機床研究所高速滾珠絲杠副的結構設計及其需注意的事項。介紹了高速滾珠絲杠副的綜臺行程誤差、預緊轉矩以及高速驅動動態(tài)特性(定位精度、溫升、速度、加速度)的測量。
關鍵詞：滾珠絲軸承杠副 高速 定位精度 溫升 速度 加速度 測量
現(xiàn)代制造技術的發(fā)展突飛猛進，一批又一批的高速數(shù)控機床應運而生。它不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對進給系統(tǒng)提出了很高的要求：(1)最大進給速度應達到40m/min或更高；(2)加速度要高，達到1g以上；(3)動態(tài)性能要好，達到較高的定位精度。
高速滾珠絲杠副是指能適應高速化要求(40 m／min以上)、滿足承載要求且能精密定位的滾珠絲杠副，是實現(xiàn)數(shù)控機床高速化首選的傳動與定位部件。
北京機床研究所在承擔“九五”國家重點科技攻關項目“高速滾珠絲杠副測試技術及裝置的開發(fā)研究”時，對高速滾珠絲杠副的結構、性能、制造技術、測量技術等進行了研究，并取得了階段性成果。該項研究成果榮獲中國機械工業(yè)科學技術進步三等獎。
1 高速滾珠絲杠副軸承的結構設計
滾珠絲杠副的驅動速度V＝Ph×N(Ph為導程，N為絲杠轉速)，因此提高驅動速度的途徑有兩條：其一是提高絲杠的轉速，其二是采用大導程。提高轉速N受do·N值的制約(do為滾珠絲杠的公稱直徑)。國際上一般do·N≤70000。據(jù)日本NSK公司介紹：該公司已將do·N值提高到153000。N增大時，do必須減小，且過分提高轉速會引起絲杠發(fā)熱、共振等問題；d0太小也會造成系統(tǒng)剛性差、易變形、影響加工精度，且目前伺服電動機的最高轉速僅到4000 r／min。導程Ph過大時，不僅增加了滾珠絲杠副的制造難度，精度難以提高，降低了絲杠副承載，而且也增加了伺服電動機的起動力矩。因此，設計高速滾珠絲杠副時要合理選擇絲杠副的轉速N、公稱直徑do與導程Ph。
數(shù)控機床常用的滾珠絲杠副結構為：外循環(huán)插管式、內循環(huán)反向器式。由于高速滾珠絲杠副的導程較大，如用內循環(huán)結構，反向器尺寸較長，承載的鋼球數(shù)減少，且鋼球高速時流暢性差，是不適合的；而外循環(huán)插管式結構簡單，承載能力大，不受導程的限制。因此，被選作高速滾珠絲杠副的結構。
外循環(huán)滾珠絲杠副預緊方式主要有三種：增大鋼球直徑、變位導程和墊片。各預緊方式的特點見表1。
表1 外循環(huán)滾珠絲杠副的預緊方式
根據(jù)高速滾珠絲杠副的特點，選用單螺母變位導程預緊結構比較合適。但在結構設計時，應注意以下幾點：(1)導程的選擇。為了提高絲杠副驅動速度，一般需增大絲杠副導程，常用絲杠副導程取絲杠直徑的1／3—1／2。(2)為了增加承載，選用多頭螺紋，以提高絲杠副承載能力。(3)滾珠絲杠副在高速時產(chǎn)生的噪聲主要來自鋼球在導珠管進出口(見圖1P、P''點)處的碰撞。因此，在循環(huán)過程中鋼球的反向點設計是非常重要的(見圖1)，要合理選取反向角αo
圖1 鋼球反向點示意圖
2 高速滾珠絲杠副的測試技術
測量和制造是密不可分的，沒有測量，產(chǎn)品質量就沒有保證。北京機床研究所白研究生產(chǎn)絲杠開始，就著手研制絲杠測量儀器。并先后研制成功了“JCS—014兩米激光滾珠絲杠導程誤差測量（以下簡稱JCS-014）”、“JCS—040三米激光滾珠絲杠副行程誤差測量儀(以下簡稱JCS—040)”、“LJYl0滾珠絲杠副動態(tài)預緊轉矩測量儀(以下簡稱LJYl0)”。這些儀器均采用了高精度的傳感器和現(xiàn)代化的測試手段。其數(shù)據(jù)處理遵循的標準是：GB／T17587．3—1998滾珠絲杠副驗收條件及驗收檢驗。國內絲杠生產(chǎn)廠家主要使用以上儀器。北京機床所生產(chǎn)的滾珠絲杠副都是在這些儀器上進行檢測的。通過對測量結果進行分析，提出質量反饋意見，促進建立穩(wěn)定可靠的工藝系統(tǒng)，從而提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)率。北京機床所出口的滾珠絲杠副檢測結果也得到了國外有關公司的認可。
