基于滚珠丝杠的高速进给系统的应用及问题

基于滚珠丝杠的高速进给系统的应用及问题

高速加工技术是现代先进制造技术之一，是市场经济全球化和各种先进技术发展的综合结果。高速加工技术已经逐渐发展成为一门综合性的系统工程技术，并得到了广泛的应用。高速加工是面向21世纪的高新技术。其特点是高效率、高精度和高表面质量。广泛应用于航空航天、汽车工业、模具制造、光电工程和仪器仪表行业，取得了显著的技术经济效益。它是当代先进制造技术的重要组成部分。

随着高速机床的快速发展，进给系统速度的提高是实现高速的主要因素之一。虽然直线电机和并联虚拟轴机床已经被探索和研究以实现高速进给，但由于其成本高和技术不完善，还没有被广泛接受。因此，高速滚珠丝杠螺母驱动系统仍然主导着高速进给驱动系统。因此，开发高速滚珠丝杠螺母副是实现高速切削的关键技术之一。

“旋转电机滚珠丝杠"仍然是加工中心和其他数控机床进给系统采用的主要形式。滚珠丝杠的辅助驱动系统由交流伺服电机驱动。进给加速度可达1g，进给速度可达40~60m/min，定位精度可达20~25 m。与直线电机驱动的进给系统相比，旋转电机驱动滚珠丝杠的进给方案由于工作台惯性和滚珠丝杠结构的限制，可实现相对较小的进给速度和加速度。改进后的滚珠丝杠的进给速度一般不超过60~80 m/min，加速度小于1.5g。它在高速加工中心的应用仍然受到限制。与直线电机驱动的进给系统相比，滚珠丝杠辅助驱动实现的高速进给系统可以大大降低成本。已经研制出进给速度为100米/分钟的滚珠丝杠。主要改进措施是采用16~32 mm的大导程，提高循环，滚珠，部分零件质量，采用多头螺纹增加有效圈数，改善滚道形状。从而实现进给系统的高速、高刚性和高承载能力。

直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了滚珠丝杠，齿轮齿条传动的后向间隙、惯性、摩擦和刚度不足等缺点。它可以实现高精度、高速运动，并具有良好的稳定性。直线电机的本质是对旋转电机进行径向切割，然后将其拉直。直线电机的转子与工作台固定连接，定子安装在机床床上。在机床进给系统中使用直线电机，可以将机床进给传动链的长度缩短为零，从而实现所谓的“零传动”。

直线电机在结构上有一些缺点，如直线电机磁场开阔，特别是使用永磁直线电机时，要在机床上安装一排磁力很强的永磁体。因此，必须采取适当的隔磁措施，否则会吸附磁场周围的灰尘和碎屑。与相同容量的旋转电机相比，直线电机的效率和功率因数较低。尤其是低速时，但从整个装置和系统的角度来看，由于使用直线电机后省略了中间传动装置，系统的效率有时比旋转电机高。此外，直线电机尤其是直线感应电机的启动推力受电源电压的影响很大，需要采取相关措施保证电源的稳定性或改变电机的相关特性来减小或消除这种影响。虽然直线电机驱动的数控机床需要解决上述问题，但目前加速度大于1g时，直线电机仍然是唯一的选择。

为了表示滚珠在螺纹滚道和循环装置中滚动的安全性和可靠性，通常借用滚珠轴承的d 0 n值(这里d 0 n是滚珠丝杠，的公称直径，N是螺杆的速度)来表示滚珠丝杠的高速极限实际上d0n值反映的是滚珠中心的线速度。为了计算方便，工程上经常用螺杆外径D来代替d 0 n，称为DN值。对于50mm30mm的滚珠丝杠，当螺杆转速为3000r/min时，DN值可达150000，进料速度为90m/min。然而，与滚动轴承相比，滚珠丝杠螺母副没有防止滚珠，之间摩擦的保持架，而是有一个循环回程装置，这使得滚珠丝杠螺母副的DN值远小于滚珠轴承，从而限制了滚珠的安全平稳流动速度

丝杠螺母副在高速旋转时产生严重的热量，导致丝杠的温升和热变形较大，从而影响机床的传动精度。相关实验表明，滚珠丝杠丝杠螺母副产生的热量主要取决于摩擦力。当转速升高时，丝杠螺母副产生的热量不能实时散发，导致温度升高，导致滚珠丝杠轴变形，改变工件与刀具的相对位置，降低加工精度。

据有关测试，在不采取降噪减振措施的情况下，滚珠丝杠的噪声每1000转/分钟增加4~5 dB。高速旋转时，滚珠丝杠螺母副的噪声来源于滚珠与滚珠导管的碰撞、滚道表面的粗糙度、滚道表面的形状以及滚珠之间的碰撞。这些因素取决于滚珠丝杠螺母副的加工工艺。

滚珠丝杠的进给速度是转速和导程的乘积。因此，实现滚珠丝杠：高速进给的途径有两个， 一是提高滚珠丝杠；的转速，二是加大滚珠丝杠的领先，向大领先发展。所谓大导程是指螺杆的导程与螺杆轴外径的比值大于或等于1/2。增加丝杠的导程会增加丝杠的导程误差，精度难以保证。而且随着导程的增加，起步扭矩也会增加，影响传动的稳定性。因此，单纯增加丝杠的导程很难满足市场需求，两种方法必须结合使用。为了同时实现高速度和高精度，必须达到速度和领先之间的平衡。因此，提高滚珠丝杠的高速回转能力也非常重要

采用两台伺服电机，一台驱动丝杠轴，另一台反方向驱动轴承支撑的滚珠螺母，使被驱动零件(如工作台)的进给速度在不提高丝杠速度的情况下提高一倍。同时，该结构还可以实现同向差动驱动，有利于实现精确微进给。双电机驱动的另一种方案是用两套伺服系统和两套滚珠丝杠螺母驱动系统同时驱动同一个运动部件。这样，在不增加丝杠直径的情况下，可以有效提高驱动系统的刚度，有利于实现高速进给。