数控( NC) 机床的进给伺服系统与普通机床的进给伺服系统有本质上的区别, 数控机床能根据指令信号自动精确地控制执行部件运动的位移、方向和速度, 并可使数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。进给伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率。而数控进给伺服系统的性能取决于它的各个组成环节的特性及系统中各环节性能参数的合理匹配。滚珠丝杠是数控机床进给伺服系统中重要的机械传动部件, 滚珠丝杠副的特点是:

      a) 传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率很高, 可达92% ~ 98%, 是普通丝杠的2~ 4 倍。

       b) 摩擦力小。因为动、静摩擦系数相差小, 因而传动灵敏, 运动平稳、低速不容易产生爬行, 随动精度和定位精度高。

      c) 使用寿命长。滚珠丝杠采用优质合金制造, 表面粗糙度小, 其滚道表面淬火硬度可达60HRC~ 62HRC。另外, 因为是滚动摩擦, 磨损更小。

      d) 经预紧后可以消除轴向间隙, 提高了系统的刚度。

      e) 反向运动时无空行程, 可以提高轴向运动精度。

      f) 制造成本高, 不能自锁, 有可逆性。

      滚珠丝杠的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度, 因此在数控机床维修和机床的数控改造过程中, 滚珠丝杠的选用和校核显得尤为重要。

1 滚珠丝杠的选用

     滚珠丝杠的选用总体应依据机床的精度而定,具体地应根据机床的载荷来选定滚珠丝杠的直径,滚珠丝杠的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度, 各类滚珠丝杠副推荐精度等级列于附表。

      在设计和选用滚珠丝杠螺母副时, 首先要确定螺距t、名义直径D 0、滚珠直径d0 等主要参数。在确定后两个参数时, 采用与验算滚珠轴承相似的方法, 即规定在最大轴向载荷Q 作用下, 滚珠丝杠可以33. 3r/ min 的转速运转500h 而不出现点蚀。

      选择螺距t 时, 一般应根据丝杠的承载能力和刚度要求, 首先确定名义直径D0, 然后根据D 0 尽量选取较大的螺距。常用的螺距t = 4、5、6、8、10、12mm。螺距越小, 在一定的轴向力的作用下摩擦力矩较小; 但t 太小时( 滚珠也小) , 导致滚珠丝杠承载能力显著下降。另外, 如丝杠名义直径D 0 一定时, t 减小, 螺旋升角B随之减小, 传动效率也随之降低。丝杠名义直径D0 是指滚珠中心圆的直径, D 0 根据承受的载荷来选取。D 0 越大, 丝杠承载的能力和刚度就越大。为了满足传动刚度和稳定性的要求, 通常D0 应该大于丝杠长度的1/ 30 ~ 1/ 35。滚珠直径d 0 对承载能力有直接影响, 应尽可能取较大的数值。一般d0 U 0. 6 t , 其最后的尺寸按滚珠标准选用。

      值得注意的是丝杠精度中的导程误差对机床定位精度影响最明显, 而丝杠在运转中由于温升引起的丝杠伸长, 将直接影响机床的定位精度。通常需要把导程值预先置为负值, 这叫丝杠的方向目标T 。用户在定购滚珠丝杠时, 必须提出滚珠丝杠的方向目标值。

     丝杠温升引起的变形量为:

2 滚珠丝杠的校核

      滚珠丝杠选用之后, 不能盲目进行安装使用,否则会出现一些意想不到的事故和现象。因此, 为保证机床安装调试后能正常运转和工作, 必须对滚珠丝杠进行一系列的校核和验算, 具体验算内容包括: 扭转刚度、压曲刚度、临界转速和工作寿命等。

2.1 滚珠丝杠的刚性

      滚珠丝杠的刚度与直径大小直接相关, 直径大, 刚度好, 但直径大, 转动惯量也大大增加。所以, 一般是在兼顾二者的情况下选取最佳直径。推荐如下: 小型加工中心采用32、40mm, 中型加工中心采用40、5 0mm, 大型加工中心采用50、63mm 的滚珠丝杠。

     扭转刚度K S2

      如果认为滞后量过大, 则应选择直径dr 较大丝杠, 或者减小L 2 的尺寸。

2.2 滚珠丝杠副临界转速nc

     对于数控车床来说, 滚珠丝杠的最高转速是指快速移动时的转速。因此, 只要此时的转速不超过临界转速就可以了。临界转速一般以下列两项内容进行校核:

      丝杠轴的转速与丝杠自身的自振频率是否接近。如果接近, 会导致强迫共振, 影响机床正常工作。从自振频率角度校核的临界转速nc