滚珠丝杠副现状及发展

滚珠丝杠副的现状及发展第1页共4页滚珠丝杠副现状及发展具有成熟制造技术和产业化规模的滚珠丝杠副，从它诞生至今已有100多年历史，在中国也有46年历史。其产品功能随主机的发展不断扩展、提高，从最初的“敏捷省能传动”（上世纪六十年代前）到“精密定位”（上世纪七十年代后），再从“大导程快速驱动”（上世纪八十年代）到“精密高速驱动”（上世纪九十年代中期），“速度”与“精度”的发展可谓与时俱进，特别是进入21世纪，PHS-BS得到迅速发展，精密高速滚珠丝杠副（简称PHS-BS）和AC直线电动机（简称AC-LM）是大型、精密、高速数控装备的快速伺服进给系统中能满足上述要求的核心功能部件。一.滚珠丝杠副的发展历程19世纪末就发明了滚珠丝杠副，但很长一段时间未能实际应用，因制造难度太大。世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上。1940年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副，1943年，滚珠丝杠副开始用于飞机上。精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在精度和性能上产生了较大的飞跃，随着数控机床和各种自动化设备的发展，促进了滚珠丝杠副的研究和生产。从50年代开始，在工业发达的国家中，滚珠丝杠副生产厂家如雨后春笋般迅速出现，例如：美国的WARNER-BEAVER公司、GM－SAGINAW公司；英国的ROTAX公司；日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。我国早在50年代末期开始研制用于程控机床、数控机床的滚珠丝杠副。PHS-BS的出现起源于上世纪九十年代中后期，日本NSK公司首先推出专用于高速数控机床的HMC系列，直径Φ36~55mm、Pn=16~32mm、Vmax=116m/min、加速度1.3g、DN值=13万、精度C3~C5（JIS标准）。近年来，世界上知名的滚珠丝杠制造企业先后推出一批DN值≥150000（220000），V≥20m/min(200m/min)、加速度≥1.5g的静音PHS-BS产品，例如：日本NSK公司的BSS和S3系列、THK公司的SBK系列、中国台湾HIWIN公司的SuperS系列、PMI公司的FSW系列、德国Rexroth公司的FDM-E系列、西班牙Korta公司的NTG系列等。中国最早从事PHS-BS研究的是北京机床研究所，在“九五”攻关中完成了GSZ2000型高速滚珠丝杠副综合测量仪的研制，随后山东济宁博特公司与山东工业大学合作也研制成功BTJS-03高速滚珠丝杠副测量仪。目前国内PHS-BS的水平是：Vmax≥60m/min(80m/min)、加速度1.4g、精度≥P3级、DN值≈140000。滚珠丝杠副的现状及发展第2页共4页当滚珠丝杠与滚珠螺母相对位移时，其加速度≥1g、线速度≥60m/min、或DN值≥120000（DN值的定义是：滚珠丝杠副公称直径do(mm)和滚珠丝杠与滚珠螺母相对转速n(r/min)的乘积）、精度达到P3级以上（国家标准GB/T18587），而各项性能指标（力矩变化、刚度、温升、噪声等）满足主机要求者，就可称之为精密高速滚珠丝杠副(PHS-BS)。由于滚珠丝杠副优良的滚动摩擦特性和传动效率高（η=90~95%）、传动敏捷灵活等功能，使其具备提速的有利条件。提速有三个途径：(1)加大导程Pn，这就是我们常说的大导程（或超大导程）滚珠丝杠副。因Pn增大不利于提高导程精度，而且进给系统的静刚度迅速下降，所以只适用于对定位精度要求不高的快速驱动场合。(2)兼顾精度、速度、动态特性，适度增加Pn和n（转速）以及螺纹头数。因为受临界转速Nc的制约，追求高转速是不可取的。(3)从产品结构和驱动方式上进行改革创新，例如：变丝杠主驱动为螺母主驱动；变单驱动为双驱动；丝杠空心化、螺母小径化、滚动体轻量化等。一)滚珠丝杠副的种类的多样化由于滚珠丝杠副的使用不断普及，使用领域不断扩大，对滚珠丝杠副的要求也越来越多，普通规格的滚珠丝杠副已远远满足不了使用要求，如航天航空领域、小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置等基本上都需要公称直径d0≤12mm，导程Ph=0.5～2.5mm的微型滚珠丝杠副。半导体插件装置、小型机器人等需要微型大导程滚珠丝杠副，以满足高速驱动要求。随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展，工业机器人、数控锻压机械、加工中心以及机电一体化自动机械等，其进给驱动速度不断提高，大导程滚珠丝杠副的出现，满足了高速化的要求。二)滚珠丝杠副的结构的多样化滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构(以圆形反向器和椭圆形反向器为代表)和外循环结构(以插管为代表)两种。这两种结构也是最常用的结构。这两种结构性能没有本质区别，只是内循环结构安装连接尺寸小；外循环结构安装连接尺寸大。目前，滚珠丝杠副的结构已有10多种，内循环结构；外循环结构；端盖结构；盖板结构。三）滚珠丝杠副性能与精度的提升滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是：噪声、温升、精度。滚珠丝杠副噪声产生的原因主要有：滚珠在循环回路中的流畅性、滚珠之间的碰撞、滚道的粗糙度、丝杠的弯曲等。滚珠丝杠副的温升主要是由滚珠与丝杠、螺母、反向器之间的摩擦及滚珠之间的摩擦产生的。要解决上述问题首先应从滚珠丝杠副的结构设计开始，对存在的问题采取措施；另一方面，从工艺上解决，通过合理滚珠丝杠副的现状及发展第3页共4页的工艺流程，提高产品的内在质量；选取适当的滚珠丝杠副预紧转矩；减小滚珠丝杠副的预紧转矩的变动量，使滚珠丝杠副适应高速驱动的要求。二.向AC直线电动机挑战的精密高速滚珠丝杠副一)对循环返向装置进行了优化设计。试验研究证明循环返向装置是直接影响PHS-BS滚珠流畅性和动态特性、振动和噪声的关键环节，它制约了DN值的提高。早期的PHS-BS采用厚壁切入式的导珠管，使滚珠螺母螺旋线的延伸方向与导珠管对接。近年又流行一种新的内循环结构，它是在滚珠螺母的螺旋线两端配置“端塞式”返向装置，使DN值达到200000，噪声降低6-7dB(A)，螺母径向尺寸缩小30%左右。二)优化滚珠链结构。为减小高速旋转时滚动体的离心力，采用小径球、Si3N4陶瓷球或DS改质球。为了隔断滚动体在高速运转时相互碰撞、挤压、摩擦，在滚珠链中增加用特殊工程塑料制作并有润滑功能的隔离器，从而有效降低温升和噪声，增加滚动体的流畅性。参考文献【1】宁立伟机床数控技术高等教育出版社2010【2】邓奕谢骐现代数控机床及应用国防工业出版社2008【3】邓奕数控加工技术实践机械工业出版社2004【4】徐元昌数控机床构造中国轻工业出版社2004【5】白恩远现代数控机床伺服机检测技术国防工业出版社2002【6】王永章数控技术高等教育出版社2001【7】张建刚数控技术华中科技大学出版社2001【8】王明红数控技术清华大学出版社2009【9】杜军文数控技术天津大学出版社2002【10】文怀兴数控机床系统设计化学工业出版社2011滚珠丝杠副的现状及发展第4页共4页