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滚珠丝杠副的历史和趋势

2011-03-19 19:46:52 王工 shbanshun.com

    滚珠丝杠副早在19世纪末就已经被发明了,但受制于当时的制造水平,相当一段时间内未能实际应用。美国是世界上第一个将滚珠丝杠副应用于工业 产品的国家,1940年滚珠丝杠副被应用于美国通用汽车公司萨吉诺分厂的汽车转向机构。我国在1950’年代末期开始研制用于数控机床的滚珠丝杠副,并于1964年由南京工艺装备制造厂成功生产出我国第一套滚珠丝杠副。随着数控机床和各种自动化设备的发展,滚珠丝杠副的需求迅速增加,研究和生产也得到了很大的促进,特别是精密螺纹磨床的出现, 使滚珠丝杠副在精度和性能上得到了较大的飞跃。从1950’年代开始,专业的滚珠丝杠副生产厂家开始在工业发达的国家中大量出现。

    由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点,现在滚珠丝杠副已经被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域,并已成为机械传动与定 位的首选部件。与此同时,伴随这滚珠丝杠副的应用领域的扩大,对滚珠丝杠副的要求也越来越多,滚珠丝杠副除了经典规格的加工工艺得到不断进步外,在多个特定方向上也有 了很大发展,主要在以下几方面:
微型滚珠丝杠副——在一些要求结构非常紧凑需要微动控制的场合,如航天航空领域、小型精密测试装置、精密仪器等,它们基本上都需要公称直径d0<12mm,导程Ph=0.5~2.5mm 的微型滚珠丝杠副。在电子器件生产线插件装置、小型机器人等需要高速驱动的领域,也需要微型滚珠丝杠副,甚至还要求导程很大。
大导程滚珠丝杠副——在机械产品向高速化发展的过程中,对进给驱动速度的要求不断提高,大导程滚珠丝杠副自然成为最便捷的选择。如工业机器人、数控锻压机械、加工中心 及机电一体化自动机械等,它们甚至需要导程等于公称直径的大导程滚珠丝杠副。
重载滚珠丝杠副——随着重型机床数控化、注塑机械电控化的不断扩大,重载滚珠丝杠自然应运而生。重载滚珠丝杠副的出现,使得一些之前只有通过液压实现的大推力传动系统 电气化成为现实,既减少了能源品种,又提高了控制精度。

    现国内外文献上对滚珠丝杠副还没有统一的分类,但各国一般按公称直径和导程分为:
普通滚珠丝杠副——通常指公称直径d0=16~100mm,导程Ph=4~20mm,螺旋升角<9°的滚珠丝杠副。
微型滚珠丝杠副——指公称直径d0<12mm的滚珠丝杠副,其中对于导程Ph<3mm的滚珠丝杠副称为微型小导程滚珠丝杠副,螺旋升角>9°的滚珠丝杠副称为微型大导程滚珠丝杠副。
大导程滚珠丝杠副——指公称直径d0>16mm,螺旋升角>9°或导程Ph=d0的滚珠丝杠副,对于螺旋升角>17°则称为超大导程滚珠丝杠副。
重型滚珠丝杠副——指公称直径d0>120mm的滚珠丝杠副。

    滚珠丝杠副的循环结构,主要有:内循环结构、外循环结构、端盖结构、回珠槽结构等。其中,内循环结构(以圆形反向器和椭圆形反向器为代表)和 外循环结构(以插管为代表)两种占绝对多数,以至于经常用这两种结构来描述所有滚珠丝杠副的结构形式。内循环结构和外循环结构在性能上没有本质区别,但外形和连接尺寸不 同:内循环类的滚珠丝杠副安装连接尺寸小(应用最为广泛,并在继续扩大份额);外循环类的滚珠丝杠副安装连接尺寸一般比同规格的内循环滚珠丝杠副大。内循环结构的反向器 形状有多种多样,常用的主要是圆形和椭圆形。由于圆形反向器具有浮动自适应功能,也称浮动式内循环反向器,在流畅性上优于椭圆形结构,而椭圆形结构制造相对比较简单, 因此该两种形式已成主流。

    在数控补偿技术出现前的很长时间里,要提高机构定位精度,主要通过提高滚珠丝杠副的精度来实现,因此,对滚珠丝杠的导程误差要求很高,给滚 珠丝杠副的制造带来困难,使滚珠丝杠副的生产成本加大。特别是高精度滚珠丝杠副,各项精度指标只有通过数控螺纹磨床或激光反馈螺纹磨床多次加工才能达到。随着数控补偿 技术的出现,在没有很高精度的滚珠丝杠副的情况下,也能通过数控补偿获得高的定位精度。从而给滚珠丝杠的加工工艺争取了空间,使冷轧工艺成为继旋磨工艺之后又一个被广 泛采用的加工手段。

    为了适应数控补偿技术的要求,国际标准ISO3408-3-1992以及国家标准GB/T17587.3—1998都对滚珠丝杠副的行程变动量作了要求,如有效行程内行 程变动量、任意300mm行程内行程变动量、2π弧度内行程变动量等。其目的就是要控制滚珠丝杠副行程误差的平滑性,为数控误差补偿创造条件。除此之外,滚珠丝杠副阻尼的大 小及其变动在高精密设备中也成为影响定位精度的重要因素,为了使机械产品实现高的定位精度,传动平稳性已然不可回避,这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度,而且须运转平 稳,无阻滞(业内也称“打顿”)现象。滚珠丝杠副运转是否平稳,主要取决于滚珠丝杠副预紧转矩的变动量和丝杠导程的一致性,转速不同,滚珠丝杠副的滚珠链运动的流畅性 不同,滚珠丝杠副的预紧转矩也不相同。另外,加工误差,如:滚珠丝杠中径尺寸全长不一致,丝杠、螺母的导程误差,丝杠与螺母的滚道齿形误差以及螺纹滚道的粗糙度等,也影 响滚珠丝杠副的动态预紧转矩的大小,从而影响驱动系统的平稳性,进而影响滚珠丝杠副的定位精度。因此,滚珠丝杠副预紧转矩变动量的大小是反映滚珠丝杠副性能好坏的重要 指标。滚珠丝杠副预紧转矩通常是在转速为100r/min匀速转动的状态下测得的,其允差详见南京传动技术研究所网站的“滚珠丝杠副的验收条件”栏目。

    随着数控机床的发展,直线电机和直选运动模组(单元)也已出现,快速进给速度甚至可以达到160m/min以上,加速度达4g以上,成为传动家族的新 选项。但由于直线电机和直选运动模组价格昂贵,控制系统复杂,规格受限及发热大等缺点,在今后一段时间难以普及。因此滚珠丝杠副依然是精密传动领域的最优先选择。作为 系列化的传动单元,合理选用滚珠丝杠副意义重大


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