèn)題，如壓電陶瓷應(yīng)變小，質(zhì)脆和供電電壓高，但我們堅(jiān)信。在通過(guò)不斷地理論研究和應(yīng)用實(shí)踐，一定會(huì)不斷解決問(wèn)題，最終為連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置在滾珠絲杠中廣泛應(yīng)用另辟蹊徑。
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