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加工中心滾珠絲杠的應用

2022-9-9 來源：上汽通用五菱（líng）汽車股份有限公司作者：鄧鈺耀，鍾世蓮，廖健竹

摘要: 滾（gǔn）珠絲杠是因滾動接（jiē）觸而起動摩擦極小、對輸入敏感而可（kě）以動作準確，所以可以精細控製微小運動。滑動螺（luó）絲是如軸向遊隙變（biàn）小就回轉也變重，但滾珠絲杠的鋼球與（yǔ）螺絲溝為點（diǎn）接（jiē）觸，因而即使預壓狀（zhuàng）態也能實現圓滑動作（zuò）。滾珠（zhū）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（zé）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遊（yóu）隙的狀態。滾珠絲杠是因對整個滾動部分的表麵上進行淬火硬化（huà）處（chù）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（men）應用螺杆來做傳動的曆史其實不算很長，傳統上的螺杆一直有定位不（bú）佳、易損害的（de）情況。直到1898 年，人們才首（shǒu）次嚐試將鋼珠置入螺帽及螺杆之間以（yǐ）滾動（dòng）摩擦取代滑動摩（mó）擦，來改善其定位不佳及易損害的（de）情況。1940 年更將滾珠螺杆置於在汽（qì）車轉向裝置上，更為（wéi）滾珠螺杆的應用上（shàng）的巨大革命，並（bìng）逐（zhú）漸取代傳統艾克姆螺（luó）杆( ACME) 。

直（zhí）到近年來，滾珠螺（luó）杆（gǎn）已成為產業（yè）界使（shǐ）用（yòng）最廣的零組件之一（yī）。

2、滾珠絲杠的類型、結構與技（jì）術特點

2． 1 滾珠絲杠的類型

根據加工製造方（fāng）法及精度的區別，目（mù）前市場上的滾珠絲杠機構主要有以下兩種類型: 磨製滾珠絲杠、軋製滾珠絲杠。滾珠的循環方式有循環導管式、循環器（qì）式、端（duān）蓋式（shì）。預壓方式有定位預壓 ( 雙螺母方式、位預壓方式) 、定壓預（yù）壓（yā）。可根據用途選擇適當類型。滾珠絲杠機構作為一種高（gāo）精度的傳（chuán）動部件，大量應用在數控機（jī）床、自動化加工中心（xīn）電子精（jīng）密（mì）機械進給機（jī）構、伺服機（jī）械手、工業裝配機器人（rén）、半導體生產設備、食品加工與包（bāo）裝、醫療設備等（děng）各種領域。

2． 2 滾珠絲杠的結構

如果將滾（gǔn）珠絲（sī）杠機構沿（yán）縱向剖開，可以（yǐ）看到它（tā）主要由絲杠、螺母、滾珠、滾珠回流管、防（fáng）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（jié）構組成

在圖 1 中，各部分結構的作用詳述如下:

( 1) 絲杠屬於轉動部（bù）件，是一種直線（xiàn）度非常高、上（shàng）麵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（sī）杠（gàng）具有很（hěn）高的硬度，通常在表麵淬火後再進（jìn）行磨削加工保證具有優（yōu）良的耐磨性（xìng）能。絲杠一（yī）般與驅動部件連接（jiē）在一起，絲杠的轉（zhuǎn）動由電機直接或間（jiān）接（jiē）驅動。既可以采用直聯的方法，即將電機輸出（chū）軸通過專用的彈性聯（lián）軸器與絲（sī）杠（gàng）相（xiàng）聯傳動比為（wéi）1; 也可（kě）以通過其他（tā）的傳動環節使電機輸出軸與絲杠相連（lián），例如同步帶、齒輪（lún）。

( 2) 螺（luó）母是用來固定需要移動的負載（zǎi）的，其作用類似於直線導軌機構的滑塊。一般將所需（xū）要移動的各種負載( 例（lì）如工作台、移動滑塊) 與螺母連接在一起，再在工作台或移（yí）動滑塊上安裝各種執行機構螺母內部加工有與（yǔ）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（liú）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於螺母。

