加工中心滾珠絲杠的應用
2022-9-9 來源： 上汽通用五菱汽車股份有限公司 作者：鄧鈺耀，鐘世蓮，廖健竹
摘要: 滾珠絲杠是因滾動接觸而起動摩擦極小、對輸入敏感而可以動作準確，所以可以精細控制微小運動。滑動螺絲是如軸向游隙變小就回轉(zhuǎn)也變重，但滾珠絲杠的鋼球與螺絲溝為點接觸，因而即使預壓狀態(tài)也能實現(xiàn)圓滑動作。滾珠絲杠是通過選擇各種厚度的墊片，可以精細調(diào)整對兩個螺母的預壓，選擇適當?shù)念A壓容易得到高鋼性。另外，選擇單螺母就可以實現(xiàn)無游隙的狀態(tài)。滾珠絲杠是因?qū)φ麄€滾動部分的表面上進行淬火硬化處理，磨損小，能保持初期的精度，可以長期使用。
關鍵詞: 滾珠絲杠; 類型選用; 精度檢測
1 、引言
人們應用螺桿來做傳動的歷史其實不算很長，傳統(tǒng)上的螺桿一直有定位不佳、易損害的情況。直到1898 年，人們才首次嘗試將鋼珠置入螺帽及螺桿之間以滾動摩擦取代滑動摩擦，來改善其定位不佳及易損害的情況。1940 年更將滾珠螺桿置于在汽車轉(zhuǎn)向裝置上，更為滾珠螺桿的應用上的巨大革命，并逐漸取代傳統(tǒng)艾克姆螺桿( ACME) 。
直到近年來，滾珠螺桿已成為產(chǎn)業(yè)界使用最廣的零組件之一。
2、滾珠絲杠的類型、結構與技術特點
2． 1 滾珠絲杠的類型
根據(jù)加工制造方法及精度的區(qū)別，目前市場上的滾珠絲杠機構主要有以下兩種類型: 磨制滾珠絲杠、軋制滾珠絲杠。滾珠的循環(huán)方式有循環(huán)導管式、循環(huán)器式、端蓋式。預壓方式有定位預壓 ( 雙螺母方式、位預壓方式) 、定壓預壓。可根據(jù)用途選擇適當類型。滾珠絲杠機構作為一種高精度的傳動部件，大量應用在數(shù)控機床、自動化加工中心電子精密機械進給機構、伺服機械手、工業(yè)裝配機器人、半導體生產(chǎn)設備、食品加工與包裝、醫(yī)療設備等各種領域。
2． 2 滾珠絲杠的結構
如果將滾珠絲杠機構沿縱向剖開，可以看到它主要由絲杠、螺母、滾珠、滾珠回流管、防塵等組成。
1 － 油孔; 2 － 曲折式防塵片; 3 － 樹脂;4 － 滾珠回流管; 5 － 螺母; 6 － 滾珠; 7 － 絲杠
圖 1 滾珠絲杠機構結構組成
在圖 1 中，各部分結構的作用詳述如下:
( 1) 絲杠屬于轉(zhuǎn)動部件，是一種直線度非常高、上面加工有半圓形螺旋槽的螺紋，半圓形螺旋槽是滾珠滾動的滾道。
絲杠具有很高的硬度，通常在表面淬火后再進行磨削加工保證具有優(yōu)良的耐磨性能。絲杠一般與驅(qū)動部件連接在一起，絲杠的轉(zhuǎn)動由電機直接或間接驅(qū)動。既可以采用直聯(lián)的方法，即將電機輸出軸通過專用的彈性聯(lián)軸器與絲杠相聯(lián)傳動比為1; 也可以通過其他的傳動環(huán)節(jié)使電機輸出軸與絲杠相連，例如同步帶、齒輪。
( 2) 螺母是用來固定需要移動的負載的，其作用類似于直線導軌機構的滑塊。一般將所需要移動的各種負載( 例如工作臺、移動滑塊) 與螺母連接在一起，再在工作臺或移動滑塊上安裝各種執(zhí)行機構螺母內(nèi)部加工有與絲杠類似的半圓形滾道，而且設計有供滾珠循環(huán)運動的回流管，螺母是滾珠絲杠機構的重要部件，滾珠絲杠機構的性能與質(zhì)量很大程度上依賴于螺母。
( 3) 防塵片的作用為防止外部污染物進入螺母內(nèi)部。
由于滾珠絲杠機構屬于精密部件如果在使用時污染物( 例如灰塵、碎屑、金屬渣等) 進入螺母，可能會使?jié)L珠絲杠運動副嚴重磨損，降低機構的運動精度及使用壽命，甚至使絲杠或其他部件發(fā)生損壞，因此必須對絲杠螺母進行密封，防止污染物進入螺母。
