加工中心滾珠絲杠的應用
2021-12-9 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，因而即使預壓狀態也能實現圓滑動作。滾珠絲杠是通過選擇各種厚度的墊片，可以精細調整對兩個螺母的預壓，選擇適當的預壓容易得到高鋼性。另外，選擇單螺母就可以實現無游隙的狀態。滾珠絲杠是因對整個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，并逐漸取代傳統艾克姆螺桿( ACME) 。直到近年來，滾珠螺桿已成為產業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
根據加工制造方法及精度的區別，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。
滾珠的循環方式有循環導管式、循環器式、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、工業裝配機器人、半導體生產設備、食品加工與包裝、醫療設備等各種領域。
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良的耐磨性能。絲杠一般與驅動部件連接在一起，絲杠的轉動由電機直接或間接驅動。既可以采用直聯的方法，即將電機輸出軸通過專用的彈性聯軸器與絲杠相聯傳動比為 1; 也可以通過其他的傳動環節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行機構螺母內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，可能會使滾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，驅動扭矩僅為螺紋絲杠機構的 1 /3 以下，只需要很小的驅動功率。
( 2) 運動可逆
滾珠絲杠機構不僅可以將絲杠的旋轉運動轉換為螺母( 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換為絲杠的旋轉運動。
( 3) 高精度
滾珠絲杠機構在加工、組裝、檢測等環節都經過嚴格的控制，屬于高精度的傳動機構，加上運行時發熱較少，可以實現很高的傳動精度，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，不會出現如滑動運動中容易出現的低速蠕動或爬行現象，所以能實現高精度微量進給，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，發熱低，因而能實現高速進給。在保證低于滾珠絲杠機構臨界轉速的前提下，大導程滾珠絲杠副可以實現 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生
機床的每一根軸都是由伺服系統所驅動的，系統的組成是由伺服軸卡、伺服驅動器、伺服電機組成。它的主要作用是由伺服系統接受 NC 所發出的位置指令來驅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驅動。滾珠絲杠螺母副傳動過程存在反轉間隙，這種反轉間隙會造成工作臺反向時，電動機空轉而工作臺不動，使半閉環系統產生誤差和全閉環系統位置環振蕩不穩定。滾珠絲杠磨損越大反向間隙遠大，振蕩越不穩定。其稱為位置誤差。
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