機(jī)床研究所高速滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其需注意的事項(xiàng)。介紹了高速滾珠絲杠副的綜臺(tái)行程誤差、預(yù)緊轉(zhuǎn)矩以及高速驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性(定位精度、溫升、速度、加速度)的測量。
關(guān)鍵詞：滾珠絲軸承杠副 高速 定位精度 溫升 速度 加速度 測量

現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，一批又一批的高速數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。它不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對進(jìn)給系統(tǒng)提出了很高的要求：(1)最大進(jìn)給速度應(yīng)達(dá)到40m/min或更高；(2)加速度要高，達(dá)到1g以上；(3)動(dòng)態(tài)性能要好，達(dá)到較高的定位精度。

高速滾珠絲杠副是指能適應(yīng)高速化要求(40 m／min以上)、滿足承載要求且能精密定位的滾珠絲杠副，是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床高速化首選的傳動(dòng)與定位部件。

北京機(jī)床研究所在承擔(dān)“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“高速滾珠絲杠副測試技術(shù)及裝置的開發(fā)研究”時(shí)，對高速滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)、性能、制造技術(shù)、測量技術(shù)等進(jìn)行了研究，并取得了階段性成果。該項(xiàng)研究成果榮獲中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

1 高速滾珠絲杠副軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)速度V＝Ph×N(Ph為導(dǎo)程，N為絲杠轉(zhuǎn)速)，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受do·N值的制約(do為滾珠絲杠的公稱直徑)。國際上一般do·N≤70000。據(jù)日本NSK公司介紹：該公司已將do·N值提高到153000。N增大時(shí)，do必須減小，且過分提高轉(zhuǎn)速會(huì)引起絲杠發(fā)熱、共振等問題；d0太小也會(huì)造成系統(tǒng)剛性差、易變形、影響加工精度，且目前伺服電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速僅到4000 r／min。導(dǎo)程Ph過大時(shí)，不僅增加了滾珠絲杠副的制造難度，精度難以提高，降低了絲杠副承載，而且也增加了伺服電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩。因此，設(shè)計(jì)高速滾珠絲杠副時(shí)要合理選擇絲杠副的轉(zhuǎn)速N、公稱直徑do與導(dǎo)程Ph。

數(shù)控機(jī)床常用的滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)為：外循環(huán)插管式、內(nèi)循環(huán)反向器式。由于高速滾珠絲杠副的導(dǎo)程較大，如用內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，反向器尺寸較長，承載的鋼球數(shù)減少，且鋼球高速時(shí)流暢性差，是不適合的；而外循環(huán)插管式結(jié)構(gòu)簡單，承載能力大，不受導(dǎo)程的限制。因此，被選作高速滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)。

外循環(huán)滾珠絲杠副預(yù)緊方式主要有三種：增大鋼球直徑、變位導(dǎo)程和墊片。各預(yù)緊方式的特點(diǎn)見表1。

表1 外循環(huán)滾珠絲杠副的預(yù)緊方式

根據(jù)高速滾珠絲杠副的特點(diǎn)，選用單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊結(jié)構(gòu)比較合適。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)導(dǎo)程的選擇。為了提高絲杠副驅(qū)動(dòng)速度，一般需增大絲杠副導(dǎo)程，常用絲杠副導(dǎo)程取絲杠直徑的1／3—1／2。(2)為了增加承載，選用多頭螺紋，以提高絲杠副承載能力。(3)滾珠絲杠副在高速時(shí)產(chǎn)生的噪聲主要來自鋼球在導(dǎo)珠管進(jìn)出口(見圖1P、P''點(diǎn))處的碰撞。因此，在循環(huán)過程中鋼球的反向點(diǎn)設(shè)計(jì)是非常重要的(見圖1)，要合理選取反向角αo

圖1 鋼球反向點(diǎn)示意圖

2 高速滾珠絲杠副的測試技術(shù)

測量和制造是密不可分的，沒有測量，產(chǎn)品質(zhì)量就沒有保證。北京機(jī)床研究所白研究生產(chǎn)絲杠開始，就著手研制絲杠測量儀器。并先后研制成功了“JCS—014兩米激光滾珠絲杠導(dǎo)程誤差測量（以下簡稱JCS-014）”、“JCS—040三米激光滾珠絲杠副行程誤差測量儀(以下簡稱JCS—040)”、“LJYl0滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩測量儀(以下簡稱LJYl0)”。這些儀器均采用了高精度的傳感器和現(xiàn)代化的測試手段。其數(shù)據(jù)處理遵循的標(biāo)準(zhǔn)是：GB／T17587．3—1998滾珠絲杠副驗(yàn)收條件及驗(yàn)收檢驗(yàn)。國內(nèi)絲杠生產(chǎn)廠家主要使用以上儀器。北京機(jī)床所生產(chǎn)的滾珠絲杠副都是在這些儀器上進(jìn)行檢測的。通過對測量結(jié)果進(jìn)行分析，提出質(zhì)量反饋意見，促進(jìn)建立穩(wěn)定可靠的工藝系統(tǒng)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。北京機(jī)床所出口的滾珠絲杠副檢測結(jié)果也得到了國外有關(guān)公司的認(rèn)可。

