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滾珠絲杠副的發(fā)展趨勢(shì)

早在19世紀(jì)末就發(fā)明了滾珠絲杠副，但很長(zhǎng)一段時(shí)間未能實(shí)際應(yīng)用，因制造難度太大。世界上第一個(gè)使用滾珠絲杠副的是美國(guó)通用汽車(chē)公司薩吉諾分廠，它將滾珠絲杠副用于汽車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上。1940年，美國(guó)開(kāi)始成批生產(chǎn)用于汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的滾珠絲副，1943年，滾珠絲杠副開(kāi)始用于飛機(jī)上。精密螺紋磨床的出現(xiàn)使?jié)L珠絲杠副在精度和性能上產(chǎn)生了較大的飛躍，隨著數(shù)控機(jī)床和各種自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展，促進(jìn)了滾珠絲杠副的研究和生產(chǎn)。從50年代開(kāi)始，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中，滾珠絲杠副生產(chǎn)廠家如雨后春筍般迅速出現(xiàn)，例如：美國(guó)的WARNER-BEAVER公司、GM－SAGINAW公司；英國(guó)的ROTAX公司；日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。我國(guó)早在50年代末期開(kāi)始研制用于程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床的滾珠絲杠副。40多年來(lái)，由于滾珠絲杠副具有高效率、高精度、高剛度等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航天、航空、核工業(yè)等領(lǐng)域?，F(xiàn)在，滾珠絲杠副已成為機(jī)械傳動(dòng)與定位的首選部件。滾珠絲杠副的發(fā)展主要在以下幾方面。

1 滾珠絲杠副的種類(lèi)

由于滾珠絲杠副的使用不斷普及，使用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)滾珠絲杠副的要求也越來(lái)越多，普通規(guī)格的滾珠絲杠副已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了使用要求，如航天航空領(lǐng)域、小型精密測(cè)試裝置、電子儀器以及半導(dǎo)體裝置等基本上都需要公稱(chēng)直徑d0≤12mm，導(dǎo)程Ph=0.5～2.5 mm的微型滾珠絲杠副。日本NSK公司已開(kāi)發(fā)出公稱(chēng)直徑d0=4mm，導(dǎo)程Ph=0.5mm的世界最小導(dǎo)程微型滾珠絲杠副。半導(dǎo)體插件裝置、小型機(jī)器人等需要微型大導(dǎo)程滾珠絲杠副，以滿(mǎn)足高速驅(qū)動(dòng)要求。

隨著機(jī)械產(chǎn)品向高速、高效、自動(dòng)化方向發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控鍛壓機(jī)械、加工中心以及機(jī)電一體化自動(dòng)機(jī)械等，其進(jìn)給驅(qū)動(dòng)速度不斷提高，大導(dǎo)程滾珠絲杠副的出現(xiàn)，滿(mǎn)足了高速化的要求。日本NSK公司已開(kāi)發(fā)出公稱(chēng)直徑×導(dǎo)程為：15mm×40mm、16mm×50mm、20mm×60mm、25mm×80mm超大導(dǎo)程滾珠絲杠副，快速進(jìn)給速度達(dá)180m/min。

滾珠絲杠副按照常規(guī)分類(lèi)如圖1。

圖1 滾珠絲杠副分類(lèi)

現(xiàn)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)上對(duì)滾珠絲杠副還沒(méi)有統(tǒng)一的分類(lèi)，但各國(guó)一般是按以下原則進(jìn)行分類(lèi)的，普通滾珠絲杠副一般指公稱(chēng)直徑d0=16～100mm，導(dǎo)程Ph=4～20mm，螺旋升角φ＜9°。

微型滾珠絲杠副指公稱(chēng)直徑d0≤12mm的滾珠絲杠副。對(duì)于導(dǎo)程Ph≤3mm的滾珠絲杠副稱(chēng)為微型小導(dǎo)程滾珠絲杠副，螺旋升角φ＞9°的滾珠絲杠副稱(chēng)為微型大導(dǎo)程滾珠絲杠副。

大導(dǎo)程滾珠絲杠副指公稱(chēng)直徑d0≥16mm，螺旋升角17°≥φ＞9°或?qū)С蘢0≤Ph≤d0的滾珠絲杠副，對(duì)于螺旋升角φ＞17°稱(chēng)為超大導(dǎo)程滾珠絲杠副。

重型滾珠絲杠副指公稱(chēng)直徑d0≥125mm的滾珠絲杠副。

2 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)

滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)分為內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)(以圓形反向器和橢圓形反向器為代表)和外循環(huán)結(jié)構(gòu)(以插管為代表)兩種。這兩種結(jié)構(gòu)也是最常用的結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)性能沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，只是內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)安裝連接尺寸??；外循環(huán)結(jié)構(gòu)安裝連接尺寸大。目前，滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)已有10多種，但比較常用的主要有(圖2，附表)：內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)；外循環(huán)結(jié)構(gòu)；端蓋結(jié)構(gòu)；蓋板結(jié)構(gòu)。

圖2 滾珠絲杠副主要結(jié)構(gòu)

內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)反向器的形狀有多種多樣，但是，常用的外形就是圓形和橢圓形。由于圓形滾珠反向通道較短，因此，在流暢性上不如橢圓形結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，最好的反向器結(jié)構(gòu)為橢圓形內(nèi)通道結(jié)構(gòu)，由于滾珠反向不通過(guò)絲杠齒頂，類(lèi)似外循環(huán)結(jié)構(gòu)，因此，消除了絲杠齒頂?shù)菇钦`差給滾珠反向帶來(lái)的影響。但由于制造工藝較復(fù)雜，影響了這種結(jié)構(gòu)的推廣。

附表滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較

種類(lèi)	特點(diǎn)	循環(huán)圈數(shù)		螺母尺寸
種類(lèi)	特點(diǎn)	圈數(shù)	列數(shù)	螺母尺寸
內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)	通過(guò)反向器組成滾珠循環(huán)回路，每一個(gè)反向器組成1圈滾珠鏈。因此承載小。適應(yīng)于微型滾珠絲杠副與普通滾珠絲杠副。	1	2列以上	小
外循環(huán)結(jié)構(gòu)	通過(guò)插管組成滾珠循環(huán)回路，每一個(gè)插管至少1.5圈滾珠鏈，因此，承載大。適應(yīng)于小導(dǎo)程、一般導(dǎo)程、大導(dǎo)程與重型滾珠絲杠副。	1.5以上	1列以上	大
端蓋結(jié)構(gòu)	通過(guò)螺母兩端的端蓋組成滾珠循環(huán)回路，每個(gè)回路至少1圈滾珠鏈，承載大。適應(yīng)于多頭大導(dǎo)程、超大導(dǎo)程滾珠絲杠副。	1以上	2列以上	小
蓋板結(jié)構(gòu)	通過(guò)蓋板組成滾珠循環(huán)回路，每個(gè)螺母一個(gè)蓋板，每個(gè)蓋板組成至少1.5圈滾珠鏈。適應(yīng)于微型滾珠絲杠副。	1.5以上	1	中

3 滾珠絲杠副精度

過(guò)去，為了獲得高的定位精度，主要通過(guò)提高滾珠絲杠副本身的精度來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，對(duì)滾珠絲杠的導(dǎo)程累積誤差要求很高，給滾珠絲杠副的制造帶來(lái)困難，使?jié)L珠絲杠副的生產(chǎn)成本加大。特別是高精度滾珠絲杠副，只有通過(guò)數(shù)控螺紋磨床或激光反饋螺紋磨床加工才能達(dá)到。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們掌握了數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)，因而，不需要很高精度的滾珠絲杠副，也能獲得高的定位精度。為了適應(yīng)數(shù)控補(bǔ)償技術(shù)的要求，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3408-3-1992以及部頒標(biāo)準(zhǔn)JB3162.2-92都對(duì)滾珠絲杠副的行程變動(dòng)量作了要求，如有效行程內(nèi)行程變動(dòng)量、任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng)量、2π弧度內(nèi)行程變動(dòng)量。其目的就是要控制滾珠絲杠副行程誤差的直線性，也即滾珠絲杠副行程誤差線性化。為數(shù)控誤差補(bǔ)償創(chuàng)造條件。

4 滾珠絲杠副性能

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)滾珠絲杠副的要求也越來(lái)越高，為使機(jī)械產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)高的定位精度且能平穩(wěn)運(yùn)行，這就要求滾珠絲杠副不但有高的精度，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)阻滯現(xiàn)象。滾珠絲杠副運(yùn)轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)，主要取決于滾珠絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)量，不同轉(zhuǎn)速下滾珠絲杠副的滾珠鏈運(yùn)動(dòng)的流暢性不同，因此，滾珠絲杠副的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩也不相同。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3408－3－1992以及部頒標(biāo)準(zhǔn)JB3162.2－92規(guī)定了在轉(zhuǎn)速為100r/min時(shí)，滾珠絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的允差。

