一種新型滾珠絲杠傳動(dòng)方式在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙 雷

（沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110142）

滾珠絲杠是機(jī)械設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的傳動(dòng)元件，主要用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，具有高效快速、高精度、高剛性以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。目前，基于滾珠絲杠設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由絲杠部分旋轉(zhuǎn)，通過(guò)在絲母內(nèi)部通道的滾珠帶動(dòng)絲母部分直線運(yùn)動(dòng)，從而完成直線傳動(dòng)的過(guò)程。當(dāng)直線傳動(dòng)的行程較長(zhǎng)時(shí)，這種傳動(dòng)方式存在一定的弊端。這是因?yàn)殡S著絲杠長(zhǎng)度的增加，自身重力變大，在傳動(dòng)過(guò)程中絲杠的彎曲變形也會(huì)隨之變大，同時(shí)使絲杠產(chǎn)生比較嚴(yán)重的的振動(dòng)，導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作精度降低，剛性和傳動(dòng)穩(wěn)定性變差。另外，由于絲杠重力的增加，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也會(huì)變大，會(huì)增加整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載，增加驅(qū)動(dòng)元件的負(fù)擔(dān)，引起多余的能耗和發(fā)熱[2]。因此，設(shè)計(jì)大行程滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要一種結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、運(yùn)行更可靠的傳動(dòng)方式。

本文討論的基于滾珠絲杠的直線傳動(dòng)方式，以滾珠絲杠及相關(guān)部件為主體，采用絲杠固定、絲母旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式完成傳動(dòng)過(guò)程。這種傳動(dòng)方式可以有效提高大行程滾珠絲杠傳動(dòng)的精度、剛性以及穩(wěn)定性，能夠更好地適用在需要大行程滾珠絲杠傳動(dòng)的場(chǎng)合。

1 絲杠固定傳動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)原理和特點(diǎn)

1.1 絲杠固定傳動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)說(shuō)明

絲杠固定的傳動(dòng)方式主要由滾珠絲杠、固定元件、移動(dòng)元件以及驅(qū)動(dòng)元件等組成。其中，絲杠部分與固定部件固定連接，絲母部分與移動(dòng)部件固定連接，驅(qū)動(dòng)元件和絲母相連。工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)元件帶動(dòng)絲母做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)絲母內(nèi)部滾珠的移動(dòng)，使絲杠和絲母產(chǎn)生相對(duì)位移。在絲杠固定的情況下，絲母相對(duì)絲杠產(chǎn)生直線相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成傳動(dòng)過(guò)程。

1.2 絲杠固定傳動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.2.1 絲杠固定傳動(dòng)方式的受力特點(diǎn)

對(duì)于絲杠固定傳動(dòng)方式，在傳動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)元件與絲母部分連接，且與絲母同步相對(duì)絲杠部分做直線運(yùn)動(dòng)。絲杠采用固定安裝，因此受到的旋轉(zhuǎn)力矩較小。

1.2.2 絲杠固定傳動(dòng)方式的安裝特點(diǎn)

因?yàn)榻z杠固定傳動(dòng)方式在傳動(dòng)過(guò)程中絲杠是固定不動(dòng)的，而是絲母旋轉(zhuǎn)，所以在安裝整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，絲杠兩端不是用軸承和軸承座的結(jié)構(gòu)做絲杠的徑向支撐，而是需要在絲杠的兩端采用固定絲杠的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的方式進(jìn)行安裝固定。因此，一般采用定位銷卡住絲杠的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，或者采用定位鍵將絲杠軸向固定，完成整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的安裝。

1.2.3 絲杠固定傳動(dòng)方式的潤(rùn)滑特點(diǎn)