為了對滾珠絲杠副進(jìn)行高速試驗(yàn)，北京機(jī)床所專門研制成功了GSZ 2000高速滾珠絲杠副綜合測試裝置(見圖2)。用于測量滾珠絲杠副在高速時(shí)的性能—定位精度、噪聲和溫升，測量絲杠最大長度為2200 mm，工作臺(tái)移動(dòng)速度可達(dá)60m／min以上。該測試裝置配置日本三菱公司的高分辨率的單軸數(shù)控系統(tǒng)，其中交流伺服電動(dòng)機(jī)額定功率為2kw，額定轉(zhuǎn)速為3000r／min，電動(dòng)機(jī)端編碼器輸出的脈沖數(shù)為100000／r。

圖2 GSZ 2000傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

采用了德國HEIDENHAIN精密長光柵副作為定位精度的測量基準(zhǔn)，其測量分辨率為0．2μm；采用6個(gè)PN結(jié)溫度傳感器，分別測量螺母、絲杠、前軸承座、后軸承座、光柵和空氣的溫度，其測量分辨率為0．1℃；采用智能聲級計(jì)測量滾珠絲杠副噪聲的聲壓級，其測量分辨率為0．5dB。

下面介紹高速試驗(yàn)情況，被測滾珠絲杠剔的參數(shù)見表2。在“JCS—040”上測量結(jié)果見圖3，在“LJY10”上測量結(jié)果見圖4。

為了對滾珠絲杠副進(jìn)行高速試驗(yàn)，北京機(jī)床所專門研制成功了GSZ 2000高速滾珠絲杠副綜合測試裝置(見圖2)。用于測量滾珠絲杠副在高速時(shí)的性能—定位精度、噪聲和溫升，測量絲杠最大長度為2200 mm，工作臺(tái)移動(dòng)速度可達(dá)60m／min以上。該測試裝置配置日本三菱公司的高分辨率的單軸數(shù)控系統(tǒng)，其中交流伺服電動(dòng)機(jī)額定功率為2kw，額定轉(zhuǎn)速為3000r／min，電動(dòng)機(jī)端編碼器輸出的脈沖數(shù)為100000／r。

采用了德國HEIDENHAIN精密長光柵副作為定位精度的測量基準(zhǔn)，其測量分辨率為0．2μm；采用6個(gè)PN結(jié)溫度傳感器，分別測量螺母、絲杠、前軸承座、后軸承座、光柵和空氣的溫度，其測量分辨率為0．1℃；采用智能聲級計(jì)測量滾珠絲杠副噪聲的聲壓級，其測量分辨率為0．5dB。

下面介紹高速試驗(yàn)情況，被測滾珠絲杠剔的參數(shù)見表2。在“JCS—040”上測量結(jié)果見圖3，在“LJY10”上測量結(jié)果見圖4。

表2 被測滾珠絲杠副參數(shù)

(1)動(dòng)態(tài)測試

利用GSz 2000裝置上的長光柵傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)采數(shù)，可以檢查運(yùn)動(dòng)速度的平穩(wěn)性及加速度的躍升與過沖(參見圖5、6)。設(shè)△S為在時(shí)間△t內(nèi)位移的變化量，則：運(yùn)動(dòng)的速度V＝△S／△t，加速度α＝△V／△t，這里取△t＝1／640S。

(2)定位精度測量

對高速滾珠絲杠副定位精度評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是：GB／T17421．2—2000在表3的測試條件下，測量結(jié)果見表4、表5和圖7。

表3 測試條件

表4 定位精度的測量結(jié)果

(3)溫升測試

測量結(jié)果見圖8、9。

3 總結(jié)NSK機(jī)床主軸軸承

通過對告訴試驗(yàn)與研究分析，我們對滾滾珠絲杠副在告訴時(shí)的定位精度、加速度、溫升、振動(dòng)和噪聲等有了進(jìn)一步的了解。并根據(jù)這些測試結(jié)果對高速滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)及工藝進(jìn)行了改進(jìn)，取得了一定的效果。目前試制的滾珠絲杠副的d0.N值可達(dá)120000，快移速度可達(dá)60m/min，加速度可達(dá)1g。其中規(guī)格為：直徑￠40mm、導(dǎo)程16mm的滾珠絲杠副已被應(yīng)用到我所生產(chǎn)的KT1300V立式加工中心上，其快移速度達(dá)48m/min時(shí)，定位精度也能滿足數(shù)控機(jī)床的要求。