( 3) 防塵片（piàn）的作用為防止外部汙染物進（jìn）入螺母（mǔ）內部。

由於（yú）滾珠絲杠機構屬於精密部件如果在使用時汙染物( 例如灰塵（chén）、碎屑、金（jīn）屬渣等) 進入螺母，可能會使滾（gǔn）珠絲杠運動副嚴重磨損，降低機構的（de）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，防止汙染物進入螺母。

( 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（xiàng）同的，滾珠作為（wéi）承載體（tǐ）的一（yī）部分，直接承受，同時又（yòu）作為中間傳動元件，以滾（gǔn）動的方式傳遞運動。由於以滾動方式運動，所以摩擦非常小。

( 5) 油孔（kǒng）滾珠絲杠機構運行時需要良好的潤滑，因此應定期加注潤（rùn）滑（huá）油（yóu）或潤滑脂。油孔供加潤滑油。

2． 3 滾（gǔn）珠絲杠有如下（xià）特（tè）點

( 1) 驅動扭（niǔ）矩小由於（yú）滾珠絲杠機（jī）構運行時滾珠沿絲杠與螺母共同組成的螺旋滾（gǔn）道作滾動運（yùn）動，運動阻力極小（xiǎo），驅動扭矩僅為螺紋絲杠機構的 1 /3 以下，隻需要很小的驅動功率。

( 2) 運動可逆滾珠絲杠機構（gòu）不僅（jǐn）可以將絲杠的旋（xuán）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（mǔ）的直線運動轉換為絲杠的旋轉運動。

( 3) 高精度滾（gǔn）珠絲杠機構在加工（gōng）、組裝、檢測等環節（jiē）都經過嚴格的控製，屬於高精度的傳動機構，加上運（yùn）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) 能微量進給由於滾珠絲杠機構中的滾珠（zhū）為滾動運動方式，啟動（dòng）扭矩極小（xiǎo），不（bú）會出現如滑動運動中容易出現的低速蠕動或爬行現象（xiàng），所以能（néng）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（zǎi）的方（fāng）向時，上述軸向間隙就成（chéng）為負載運（yùn）動（dòng）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（zhuàng）態下的運（yùn）動精度。

( 6) 能高速進給由於（yú）滾珠絲杠機構可以製造成較（jiào）大的導程，傳動效率（lǜ）高，發熱低，因而（ér）能實現高速進給。在保證低於滾珠絲杠機構臨界轉速（sù）的前提下，大導程滾珠（zhū）絲杠副可以（yǐ）實現 100m/min 甚至更高（gāo）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（sī）杠機構（gòu）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（méi）有磨損的狀態下運行，因而可以（yǐ）達到較長的使用壽命。

3 、滾珠絲杠精度檢測（cè）

3． 1 滾（gǔn）珠絲杠位（wèi）置（zhì）誤差的產生

機床的每一根軸都是由伺服係統所驅動的，係統的組（zǔ）成是由伺服軸卡、伺服驅動器、伺服電（diàn）機組（zǔ）成。它的主要作用是由伺服係統接受 NC 所（suǒ）發出的位（wèi）置指令來驅動電機進行（háng）定位控製。加工中心 X、Y、Z 軸由滾珠絲杠（gàng）傳動。通過伺服（fú）同步電機實現驅動（dòng）。滾珠絲（sī）杠螺母副傳（chuán）動過程存（cún）在反轉間隙，這種反轉（zhuǎn）間隙會造成工作台反向時，電動機空（kōng）轉而工作台不動，使半閉環係統產生誤差和全閉（bì）環係統位置環振蕩不穩定（dìng）。滾珠絲（sī）杠磨損（sǔn）越大反向間隙（xì）遠大（dà），振蕩越不穩定。其稱為位置誤差（chà）。

3． 2 位置誤差檢（jiǎn）測方法

－ Servo GuideERRC 表示驅動裝（zhuāng）置的誤（wù）差值，因 ERRC = 進給（gěi）速度/位置增益，故當進給一定時，ERRC 理論上一定。但由於絲杠、螺母副、軸（zhóu）承磨損，導致驅動裝置構件間約束發生變化，係統定位時，為達到準確定位，必須不斷進行調整，從而體現為機床某軸驅動裝置振（zhèn）動（dòng）。機床位置增益設定值越高，相同進給速（sù）度下，ERRC 值越小（xiǎo），但同時要求機床驅動裝置剛度和約束越高。當機（jī）床（chuáng）驅動裝置剛度和約束無法與機床位置增益匹配時，振動發生。ERRC 曲線（xiàn）可作為表征絲杠（gàng）狀態的一個指標。