絲杠固定傳動(dòng)方式中絲母部分是旋轉(zhuǎn)的。如果采用傳統(tǒng)向絲母潤(rùn)滑孔注入潤(rùn)滑液的方式潤(rùn)滑，潤(rùn)滑管路會(huì)纏繞在絲母上，影響絲母的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法傳動(dòng)[3]。絲杠固定傳動(dòng)方式一般采用特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行潤(rùn)滑，即在絲母部分安裝配油環(huán)潤(rùn)滑，通過(guò)向相對(duì)絲母固定的配油環(huán)注入潤(rùn)滑油完成整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的潤(rùn)滑?；蛘甙惭b相對(duì)絲杠直線運(yùn)動(dòng)油刷，向油刷注入潤(rùn)滑油，再利用油刷相對(duì)絲杠的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑。

1.3 絲杠固定傳動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)

綜合絲杠固定傳動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，相比傳統(tǒng)的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)方式，它的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在大行程時(shí)具有諸多優(yōu)勢(shì)。

1.3.1 可以實(shí)現(xiàn)大行程高速傳動(dòng)進(jìn)給

絲杠固定傳動(dòng)方式將絲杠部分固定，使絲杠在傳動(dòng)過(guò)程中對(duì)慣性力和不平衡的影響較小。即使是傳動(dòng)行程較大，它也能實(shí)現(xiàn)高速傳動(dòng)，并且減輕驅(qū)動(dòng)元件的負(fù)擔(dān)[4]。

1.3.2 傳動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定

與傳統(tǒng)絲杠旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式相比，因?yàn)榻z母旋轉(zhuǎn)絲杠固定，所以它能夠獲得更加平滑穩(wěn)定的傳動(dòng)過(guò)程。絲杠運(yùn)行不會(huì)發(fā)生跳動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)運(yùn)行噪聲小，發(fā)熱量低。

1.3.3 傳動(dòng)精度高

絲杠固定傳動(dòng)方式減小了絲杠在傳動(dòng)過(guò)程中由于自身轉(zhuǎn)動(dòng)引起的振動(dòng)，大大提高了整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度。

1.3.4 傳動(dòng)的高剛性

與傳統(tǒng)的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)方式相比，絲杠固定傳動(dòng)方式絲杠固定安裝，絲母用軸承固定，使得支撐軸承較大，大幅提高了軸向剛性。

1.3.5 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理絲杠固定傳動(dòng)方式中絲母與支撐軸承安裝在一起，使得整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，更容易調(diào)整精度[5]。

2 絲杠固定傳動(dòng)方式的應(yīng)用舉例

2.1 應(yīng)用舉例條件說(shuō)明

某大型臥式車床產(chǎn)品坐標(biāo)軸Z軸行程為3 000 mm，快速移動(dòng)速度為40 m·min-1，定位精度為0.010 0 mm，重復(fù)定位精度為0.008 0 mm。按照上述需求，該機(jī)床產(chǎn)品Z軸選擇用日本THK廠家型號(hào)為DKN8020S型的滾珠絲杠產(chǎn)品。該滾珠絲杠產(chǎn)品直徑為80 mm，導(dǎo)程為20 mm。該臥式車床產(chǎn)品的Z軸行程較長(zhǎng)，所選滾珠絲杠的直徑較大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也比較大。如果采取絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的傳統(tǒng)傳動(dòng)方式，在傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)易引起絲杠振動(dòng)，導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，影響整個(gè)Z軸的傳動(dòng)精度，也會(huì)增加Z軸驅(qū)動(dòng)元件的負(fù)擔(dān)。因此，初步判斷這種情況比使用絲杠固定傳動(dòng)方式較適合。

2.2 采用絲杠固定傳動(dòng)方式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)

利用絲杠固定傳動(dòng)方式為該機(jī)床產(chǎn)品Z軸設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)主要由絲杠1、床鞍2、絲母3、軸承4、固定軸套5、潤(rùn)滑支架6、驅(qū)動(dòng)帶輪7、油刷8、軸承座9以及床身10等元件構(gòu)成。其中：滾珠絲杠的絲杠1與機(jī)床床身10固定連接；滾珠絲杠的絲母3通過(guò)軸承4與固定軸套5固定連接；固定軸套5與機(jī)床床鞍2固定連接；絲母3與驅(qū)動(dòng)帶輪7連接，驅(qū)動(dòng)帶輪7連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)；潤(rùn)滑支架6固定在床鞍2上，并在潤(rùn)滑支架6上安裝油刷8。

