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加工中心滚珠丝杠的应用
Dec 9, 2021  来源: 上汽通用五菱汽车股份有限公司  作者:邓钰耀,钟世莲,廖健竹

      摘要: 滚珠丝杠是因滚动接触而起动摩擦极小、对输入敏感而可以动作准确,所以可以精细控制微小运动。滑动螺丝是如轴向游隙变小就回转也变重,但滚珠丝杠的钢球与螺丝沟为点接触,因而即使预压状态也能实现圆滑动作。滚珠丝杠是通过选择各种厚度的垫片,可以精细调整对两个螺母的预压,选择适当的预压容易得到高钢性。另外,选择单螺母就可以实现无游隙的状态。滚珠丝杠是因对整个滚动部分的表面上进行淬火硬化处理,磨损小,能保持初期的精度,可以长期使用。

      关键词: 滚珠丝杠; 类型选用; 精度检测

      1、 引言

      人们应用螺杆来做传动的历史其实不算很长,传统上的螺杆一直有定位不佳、易损害的情况。直 到1898 年,人们才首次尝试将钢珠置入螺帽及螺杆之间以滚动摩擦取代滑动摩擦,来改善其定位不佳及易损害的情况。1940 年更将滚珠螺杆置于在汽车转向装置上,更为滚珠螺杆的应用上的巨大革命,并逐渐取代传统艾克姆螺杆( ACME) 。直到近年来,滚珠螺杆已成为产业界使用最广的零组件之一。
  
      2、滚珠丝杠的类型、结构与技术特点
  
      2.1 滚珠丝杠的类型
  
      根据加工制造方法及精度的区别,目前市场上的滚珠丝杠机构主要有以下两种类型: 磨制滚珠丝杠、轧制滚珠丝杠。
  
      滚珠的循环方式有循环导管式、循环器式、端盖式。预压方式有定位预压( 双螺母方式、位预压方式) 、定压预压。可根据用途选择适当类型。
  
      滚珠丝杠机构作为一种高精度的传动部件,大量应用在数控机床、自动化加工中心电子精密机械进给机构、伺服机械手、工业装配机器人、半导体生产设备、食品加工与包装、医疗设备等各种领域。
  
      2.2 滚珠丝杠的结构
  
      如果将滚珠丝杠机构沿纵向剖开,可以看到它主要由丝杠、螺母、滚珠、滚珠回流管、防尘等组成。
 
 

1 - 油孔; 2 - 曲折式防尘片; 3 - 树脂;4 - 滚珠回流管; 5 - 螺母; 6 - 滚珠; 7 - 丝杠
   
图 1 滚珠丝杠机构结构组成
  
      在图 1 中,各部分结构的作用详述如下:
 
      ( 1) 丝杠属于转动部件,是一种直线度非常高、上面加工有半圆形螺旋槽的螺纹,半圆形螺旋槽是滚珠滚动的滚道。丝杠具有很高的硬度,通常在表面淬火后再进行磨削加工保证具有优良的耐磨性能。丝杠一般与驱动部件连接在一起,丝杠的转动由电机直接或间接驱动。既可以采用直联的方法,即将电机输出轴通过专用的弹性联轴器与丝杠相联传动比为 1; 也可以通过其他的传动环节使电机输出轴与丝杠相连,例如同步带、齿轮。
  
      ( 2) 螺母是用来固定需要移动的负载的,其作用类似于直线导轨机构的滑块。一般将所需要移动的各种负载( 例如工作台、移动滑块) 与螺母连接在一起,再在工作台或移动滑块上安装各种执行机构螺母内部加工有与丝杠类似的半圆形滚道,而且设计有供滚珠循环运动的回流管,螺母是滚珠丝杠机构的重要部件,滚珠丝杠机构的性能与质量很大程度上依赖于螺母。
  
      ( 3) 防尘片的作用为防止外部污染物进入螺母内部。由于滚珠丝杠机构属于精密部件如果在使用时污染物( 例如灰尘、碎屑、金属渣等) 进入螺母,可能会使滚珠丝杠运动副严重磨损,降低机构的运动精度及使用寿命,甚至使丝杠或其他部件发生损坏,因此必须对丝杠螺母进行密封,防止污染物进入螺母。
  
      ( 4) 滚珠在滚珠丝杠机构中,滚珠的作用与其在直线导轨、直线轴承中的作用是相同的,滚珠作为承载体的一部分,直接承受,同时又作为中间传动元件,以滚动的方式传递运动。由于以滚动方式运动,所以摩擦非常小。
  
      ( 5) 油孔滚珠丝杠机构运行时需要良好的润滑,因此应定期加注润滑油或润滑脂。油孔供加润滑油。
  
      2. 3 滚珠丝杠有如下特点
  
      ( 1) 驱动扭矩小
  
      由于滚珠丝杠机构运行时滚珠沿丝杠与螺母共同组成的螺旋滚道作滚动运动,运动阻力极小,驱动扭矩仅为螺纹丝杠机构的 1 /3 以下,只需要很小的驱动功率。
  
      ( 2) 运动可逆
  
      滚珠丝杠机构不仅可以将丝杠的旋转运动转换为螺母( 及负载滑块) 的直线运动,也可以很容易地将螺母的直线运动转换为丝杠的旋转运动。
  
     ( 3) 高精度
  
     滚珠丝杠机构在加工、组装、检测等环节都经过严格的控制,属于高精度的传动机构,加上运行时发热较少,可以实现很高的传动精度,使负载精确定位。
  
     ( 4) 能微量进给
   
      由于滚珠丝杠机构中的滚珠为滚动运动方式,启动扭矩极小,不会出现如滑动运动中容易出现的低速蠕动或爬行现象,所以能实现高精度微量进给,最小进给量可达 0. 1pm。
  
      ( 5) 高刚性
  
      如果滚珠丝杠机构存在轴向间隙,当改变轴向负载的方向时,上述轴向间隙就成为负载运动误差的重要来源。通过对滚珠丝杠机构施加预压,可以使上述轴向间隙为零或零以下( 负间隙) ,从而获得高刚性,提高机构在负载状态下的运动精度。
  
      ( 6) 能高速进给
  
      由于滚珠丝杠机构可以制造成较大的导程,传动效率高,发热低,因而能实现高速进给。在保证低于滚珠丝杠机构临界转速的前提下,大导程滚珠丝杠副可以实现 100m /min 甚至更高的进给速度。
  
     ( 7) 传动效率高
  
     通常在螺纹丝杠机构中仅能够达到 20% ~40% 的机械传动效率,而滚珠丝杠机构可以获得很高的机械传动效率,最高可以达到 98% 。
  
     ( 8) 使用寿命长
  
     几乎在没有磨损的状态下运行,因而可以达到较长的使用寿命。
  
     3、滚珠丝杠精度检测
  
     3.1 滚珠丝杠位置误差的产生
  
     机床的每一根轴都是由伺服系统所驱动的,系统的组成是由伺服轴卡、伺服驱动器、伺服电机组成。它的主要作用是由伺服系统接受 NC 所发出的位置指令来驱动电机进行定位控制。加工中心 X、Y、Z 轴由滚珠丝杠传动。通过伺服同步电机实现驱动。滚珠丝杠螺母副传动过程存在反转间隙,这种反转间隙会造成工作台反向时,电动机空转而工作台不动,使半闭环系统产生误差和全闭环系统位置环振荡不稳定。滚珠丝杠磨损越大反向间隙远大,振荡越不稳定。其称为位置误差。
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