3． 3 監測圖形分析

通過對同一台機床在同一進給不同 1825( 位置增益) 值（zhí）下的監（jiān）控，可發現位（wèi）置增益越小（xiǎo），機床 ER-RC 越大（dà），但由於同（tóng）時降低機床定（dìng）位的敏感度，機床振動降低，ERRC 曲線的振幅降低。因此，可通過對驅動裝置的 ERRC 曲線進行定期收集，建立數（shù）據庫，通過大量數據的分析，對不同工位的驅動裝置狀態進行評估（gū），以製定有效的預測（cè）性維修。

3． 4 滾珠絲（sī）杠（gàng）位置誤差計算

滾珠絲杠傳動中位（wèi）置誤差的（de）計算及相關參數調整。No2021: 負載慣量，其值決定速度增益。速度增益 =［No2021 + 256 /256］ × 100No1825: 位置環增益，單位 0． 01 / S 誤（wù）差量 ( P)=［進給速（sù）度 /60 × 位置增益］ × 1 / 檢測單位No1826: 快速指（zhǐ）令的（de）到位寬度。No1827: 切削指令的到位寬度。到位: 定位（wèi）結束。係統根據移動指令（lìng）和反饋指令的差值的（de）多少，來確定是否（fǒu）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（dú）出。No1828: 移動中的誤差極限值，當誤差寄存器數值（zhí）超過其值，ALM411 報警（jǐng）。No1829: 靜止時的誤差極限（xiàn）值（zhí），當誤差（chà）寄存器數值超過其值，ALM410 報警。

3． 5 Servo Guide 調整原則

1) 提（tí）高位置增益，可以改（gǎi）善係統的定位（wèi）及加（jiā）工精（jīng）度，調整量（liàng）以不使係統產生振（zhèn）動與過衝為前提，同時所有的差補軸的（de）增益需（xū）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（gāo）的速度增益會使機（jī）床（chuáng）產生振動。

3) 振動出現時，可以在降低速度及位置增益之前使用轉矩指令濾波器進行調整，如因機床的機械剛性等原因不能產生效果後，可降低速（sù）度及位置增益。轉矩指令濾波器: 將輸（shū）出的轉矩指令中包含的高於設定頻率的共振（zhèn）頻率對應的轉距指令（lìng）濾掉，以降低振（zhèn）動。

3． 6 驅動方麵調整方法（fǎ）

手動（dòng）設定降低（dī）位置增益參數 1825，同時增大移動過程誤（wù）差值（zhí）參數 1828，可（kě）以改善絲杠定位產生振動，對帶有圓弧插（chā）補、曲線、倒角等加工差補軸的增益需保持一致（zhì）。所有參數調整應以不影響加工精度、調整量為（wéi）前提。手動設定完以上參數之後，係統的性（xìng）能應有一定的提高。如果還達不到精度要求，隻（zhī）能從別的方麵去考慮: 機床的機械部分，加（jiā）工（gōng）刀具、加工程序、加工速度、進給量、進刀方式、冷卻方式等。這（zhè）些因素都會對（duì）加工效果產生影響。

3． 7 滾珠絲杠失效狀（zhuàng）態識別

滾珠（zhū）絲杠由於長期的運行產生磨損（sǔn）間隙，將直接影響加工中心的傳動（dòng）精度及剛性。一般現（xiàn）象為反向間隙大、定位精度不穩定、機床產生（shēng）震動、螺母副卡滯、進給爬行等。係統及參數調整已經超過調整量，加（jiā）工精度不能滿足要求時基（jī）本可以（yǐ）判定該絲（sī）杠已失效。

4 、結束語

本設計主要對（duì）加工中心（xīn）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（yòng）讓我對自己的專業知識有了進一步的鞏固（gù）與提高，特（tè）別是對（duì）絲杠的選型，絲杠的精度檢測有了比（bǐ）較深刻的了解。

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