圖1 絲杠固定的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在臥式車床的應(yīng)用

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理

當(dāng)Z軸傳動(dòng)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)帶輪7旋轉(zhuǎn)，再由驅(qū)動(dòng)帶輪7帶動(dòng)絲母3旋轉(zhuǎn)，使?jié)L珠絲杠的絲母3和絲杠1之間發(fā)生直線位移，再由絲母3通過(guò)固定軸套5帶動(dòng)機(jī)床床鞍2相對(duì)機(jī)床床身10直線位移，完成床鞍2相對(duì)床身10的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝方式

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝時(shí)，絲杠1固定在床身10上，絲母3固定在滑鞍2上。絲杠通過(guò)絲杠兩端的軸承座9安裝固定。在軸承座上端打入定位銷，利用定位銷將絲杠和軸承座固定在一起，完成絲杠的安裝固定。絲母通過(guò)支撐軸承4和固定軸套5，利用螺釘安裝在滑鞍上，從而完成了整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝固定。

2.5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑方式

在整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，床鞍2發(fā)生直線位移后會(huì)帶動(dòng)潤(rùn)滑支架6相對(duì)絲杠1做直線運(yùn)動(dòng)，使固定在潤(rùn)滑支架6上的與絲杠3接觸的油刷8相對(duì)絲杠做直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)向利用潤(rùn)滑支架6上的潤(rùn)滑接頭向油刷8注入潤(rùn)滑油后，油刷會(huì)浸滿潤(rùn)滑油。當(dāng)油刷8相對(duì)絲杠1運(yùn)動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油會(huì)涂抹在絲杠8上，從而完成整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的潤(rùn)滑。

2.6 兩種結(jié)構(gòu)的精度測(cè)試

為了對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度比對(duì)，應(yīng)用激光干涉儀對(duì)采用兩種不同傳動(dòng)方式的機(jī)床Z軸的傳動(dòng)運(yùn)行精度、快移速度以及運(yùn)行可靠性等性能指標(biāo)，分別采用空轉(zhuǎn)和加載的方式進(jìn)行測(cè)試，得出的結(jié)果與機(jī)床需求進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 兩種不同傳動(dòng)方式的性能測(cè)試結(jié)果

通過(guò)性能測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，對(duì)比絲杠旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式，絲杠固定傳動(dòng)方式由于絲杠運(yùn)行振動(dòng)減小，大大提高了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的定位精度、重復(fù)定位精度以及運(yùn)行直線度等。此外，絲杠固定傳動(dòng)方式有效減小了傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，降低了進(jìn)給軸對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求，有效改善了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的快移速度和驅(qū)動(dòng)元件的發(fā)熱量?？梢?jiàn)，在大行程滾珠絲杠傳動(dòng)中，采用絲杠固定傳動(dòng)方式更合適。相比絲杠旋轉(zhuǎn)傳統(tǒng)傳動(dòng)方式，絲杠固定傳動(dòng)方式在傳動(dòng)精度、傳動(dòng)穩(wěn)定性等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本文的分析討論和應(yīng)用舉例可知，當(dāng)滾珠絲杠傳動(dòng)行程較大時(shí)，應(yīng)用絲杠固定傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的絲杠旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式，可以有效提高大行程絲杠傳動(dòng)的穩(wěn)定性和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性，對(duì)優(yōu)化各種直線軸進(jìn)給結(jié)構(gòu)、優(yōu)化大行程直線進(jìn)給軸的性能有積極作用。當(dāng)這種傳動(dòng)方式應(yīng)用在有大行程坐標(biāo)軸的機(jī)床產(chǎn)品時(shí)，可以提高機(jī)床的精度和機(jī)床整體的穩(wěn)定性，從而大大提高機(jī)床產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。