精密高速滚珠丝杠副的发展及其应用_黄祖尧

精密高速滚珠丝杠副的发展及其应用

Development and Application of Precision H igh-speed Ball Screw

黄祖尧

摘　要:论述了什么是精密高速滚珠丝杠副,近年国内外精密高速滚珠丝杠副的发展动向,精密高速滚珠丝杠副与直线电动机的比较与选择,最后提出设计选用中需要考虑的一些问题。

关键词:精密高速滚珠丝杠副　直线电动机　线性伺服进给系统　定位精度　线速度　加速度

笔者论述“精密滚珠丝杠副实现高速化的前景[1]”一文刊出后,其中提出的精密高速滚珠丝杠副的关键技术和解决方案等内容,受到业内人士的关注。滚珠丝杠副自1874年在美国获得专利至今已有100多年历史,在我国也有40年的研制和生产历史。它的功能已从最初的“敏捷省能传动”(上世纪40～50年代)到“精密定位”(70年代～),再从“大导程快速驱动”(80年代～)到“精密高速驱动”(90年代～),在这过程中产品不断升级换代得到一次质的飞跃。

什么是精密高速滚珠丝杠副,到目前为止还没有正式的定义。笔者认为:驱动线速度达到60mm/min 以上,加(减)速度在0.5～1.5g,精度达到国家标准G B/T18587.1～3(eqv IS O3408)中的②级、①级或更高,性能指标达到设计要求者,就可称之为精密高速滚珠丝杠副。

传统意义的精密滚珠丝杠副,只要求定位精度不要求速度。而导程角φ>9°～17°的大导程和超大导程滚珠丝杠副,它虽然可实现100m/min以上的高速驱动,但由于精度只能达到国家标准3级以下,因此只能用在不要求精密定位的一般机械上。

1　精密高速滚珠丝杠副的发展动态

当前,数控机床的高速化不断推动精密高速滚珠丝杠副的发展。

(1)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HZ C、HZF和H DF系列高速滚珠丝杠副产品[2],直径<36～55mm,导程16～30mm,d o n值150000,最高线速度100m/min,加速度1.3g,双头螺纹。为了增强丝杠轴的抗振能力,该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[2,3],使临界转速N c和d o n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d o n值达到200000。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),其特点是改变冷却液在丝杠体内的循环方式,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CI MT’2001上展出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d o n值130000～140000,线速度100～120m/min,噪声73dB(A)(80m/min时),76dB(A)(100m/min时)。日本MaK ino公司开发的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。

(2)为了提高d o n值,改进滚珠循环返向装置和滚珠链的流畅性成为人们关注的焦点。

①采用三维型导珠管,沿内螺纹的导程角φ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。

②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。下图为三种滚珠链工作受力状态之比较。

采取上述两项措施使动态转矩更趋平滑,噪声降低5～8

dB(A)。日本THK的S BN

系列,NSK公司的SI系

列[4],台湾PMI的E型滚珠

回流系统等均采取了上述

措施。S BN系列直径<32～

50mm,导程10～20mm,d o n

值130000,V>78m/min,加

速度1g。

③为了摆脱循环返向三种滚珠链工作时受力 装置对d o n值的制约,近年状态的比较图 出现了无返向装置的滚珠丝杠副。例如在滚珠螺母内

综　述S pecial Reports

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　・制造技术与机床2002年第5期

配置封闭槽的滚珠螺旋传动装置[5]和“G HF滚动环螺副装置”(我国专利[11]C N1210950A),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。

(3)提高滚珠丝杠副的制造精度和定位精度始终是制造企业的不懈追求。上世纪60年代我国精密机床联合攻关为精密机床螺纹磨削技术奠定了坚实基础。北京机床研究所在上世纪80年代研制成功的螺纹磨削激光反馈导程误差自动校正技术以及80年代末期完成的大导程滚珠丝杠副“七・五”攻关,为提高大导程角内外圆弧螺纹的磨削精度找到有效工艺途径。“九・五”期间汉江机床有限公司研制成功的SK7432型2m全封闭C NC丝杠磨床、H J031型C NC滚珠螺母磨床、SK7450型5m大型C NC丝杠磨床,为精密高速滚珠丝杠副的发展提供了关键工艺装备。我国与先进工业国家螺纹磨削技术水平的差距正日益趋近。滚珠丝杠副在C NC伺服进给系统中提高定位精度的校正技术也不断完善。

