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机床高速滚珠丝杠轴承副的研发和测试技术

发布时间：2012-12-04 浏览次数：678

作者：肖正义　焦洁
（北京机床研究所）

　　机床研究所高速滚珠丝杠副的结构设计及其需注意的事项。介绍了高速滚珠丝杠副的综台行程误差、预紧转矩以及高速驱动动态特性(定位精度、温升、速度、加速度)的测量。
　　关键词：滚珠丝轴承杠副；高速；定位精度；温升；速度；加速度；测量
　　现代制造技术的发展突飞猛进，一批又一批的高速数控机床应运而生。它不仅要求有性能卓越的高速主轴，而且也对进给系统提出了很高的要求：(1)Z大进给速度应达到40m/min或更高；(2)加速度要高，达到1g以上；(3)动态性能要好，达到较高的定位精度。
　　高速滚珠丝杠副是指能适应高速化要求(40m/min以上)、满足承载要求且能精密定位的滚珠丝杠副，是实现数控机床高速化首选的传动与定位部件。
　　北京机床研究所在承担“九五”国家重点科技攻关项目“高速滚珠丝杠副测试技术及装置的开发研究”时，对高速滚珠丝杠副的结构、性能、制造技术、测量技术等进行了研究，并取得了阶段性成果。该项研究成果荣获中国机械工业科学技术进步三等奖。
　　1　高速滚珠丝杠副轴承的结构设计
　　滚珠丝杠副的驱动速度V＝Ph×N(Ph为导程，N为丝杠转速)，因此提高驱动速度的途径有两条：其一是提高丝杠的转速，其二是采用大导程。提高转速N受d0·N值的制约(d0为滚珠丝杠的公称直径)。上一般d0·N≤70000。据日本NSK公司介绍：该公司已将d0·N值提高到153000。N增大时，d0必须减小，且过分提高转速会引起丝杠发热、共振等问题；d0太小也会造成系统刚性差、易变形、影响加工精度，且目前伺服电动机的Z高转速仅到4000r/min。导程Ph过大时，不仅增加了滚珠丝杠副的制造难度，精度难以提高，降低了丝杠副承载，而且也增加了伺服电动机的起动力矩。因此，设计高速滚珠丝杠副时要合理选择丝杠副的转速N、公称直径d0与导程Ph。
　　数控机床常用的滚珠丝杠副结构为：外循环插管式、内循环反向器式。由于高速滚珠丝杠副的导程较大，如用内循环结构，反向器尺寸较长，承载的钢球数减少，且钢球高速时流畅性差，是不适合的；而外循环插管式结构简单，承载能力大，不受导程的限制。因此，被选作高速滚珠丝杠副的结构。
　　外循环滚珠丝杠副预紧方式主要有三种：增大钢球直径、变位导程和垫片。各预紧方式的特点见表1。

表1 外循环滚珠丝杠副的预紧方式

　　根据高速滚珠丝杠副的特点，选用单螺母变位导程预紧结构比较合适。但在结构设计时，应注意以下几点：(1)导程的选择。为了提高丝杠副驱动速度，一般需增大丝杠副导程，常用丝杠副导程取丝杠直径的1/3—1/2。(2)为了增加承载，选用多头螺纹，以提高丝杠副承载能力。(3)滚珠丝杠副在高速时产生的噪声主要来自钢球在导珠管进出口(见图1P、P''点)处的碰撞。
　　因此，在循环过程中钢球的反向点设计是非常重要的(见图1)，要合理选取反向角αo。

图1 钢球反向点示意图

　　2　高速滚珠丝杠副的测试技术
　　测量和制造是密不可分的，没有测量，产品质量就没有保证。北京机床研究所白研究生产丝杠开始，就着手研制丝杠测量仪器。并先后研制成功了“JCS—014两米激光滚珠丝杠导程误差测量（以下简称JCS-014）”、“JCS—040三米激光滚珠丝杠副行程误差测量仪(以下简称JCS—040)”、“LJYl0滚珠丝杠副动态预紧转矩测量仪(以下简称LJYl0)”。这些仪器均采用了高精度的传感器和现代化的测试手段。其数据处理遵循的标准是：GB/T17587.3—1998滚珠丝杠副验收条件及验收检验。国内丝杠生产厂家主要使用以上仪器。北京机床所生产的滚珠丝杠副都是在这些仪器上进行检测的。通过对测量结果进行分析，提出质量反馈意见，促进建立稳定可靠的工艺系统，从而提高产品质量和生产率。北京机床所出口的滚珠丝杠副检测结果也得到了国外有关公司的认可。
　　为了对滚珠丝杠副进行高速试验，北京机床所专门研制成功了GSZ2000高速滚珠丝杠副综合测试装置(见图2)。用于测量滚珠丝杠副在高速时的性能—定位精度、噪声和温升，测量丝杠Z大长度为2200mm，工作台移动速度可达60m/min以上。该测试装置配置日本三菱公司的高分辨率的单轴数控系统，其中交流伺服电动机额定功率为2kw，额定转速为3000r/min，电动机端编码器输出的脉冲数为100000/r。

图2 GSZ2000传动系统示意图

　　采用了德国HEIDENHAIN精密长光栅副作为定位精度的测量基准，其测量分辨率为0.2μm；采用6个PN结温度传感器，分别测量螺母、丝杠、前轴承座、后轴承座、光栅和空气的温度，其测量分辨率为0.1℃；采用智能声级计测量滚珠丝杠副噪声的声压级，其测量分辨率为0.5dB。
　　下面介绍高速试验情况，被测滚珠丝杠剔的参数见表2。在“JCS—040”上测量结果见图3，在“LJY10”上测量结果见图4。

表2 被测滚珠丝杠副参数

图3 滚珠丝杠副行程误差曲线与数据

图4 滚珠丝杠福预紧转矩曲线与数据

　　(1)动态测试
　　利用GSz2000装置上的长光栅传感器进行动态采数，可以检查运动速度的平稳性及加速度的跃升与过冲(参见图5、6)。设△S为在时间△t内位移的变化量，则：运动的速度V＝△S/△t，加速度α＝△V/△t，这里取△t＝1/640S。

图5 在指数运动方式下的速度与时间关系

图6 在指数运动方式下的速度与时间关系

　　(2)定位精度测量
　　对高速滚珠丝杠副定位精度评价的标准是：GB/T17421．2—2000在表3的测试条件下，测量结果见表4和图7。

表3 测试条件

表4 定位精度的测量结果

图7 定位精度曲线

　　(3)温升测试
　　测量结果见图8、9。

开始测量时，环境温度为14℃

图8 移动速度60/min时各分布测点的温度曲线

开始测量时，环境温度为12℃

图9 在不同温度下滚珠丝杠的温度曲线

　　3　总结NSK机床主轴轴承
　　通过对告诉试验与研究分析，我们对滚滚珠丝杠副在告诉时的定位精度、加速度、温升、振动和噪声等有了进一步的了解。并根据这些测试结果对高速滚珠丝杠副的结构及工艺进行了改进，取得了一定的效果。目前试制的滚珠丝杠副的d0.N值可达120000，快移速度可达60m/min，加速度可达1g。其中规格为：直径￠40mm、导程16mm的滚珠丝杠副已被应用到我所生产的KT1300V立式加工中心上，其快移速度达48m/min时，定位精度也能满足数控机床的要求。