滚珠丝杠的特点及误差分析

滚珠丝杠的特点及误差分析

滚珠丝杠副主要由丝杠、螺母、滚珠和反向器组成。在具有螺旋槽的丝杠和螺母中间装有中间传动元件，即滚珠，滚珠组成循环的滚珠链。当丝杠旋转时，滚珠沿螺纹滚道滚动，在此运动过程中，滚珠不但绕丝杠公转，其自身还在自转。所以滚珠不但与丝杠、螺母间产生摩擦，而且相互间也产生摩擦。为了防止滚珠从滚道内滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，如反向器和挡珠器，它们与螺旋滚道形成循环回路，使滚珠在螺旋滚道内即自转又沿螺旋滚道循环转动。

由上述工作原理可知，滚珠丝杠以滚动摩擦代替滑动摩擦，因此具有以下特点：

①摩擦损失小、传动效率高：滚珠丝杠副的摩擦损失小，传动效率可达90%～96%，为滑动丝杠的2~4倍。

②磨损小、寿命长：通常，滚珠丝杠副的丝杠、螺母以及滚珠都是经过淬硬的，表面粗糙度低，滚动摩擦的磨损小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作寿命长。

③轴向刚度高：由于滚珠丝杠副可以完全消除传动间隙，而不至于影响丝杠运动的灵活性，因而可以获得较高的轴向刚度，而且通过预紧可再次提高轴向刚度。

④摩擦阻力小、运动平稳：由于滚珠丝杠是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，而且静止摩擦力极小，启动力矩与运动力矩近于相等。因此灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象。

⑤不能自锁、具有传动的可逆性：由于滚珠丝杠副没有自锁能力，故具有传动的可逆性。当它用于垂直升降传动系统时，必须增设自锁装置或制动装置，以防止产生逆传动。

滚珠丝杠副在传动过程中存在很多误差，包括滚珠丝杠副自身的制造误差、热变形误差、受力变形误差、安装误差等。大量研究表明，热误差是影响高速机床加工精度的主要因素之一，约占机床总误差的40%-70%。热变形误差产生的过程为：发热部位产生热量，热量通过接触面向周围传递，最终导致机床关键部件变形，从而产生误差。与之相对应，防止和减少热变形误差的方法有三种；①降低热源；②控制热流；③热稳定结构设计。滚珠丝杠进给系统的主要热源是螺母的移动引起的摩擦生热和轴承的旋转摩擦生热。影响此摩擦生热的主要因素包括螺母的移动速度、润滑剂的使用情况以及零件间的装配关系等。滚珠丝杠的热变形误差是影响滚珠丝杠进给系统定位精度的主要因素。所以滚珠丝杠的热特性分析是高速高精度机床必须要考虑的关键技术。

滚珠丝杠进给系统的主要热源是螺母的移动引起的摩擦生热和轴承的旋转摩擦生热。影响此摩擦生热的主要因素包括螺母的移动速度、润滑剂的使用情况以及零件闻的装配关系等。虽然机床的切削热产生于机床内部且发热量很大，但切削热对滚珠丝杠的进给系统影响很小，而且切削热能够及时被切屑和冷却液带走。所以这里只考虑轴承发热和螺母发热。

为了补偿滚珠丝杠热变形对滚珠丝杠迸给系统定位精度的影响，常常采用预拉伸滚珠丝杠的方法。滚珠丝杠的预拉伸通过滚珠丝杠两端的螺纹部分的锁紧螺母的预紧达到的，相当于给滚珠丝杠的支撑轴承添加预负荷，其主要目的是：①提高滚珠丝杠的旋转精度；②提高滚珠丝杠的刚性③补偿滚珠丝杠的热膨胀；④抑制滚珠丝杠的振动和异常噪音的发出⑤防止滚动体的滑动（公转和自转滑动）；⑥决定滚动体的位置。

随着科技的进步和数控技术的发展，对机床的精度要求越来越高，误差研究及其补偿技术引起了人们的重视，许多学者在误差研究方面投入了大量的工作也取得了一定的成果。其中对滚珠丝杠变形误差的研究也越来越多，例如国防科技大学的粟时平在他的博士论文中对滚珠丝杠的进给系统及其滚珠丝杠的微特性进行了深入细致的研究。等外国学者对滚珠丝杠的高精度、变形、误差的控制与跟踪等方面进行了大量的研究。随着滚珠丝杠副应用的推广以及人们对高精度的要求的提高，将推动着越来越多的学者进行更深一步的研究。