( 4) 滾珠在滾珠絲杠機構中，滾珠的作用與其在直線導軌、直線軸承中的作用是相同的，滾珠作為承載體的一部分，直接承受，同時又作為中間傳動元件，以滾動的方式傳遞運動。由于以滾動方式運動，所以摩擦非常小。
( 5) 油孔滾珠絲杠機構運行時需要良好的潤滑，因此應定期加注潤滑油或潤滑脂。油孔供加潤滑油。
2． 3 滾珠絲杠有如下特點
( 1) 驅(qū)動扭矩小由于滾珠絲杠機構運行時滾珠沿絲杠與螺母共同組成的螺旋滾道作滾動運動，運動阻力極小，驅(qū)動扭矩僅為螺紋絲杠機構的 1 /3 以下，只需要很小的驅(qū)動功率。
( 2) 運動可逆滾珠絲杠機構不僅可以將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺母( 及負載滑塊) 的直線運動，也可以很容易地將螺母的直線運動轉(zhuǎn)換為絲杠的旋轉(zhuǎn)運動。
( 3) 高精度滾珠絲杠機構在加工、組裝、檢測等環(huán)節(jié)都經(jīng)過嚴格的控制，屬于高精度的傳動機構，加上運行時發(fā)熱較少，可以實現(xiàn)很高的傳動精度，使負載精確定位。
( 4) 能微量進給由于滾珠絲杠機構中的滾珠為滾動運動方式，啟動扭矩極小，不會出現(xiàn)如滑動運動中容易出現(xiàn)的低速蠕動或爬行現(xiàn)象，所以能實現(xiàn)高精度微量進給，最小進給量可達 0． 1pm。
( 5) 高剛性如果滾珠絲杠機構存在軸向間隙，當改變軸向負載的方向時，上述軸向間隙就成為負載運動誤差的重要來源。
通過對滾珠絲杠機構施加預壓，可以使上述軸向間隙為零或零以下( 負間隙) ，從而獲得高剛性，提高機構在負載狀態(tài)下的運動精度。
( 6) 能高速進給由于滾珠絲杠機構可以制造成較大的導程，傳動效率高，發(fā)熱低，因而能實現(xiàn)高速進給。在保證低于滾珠絲杠機構臨界轉(zhuǎn)速的前提下，大導程滾珠絲杠副可以實現(xiàn) 100m/min 甚至更高的進給速度。
( 7) 傳動效率高通常在螺紋絲杠機構中僅能夠達到 20% ～40% 的機械傳動效率，而滾珠絲杠機構可以獲得很高的機械傳動效率，最高可以達到 98% 。
( 8) 使用壽命長幾乎在沒有磨損的狀態(tài)下運行，因而可以達到較長的使用壽命。
3 、滾珠絲杠精度檢測
3． 1 滾珠絲杠位置誤差的產(chǎn)生
機床的每一根軸都是由伺服系統(tǒng)所驅(qū)動的，系統(tǒng)的組成是由伺服軸卡、伺服驅(qū)動器、伺服電機組成。它的主要作用是由伺服系統(tǒng)接受 NC 所發(fā)出的位置指令來驅(qū)動電機進行定位控制。加工中心 X、Y、Z 軸由滾珠絲杠傳動。通過伺服同步電機實現(xiàn)驅(qū)動。滾珠絲杠螺母副傳動過程存在反轉(zhuǎn)間隙，這種反轉(zhuǎn)間隙會造成工作臺反向時，電動機空轉(zhuǎn)而工作臺不動，使半閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生誤差和全閉環(huán)系統(tǒng)位置環(huán)振蕩不穩(wěn)定。滾珠絲杠磨損越大反向間隙遠大，振蕩越不穩(wěn)定。其稱為位置誤差。
3． 2 位置誤差檢測方法
－ Servo GuideERRC 表示驅(qū)動裝置的誤差值，因 ERRC = 進給速度/位置增益，故當進給一定時，ERRC 理論上一定。但由于絲杠、螺母副、軸承磨損，導致驅(qū)動裝置構件間約束發(fā)生變化，系統(tǒng)定位時，為達到準確定位，必須不斷進行調(diào)整，從而體現(xiàn)為機床某軸驅(qū)動裝置振動。機床位置增益設定值越高，相同進給速度下，ERRC 值越小，但同時要求機床驅(qū)動裝置剛度和約束越高。當機床驅(qū)動裝置剛度和約束無法與機床位置增益匹配時，振動發(fā)生。ERRC 曲線可作為表征絲杠狀態(tài)的一個指標。