為了對滾珠絲杠副進行高速試驗，北京機床所專門研制成功了GSZ 2000高速滾珠絲杠副綜合測試裝置(見圖2)。用于測量滾珠絲杠副在高速時的性能—定位精度、噪聲和溫升，測量絲杠最大長度為2200 mm，工作臺移動速度可達60m／min以上。該測試裝置配置日本三菱公司的高分辨率的單軸數(shù)控系統(tǒng)，其中交流伺服電動機額定功率為2kw，額定轉速為3000r／min，電動機端編碼器輸出的脈沖數(shù)為100000／r。
圖2 GSZ 2000傳動系統(tǒng)示意圖
采用了德國HEIDENHAIN精密長光柵副作為定位精度的測量基準，其測量分辨率為0．2μm；采用6個PN結溫度傳感器，分別測量螺母、絲杠、前軸承座、后軸承座、光柵和空氣的溫度，其測量分辨率為0．1℃；采用智能聲級計測量滾珠絲杠副噪聲的聲壓級，其測量分辨率為0．5dB。
下面介紹高速試驗情況，被測滾珠絲杠剔的參數(shù)見表2。在“JCS—040”上測量結果見圖3，在“LJY10”上測量結果見圖4。
為了對滾珠絲杠副進行高速試驗，北京機床所專門研制成功了GSZ 2000高速滾珠絲杠副綜合測試裝置(見圖2)。用于測量滾珠絲杠副在高速時的性能—定位精度、噪聲和溫升，測量絲杠最大長度為2200 mm，工作臺移動速度可達60m／min以上。該測試裝置配置日本三菱公司的高分辨率的單軸數(shù)控系統(tǒng)，其中交流伺服電動機額定功率為2kw，額定轉速為3000r／min，電動機端編碼器輸出的脈沖數(shù)為100000／r。
采用了德國HEIDENHAIN精密長光柵副作為定位精度的測量基準，其測量分辨率為0．2μm；采用6個PN結溫度傳感器，分別測量螺母、絲杠、前軸承座、后軸承座、光柵和空氣的溫度，其測量分辨率為0．1℃；采用智能聲級計測量滾珠絲杠副噪聲的聲壓級，其測量分辨率為0．5dB。
下面介紹高速試驗情況，被測滾珠絲杠剔的參數(shù)見表2。在“JCS—040”上測量結果見圖3，在“LJY10”上測量結果見圖4。
表2 被測滾珠絲杠副參數(shù)
(1)動態(tài)測試
利用GSz 2000裝置上的長光柵傳感器進行動態(tài)采數(shù)，可以檢查運動速度的平穩(wěn)性及加速度的躍升與過沖(參見圖5、6)。設△S為在時間△t內位移的變化量，則：運動的速度V＝△S／△t，加速度α＝△V／△t，這里取△t＝1／640S。
(2)定位精度測量
對高速滾珠絲杠副定位精度評價的標準是：GB／T17421．2—2000在表3的測試條件下，測量結果見表4、表5和圖7。
表3 測試條件
表4 定位精度的測量結果
(3)溫升測試
測量結果見圖8、9。
3 總結NSK機床主軸軸承
通過對告訴試驗與研究分析，我們對滾滾珠絲杠副在告訴時的定位精度、加速度、溫升、振動和噪聲等有了進一步的了解。并根據(jù)這些測試結果對高速滾珠絲杠副的結構及工藝進行了改進，取得了一定的效果。目前試制的滾珠絲杠副的d0.N值可達120000，快移速度可達60m/min，加速度可達1g。其中規(guī)格為：直徑￠40mm、導程16mm的滾珠絲杠副已被應用到我所生產(chǎn)的KT1300V立式加工中心上，其快移速度達48m/min時，定位精度也能滿足數(shù)控機床的要求。
