基于滾珠絲杠的高速進(jìn)給系統(tǒng)的應(yīng)用及問題

高速加工技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)之一，是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)全球化和各種先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的綜合結(jié)果。高速加工技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一門綜合性的系統(tǒng)工程技術(shù)，并得到了廣泛的應(yīng)用。高速加工是面向21世紀(jì)的高新技術(shù)。其特點(diǎn)是高效率、高精度和高表面質(zhì)量。廣泛應(yīng)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(shù)經(jīng)濟(jì)效益。它是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。

隨著高速機(jī)床的快速發(fā)展，進(jìn)給系統(tǒng)速度的提高是實(shí)現(xiàn)高速的主要因素之一。雖然直線電機(jī)和并聯(lián)虛擬軸機(jī)床已經(jīng)被探索和研究以實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給，但由于其成本高和技術(shù)不完善，還沒有被廣泛接受。因此，高速滾珠絲杠螺母驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍然主導(dǎo)著高速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。因此，開發(fā)高速滾珠絲杠螺母副是實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵技術(shù)之一。

“旋轉(zhuǎn)電機(jī)滾珠絲杠"仍然是加工中心和其他數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用的主要形式。滾珠絲杠的輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。進(jìn)給加速度可達(dá)1g，進(jìn)給速度可達(dá)40~60m/min，定位精度可達(dá)20~25 m。與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的進(jìn)給方案由于工作臺(tái)慣性和滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的限制，可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較小的進(jìn)給速度和加速度。改進(jìn)后的滾珠絲杠的進(jìn)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(yīng)用仍然受到限制。與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)相比，滾珠絲杠輔助驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的高速進(jìn)給系統(tǒng)可以大大降低成本。已經(jīng)研制出進(jìn)給速度為100米/分鐘的滾珠絲杠。主要改進(jìn)措施是采用16~32 mm的大導(dǎo)程，提高循環(huán)，滾珠，部分零件質(zhì)量，采用多頭螺紋增加有效圈數(shù)，改善滾道形狀。從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的高速、高剛性和高承載能力。

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了無接觸直接驅(qū)動(dòng)，避免了滾珠絲杠，齒輪齒條傳動(dòng)的后向間隙、慣性、摩擦和剛度不足等缺點(diǎn)。它可以實(shí)現(xiàn)高精度、高速運(yùn)動(dòng)，并具有良好的穩(wěn)定性。直線電機(jī)的本質(zhì)是對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行徑向切割，然后將其拉直。直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子與工作臺(tái)固定連接，定子安裝在機(jī)床床上。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中使用直線電機(jī)，可以將機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，從而實(shí)現(xiàn)所謂的“零傳動(dòng)”。

直線電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有一些缺點(diǎn)，如直線電機(jī)磁場(chǎng)開闊，特別是使用永磁直線電機(jī)時(shí)，要在機(jī)床上安裝一排磁力很強(qiáng)的永磁體。因此，必須采取適當(dāng)?shù)母舸糯胧?，否則會(huì)吸附磁場(chǎng)周圍的灰塵和碎屑。與相同容量的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)的效率和功率因數(shù)較低。尤其是低速時(shí)，但從整個(gè)裝置和系統(tǒng)的角度來看，由于使用直線電機(jī)后省略了中間傳動(dòng)裝置，系統(tǒng)的效率有時(shí)比旋轉(zhuǎn)電機(jī)高。此外，直線電機(jī)尤其是直線感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)推力受電源電壓的影響很大，需要采取相關(guān)措施保證電源的穩(wěn)定性或改變電機(jī)的相關(guān)特性來減小或消除這種影響。雖然直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床需要解決上述問題，但目前加速度大于1g時(shí)，直線電機(jī)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(dòng)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(shí)際上d0n值反映的是滾珠中心的線速度。為了計(jì)算方便，工程上經(jīng)常用螺桿外徑D來代替d 0 n，稱為DN值。對(duì)于50mm30mm的滾珠絲杠，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，DN值可達(dá)150000，進(jìn)料速度為90m/min。然而，與滾動(dòng)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(gè)循環(huán)回程裝置，這使得滾珠絲杠螺母副的DN值遠(yuǎn)小于滾珠軸承，從而限制了滾珠的安全平穩(wěn)流動(dòng)速度

絲杠螺母副在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱量，導(dǎo)致絲杠的溫升和熱變形較大，從而影響機(jī)床的傳動(dòng)精度。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，滾珠絲杠絲杠螺母副產(chǎn)生的熱量主要取決于摩擦力。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，絲杠螺母副產(chǎn)生的熱量不能實(shí)時(shí)散發(fā)，導(dǎo)致溫度升高，導(dǎo)致滾珠絲杠軸變形，改變工件與刀具的相對(duì)位置，降低加工精度。

據(jù)有關(guān)測(cè)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(zhuǎn)/分鐘增加4~5 dB。高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠絲杠螺母副的噪聲來源于滾珠與滾珠導(dǎo)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(jìn)給速度是轉(zhuǎn)速和導(dǎo)程的乘積。因此，實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠：高速進(jìn)給的途徑有兩個(gè)， 一是提高滾珠絲杠；的轉(zhuǎn)速，二是加大滾珠絲杠的領(lǐng)先，向大領(lǐng)先發(fā)展。所謂大導(dǎo)程是指螺桿的導(dǎo)程與螺桿軸外徑的比值大于或等于1/2。增加絲杠的導(dǎo)程會(huì)增加絲杠的導(dǎo)程誤差，精度難以保證。而且隨著導(dǎo)程的增加，起步扭矩也會(huì)增加，影響傳動(dòng)的穩(wěn)定性。因此，單純?cè)黾咏z杠的導(dǎo)程很難滿足市場(chǎng)需求，兩種方法必須結(jié)合使用。為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度和高精度，必須達(dá)到速度和領(lǐng)先之間的平衡。因此，提高滾珠絲杠的高速回轉(zhuǎn)能力也非常重要

采用兩臺(tái)伺服電機(jī)，一臺(tái)驅(qū)動(dòng)絲杠軸，另一臺(tái)反方向驅(qū)動(dòng)軸承支撐的滾珠螺母，使被驅(qū)動(dòng)零件(如工作臺(tái))的進(jìn)給速度在不提高絲杠速度的情況下提高一倍。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)同向差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，有利于實(shí)現(xiàn)精確微進(jìn)給。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件。這樣，在不增加絲杠直徑的情況下，可以有效提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的剛度，有利于實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給。