3． 3 監(jiān)測圖形分析
通過對同一臺機床在同一進給不同 1825( 位置增益) 值下的監(jiān)控，可發(fā)現(xiàn)位置增益越小，機床 ER-RC 越大，但由于同時降低機床定位的敏感度，機床振動降低，ERRC 曲線的振幅降低。因此，可通過對驅(qū)動裝置的 ERRC 曲線進行定期收集，建立數(shù)據(jù)庫，通過大量數(shù)據(jù)的分析，對不同工位的驅(qū)動裝置狀態(tài)進行評估，以制定有效的預測性維修。
3． 4 滾珠絲杠位置誤差計算
滾珠絲杠傳動中位置誤差的計算及相關參數(shù)調(diào)整。No2021: 負載慣量，其值決定速度增益。速度增益 =［No2021 + 256 /256］ × 100No1825: 位置環(huán)增益，單位 0． 01 / S 誤差量 ( P)=［進給速度 /60 × 位置增益］ × 1 / 檢測單位No1826: 快速指令的到位寬度。No1827: 切削指令的到位寬度。到位: 定位結束。系統(tǒng)根據(jù)移動指令和反饋指令的差值的多少，來確定是否定位結束。位置偏差值存放在誤差寄存器中，其值可以通過診斷 DGN300 讀出。No1828: 移動中的誤差極限值，當誤差寄存器數(shù)值超過其值，ALM411 報警。No1829: 靜止時的誤差極限值，當誤差寄存器數(shù)值超過其值，ALM410 報警。
3． 5 Servo Guide 調(diào)整原則
1) 提高位置增益，可以改善系統(tǒng)的定位及加工精度，調(diào)整量以不使系統(tǒng)產(chǎn)生振動與過沖為前提，同時所有的差補軸的增益需保持一致。
2) 提高速度增益，可以改善電機的速度響應，提高加速能力，但過高的速度增益會使機床產(chǎn)生振動。
3) 振動出現(xiàn)時，可以在降低速度及位置增益之前使用轉(zhuǎn)矩指令濾波器進行調(diào)整，如因機床的機械剛性等原因不能產(chǎn)生效果后，可降低速度及位置增益。轉(zhuǎn)矩指令濾波器: 將輸出的轉(zhuǎn)矩指令中包含的高于設定頻率的共振頻率對應的轉(zhuǎn)距指令濾掉，以降低振動。
3． 6 驅(qū)動方面調(diào)整方法
手動設定降低位置增益參數(shù) 1825，同時增大移動過程誤差值參數(shù) 1828，可以改善絲杠定位產(chǎn)生振動，對帶有圓弧插補、曲線、倒角等加工差補軸的增益需保持一致。所有參數(shù)調(diào)整應以不影響加工精度、調(diào)整量為前提。手動設定完以上參數(shù)之后，系統(tǒng)的性能應有一定的提高。如果還達不到精度要求，只能從別的方面去考慮: 機床的機械部分，加工刀具、加工程序、加工速度、進給量、進刀方式、冷卻方式等。這些因素都會對加工效果產(chǎn)生影響。
3． 7 滾珠絲杠失效狀態(tài)識別
滾珠絲杠由于長期的運行產(chǎn)生磨損間隙，將直接影響加工中心的傳動精度及剛性。一般現(xiàn)象為反向間隙大、定位精度不穩(wěn)定、機床產(chǎn)生震動、螺母副卡滯、進給爬行等。系統(tǒng)及參數(shù)調(diào)整已經(jīng)超過調(diào)整量，加工精度不能滿足要求時基本可以判定該絲杠已失效。
4 、結束語
本設計主要對加工中心滾珠絲杠應用進行分析，基本的介紹了滾珠絲杠的結構類型和技術特點。通過這次技術應用讓我對自己的專業(yè)知識有了進一步的鞏固與提高，特別是對絲杠的選型，絲杠的精度檢測有了比較深刻的了解。
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