基于滾珠絲杠的高速進給系統(tǒng)的應用及問題

 高速加工技術是現(xiàn)代先進制造技術之一，是市場經濟全球化和各種先進技術發(fā)展的綜合結果。高速加工技術已經逐漸發(fā)展成為一門綜合性的系統(tǒng)工程技術，并得到了廣泛的應用。高速加工是面向21世紀的高新技術。其特點是高效率、高精度和高表面質量。廣泛應用于航空航天、汽車工業(yè)、模具制造、光電工程和儀器儀表行業(yè)，取得了顯著的技術經濟效益。它是當代先進制造技術的重要組成部分。

 隨著高速機床的快速發(fā)展，進給系統(tǒng)速度的提高是實現(xiàn)高速的主要因素之一。雖然直線電機和并聯(lián)虛擬軸機床已經被探索和研究以實現(xiàn)高速進給，但由于其成本高和技術不完善，還沒有被廣泛接受。因此，高速滾珠絲杠螺母驅動系統(tǒng)仍然主導著高速進給驅動系統(tǒng)。因此，開發(fā)高速滾珠絲杠螺母副是實現(xiàn)高速切削的關鍵技術之一。

“旋轉電機滾珠絲杠"仍然是加工中心和其他數(shù)控機床進給系統(tǒng)采用的主要形式。滾珠絲杠的輔助驅動系統(tǒng)由交流伺服電機驅動。進給加速度可達1g，進給速度可達40~60m/min，定位精度可達20~25 m。與直線電機驅動的進給系統(tǒng)相比，旋轉電機驅動滾珠絲杠的進給方案由于工作臺慣性和滾珠絲杠結構的限制，可實現(xiàn)相對較小的進給速度和加速度。改進后的滾珠絲杠的進給速度一般不超過60~80 m/min，加速度小于1.5g。它在高速加工中心的應用仍然受到限制。與直線電機驅動的進給系統(tǒng)相比，滾珠絲杠輔助驅動實現(xiàn)的高速進給系統(tǒng)可以大大降低成本。已經研制出進給速度為100米/分鐘的滾珠絲杠。主要改進措施是采用16~32 mm的大導程，提高循環(huán)，滾珠，部分零件質量，采用多頭螺紋增加有效圈數(shù)，改善滾道形狀。從而實現(xiàn)進給系統(tǒng)的高速、高剛性和高承載能力。

 直線電機驅動實現(xiàn)了無接觸直接驅動，避免了滾珠絲杠，齒輪齒條傳動的后向間隙、慣性、摩擦和剛度不足等缺點。它可以實現(xiàn)高精度、高速運動，并具有良好的穩(wěn)定性。直線電機的本質是對旋轉電機進行徑向切割，然后將其拉直。直線電機的轉子與工作臺固定連接，定子安裝在機床床上。在機床進給系統(tǒng)中使用直線電機，可以將機床進給傳動鏈的長度縮短為零，從而實現(xiàn)所謂的“零傳動”。

 直線電機在結構上有一些缺點，如直線電機磁場開闊，特別是使用永磁直線電機時，要在機床上安裝一排磁力很強的永磁體。因此，必須采取適當?shù)母舸糯胧?，否則會吸附磁場周圍的灰塵和碎屑。與相同容量的旋轉電機相比，直線電機的效率和功率因數(shù)較低。尤其是低速時，但從整個裝置和系統(tǒng)的角度來看，由于使用直線電機后省略了中間傳動裝置，系統(tǒng)的效率有時比旋轉電機高。此外，直線電機尤其是直線感應電機的啟動推力受電源電壓的影響很大，需要采取相關措施保證電源的穩(wěn)定性或改變電機的相關特性來減小或消除這種影響。雖然直線電機驅動的數(shù)控機床需要解決上述問題，但目前加速度大于1g時，直線電機仍然是唯一的選擇。

 為了表示滾珠在螺紋滾道和循環(huán)裝置中滾動的安全性和可靠性，通常借用滾珠軸承的d 0 n值(這里d 0 n是滾珠絲杠，的公稱直徑，N是螺桿的速度)來表示滾珠絲杠的高速極限實際上d0n值反映的是滾珠中心的線速度。為了計算方便，工程上經常用螺桿外徑D來代替d 0 n，稱為DN值。對于50mm30mm的滾珠絲杠，當螺桿轉速為3000r/min時，DN值可達150000，進料速度為90m/min。然而，與滾動軸承相比，滾珠絲杠螺母副沒有防止?jié)L珠，之間摩擦的保持架，而是有一個循環(huán)回程裝置，這使得滾珠絲杠螺母副的DN值遠小于滾珠軸承，從而限制了滾珠的安全平穩(wěn)流動速度

 絲杠螺母副在高速旋轉時產生嚴重的熱量，導致絲杠的溫升和熱變形較大，從而影響機床的傳動精度。相關實驗表明，滾珠絲杠絲杠螺母副產生的熱量主要取決于摩擦力。當轉速升高時，絲杠螺母副產生的熱量不能實時散發(fā)，導致溫度升高，導致滾珠絲杠軸變形，改變工件與刀具的相對位置，降低加工精度。

 據(jù)有關測試，在不采取降噪減振措施的情況下，滾珠絲杠的噪聲每1000轉/分鐘增加4~5 dB。高速旋轉時，滾珠絲杠螺母副的噪聲來源于滾珠與滾珠導管的碰撞、滾道表面的粗糙度、滾道表面的形狀以及滾珠之間的碰撞。這些因素取決于滾珠絲杠螺母副的加工工藝。

滾珠絲杠的進給速度是轉速和導程的乘積。因此，實現(xiàn)滾珠絲杠：高速進給的途徑有兩個， 一是提高滾珠絲杠；的轉速，二是加大滾珠絲杠的領先，向大領先發(fā)展。所謂大導程是指螺桿的導程與螺桿軸外徑的比值大于或等于1/2。增加絲杠的導程會增加絲杠的導程誤差，精度難以保證。而且隨著導程的增加，起步扭矩也會增加，影響傳動的穩(wěn)定性。因此，單純增加絲杠的導程很難滿足市場需求，兩種方法必須結合使用。為了同時實現(xiàn)高速度和高精度，必須達到速度和領先之間的平衡。因此，提高滾珠絲杠的高速回轉能力也非常重要

 采用兩臺伺服電機，一臺驅動絲杠軸，另一臺反方向驅動軸承支撐的滾珠螺母，使被驅動零件(如工作臺)的進給速度在不提高絲杠速度的情況下提高一倍。同時，該結構還可以實現(xiàn)同向差動驅動，有利于實現(xiàn)精確微進給。雙電機驅動的另一種方案是用兩套伺服系統(tǒng)和兩套滾珠絲杠螺母驅動系統(tǒng)同時驅動同一個運動部件。這樣，在不增加絲杠直徑的情況下，可以有效提高驅動系統(tǒng)的剛度，有利于實現(xiàn)高速進給。