由于存在加工誤差，如：滾珠絲杠中徑尺寸全長(zhǎng)不一致，絲杠、螺母的導(dǎo)程誤差，絲杠與螺母的滾道齒形誤差以及螺紋滾道的粗糙度等，使?jié)L珠絲杠副的動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩在絲杠螺紋全長(zhǎng)上是不恒定的，這直接影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性，因而也影響滾珠絲副的定位精度。因此，滾珠絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩變動(dòng)量的大小是反映滾珠絲杠副性能好壞的重要指標(biāo)。
近幾年來(lái)，人們對(duì)滾珠絲杠副的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩變動(dòng)量的大小開(kāi)始重視起來(lái)，以前人們只重視滾珠絲杠副綜合行程誤差曲線，現(xiàn)在也開(kāi)始重視滾珠絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的曲線。因?yàn)橛辛诉@兩條曲線，滾珠絲杠副的性能就能很好地反映出來(lái)。

為了滿(mǎn)足上述要求，北京機(jī)床研究所先后研制了滾珠絲杠副綜合行程誤差測(cè)量?jī)x和預(yù)緊轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x。應(yīng)用現(xiàn)代化的測(cè)量手段和高精度的傳感器，在測(cè)量過(guò)程中能實(shí)時(shí)顯示行程誤差曲線和預(yù)緊轉(zhuǎn)矩曲線，并打印出完整的測(cè)量報(bào)告，為衡量滾珠絲杠副的總成質(zhì)量，提供了可靠的檢測(cè)手段。

隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，“高速、高效”成為各廠家追求的目標(biāo)，對(duì)于高速驅(qū)動(dòng)與定位部件，國(guó)外已有直線電動(dòng)機(jī)問(wèn)世，開(kāi)始用于加工中心，快速進(jìn)給速度達(dá)到160m/min以上，加速度達(dá)4g以上，向滾珠絲杠副提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。但由于直線電動(dòng)機(jī)存在價(jià)格昂貴、控制系統(tǒng)復(fù)雜、需采取措施解決磁鐵吸引金屬切屑、強(qiáng)磁對(duì)人身危害以及發(fā)熱等缺點(diǎn)，在近一段時(shí)間很難得到普及。滾珠絲杠副仍是現(xiàn)在高速驅(qū)動(dòng)的最優(yōu)先選擇，國(guó)外大部分高速加工中心仍使用滾珠絲杠副。為了達(dá)到高速驅(qū)動(dòng)目的，設(shè)計(jì)時(shí)在提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4000r/min)的同時(shí)，使用大導(dǎo)程滾珠絲杠副，導(dǎo)程可達(dá)32mm。如日本馬扎克公司在FF660機(jī)床上使用滾珠絲杠副，機(jī)床快速移動(dòng)速度達(dá)90m/min，加速度達(dá)1.5g。

從前，擔(dān)心大導(dǎo)程滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)對(duì)加工中心精度的影響，設(shè)計(jì)時(shí)取導(dǎo)程Ph≤10mm。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，從1999年日本國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上可看出，設(shè)計(jì)與研究現(xiàn)在大部分高速加工中心都使用大導(dǎo)程滾珠絲杠副。

滾珠絲杠副在高速驅(qū)動(dòng)時(shí)主要存在的問(wèn)題是：噪聲、溫升、精度。滾珠絲杠副噪聲產(chǎn)生的原因主要有：滾珠在循環(huán)回路中的流暢性、滾珠之間的碰撞、滾道的粗糙度、絲杠的彎曲等。滾珠絲杠副的溫升主要是由滾珠與絲杠、螺母、反向器之間的摩擦及滾珠之間的摩擦產(chǎn)生的。要解決上述問(wèn)題首先應(yīng)從滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)始，對(duì)存在的問(wèn)題采取措施；另一方面，從工藝上解決，通過(guò)合理的工藝流程，提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量；選取適當(dāng)?shù)臐L珠絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩；減小滾珠絲杠副的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)量，使?jié)L珠絲杠副適應(yīng)高速驅(qū)動(dòng)的要求。

總之，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，用戶(hù)對(duì)滾珠絲杠副的要求越來(lái)越嚴(yán)，要求也多樣化，促使?jié)L珠絲杠生產(chǎn)廠不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量、開(kāi)發(fā)新品種，以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

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