(4)小惯量滚珠螺母主传动技术趋于成熟并商品化。德国I NA公司与K arlsruhe大学合作研制成功滚珠螺母高速旋转驱动装置,由于丝杠固定不转,避开了细长丝杠高速旋转带来的问题,驱动速度可达120m/ min,加速度3g。该传动装置用于并联机床的P关节,可避免并联机构由于自身重量轻、阻尼小而带来丝杠高速旋转时的振动。德国“Rexroth-Star”公司2年前推出MHS40drive Unit空心轴电动机滚珠丝杠副,直径<40mm,导程5、10、12、16、20、40mm共六种规格。其特点是空心AC伺服的转子与滚珠螺母刚性连接,在固定的丝杠上的n=3000r/min转速旋转同时进行高速直线驱动,V max=120m/min,借助位置反馈系统可获得高的定位精度。这种机电一体化产品大大简化了机械结构,具有惯量小、速度快、行程范围大等优点,已在高速加工中心上应用,具有较好的性能价格比。日本NSK公司已推出小惯量螺母旋转NDT系列产品[6],直径<32～50mm,导程20～50mm,转动惯量减小12%～21%,d o n值100000。在CC MT2002(上海)中国数控机床展览会上,台湾HIWI N上银科技公司推出螺母旋转式RI系列高速滚珠丝杠副,包括(名义直径×导程) 16mm×16mm、20mm×20mm、25mm×25mm、32mm×32mm、40mm×40mm五个规格。

(5)既节能又环保,贯彻IS O14001国际环境标准受到重视。21世纪的制造业,在向自动化、智能化、高速化发展的同时,必须把节能和环保放在重要位置。国外不少企业为了解决高速运转时润滑剂的雾化、蒸发对环境的污染及废油的回收问题,积极开展润滑、密封、防尘、防腐等方面的研究,NSK、THK、HIWI N、PMI 等公司都先后推出防尘、自润滑、免维护新技术。例如:THK公司推出采用高含油率、高密度纤维网的“QZ 自润滑装置”,NSK公司推出“NSK-K1”润滑装置等。而HIWI N公司2年前就获得IS O14001证书,紧随同行绿色制造的步伐,在E MO2001展会上推出的“C ool type 1”精密高速滚珠丝杠新产品,d o n值高达200000。

2　与直线电动机方式的比较与选择

精密高速滚珠丝杠副作为“滚动化”的机械传动装置,虽然有许多优于一般传动装置的特性,但它的定位精度、驱动速度、加(减)速度有一个物理极限,按目前的技术水平,最高驱动速度≤120m/min,最大加速度< 3g,制造精度1级(IS O3408),而且行程有限。

自从1993年汉诺威欧洲机床展览会(E MO)上德国Ex-Cell-O公司首次推出采用直线电动机的XHC240卧式加工中心以来,采用直线电动机的高速数控机床的数量逐年增加。业内人士指出:直线电动机作为一种机电系统,将机械结构简化,电气控制复杂化,是符合现代机电技术的发展趋势的。[7]。

于是,在高速、超高速线性伺服进给系统中出现两种截然不同、满足不同档次需要的驱动方式。

表1为精密高速滚珠丝杠副与直线电动机的性能对比。表中所列数据与结构参数、工作行程、试验条件等有关,故仅供参考。

表1　精密高速滚珠丝杠副与直线电动机性能对比

性 能精密高速滚珠丝杠副直线电动机　驱动速度(m/m in)60～100(120)60～200

　加(减)速度(g)0.5～1.52～10

　精度(μm/300mm)2～5(与行程长度有关)0.5

3重复精度(μm)20.1

3静态刚度(N/μm)90～18070～270

3动态刚度(N/μm)90～180160～210

3速度放大系数K v

[(m/m in)/mm]

～520～30

3最大推力(N)26700(与丝杠副参数有关)9000N/圈

3工作寿命(h)6000～10000(同上)50000

注:带3的数据取自参考文献[7]、[8];括号内的说明是笔者所注。

不同使用对象的高速数控机床,按照所要求的合理的进给速度、加(减)速度、定位精度以及工作条件、

S pecial Reports综　述

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