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精密高速滚珠丝杠副的发展及其应用

笔者论述“精密滚珠丝杠副实现高速化的前景”一文刊出后，其中提出的精密高速滚珠丝杠副的关键技术和解决方案等内容，受到业内人士的关注。滚珠丝杠副自1874年在美国获得专利至今已有100多年历史，在我国也有40年的研制和生产历史。它的功能已从最初的“敏捷省能传动”(上世纪40～50年代)到“精密定位”(70年代～)，再从“大导程快速驱动”(80年代～)到“精密高速驱动”(90年代～)，在这过程中产品不断升级换代得到一次质的飞跃。

什么是精密高速滚珠丝杠副，到目前为止还没有正式的定义。笔者认为:驱动线速度达到60mm/min以上，加(减)速度在0.5～1.5g，精度达到国家标准GB/T18587.1～3(eqv ISO3408)中的②级、①级或更高，性能指标达到设计要求者，就可称之为精密高速滚珠丝杠副。

传统意义的精密滚珠丝杠副，只要求定位精度不要求速度。而导程角f>9°～17°的大导程和超大导程滚珠丝杠副，它虽然可实现100m/min以上的高速驱动，但由于精度只能达到国家标准3级以下，因此只能用在不要求精密定位的一般机械上。

1 精密高速滚珠丝杠副的发展动态

1) 当前，数控机床的高速化不断推动精密高速滚珠丝杠副的发展。

最早将“空心强冷”技术用于精密高速滚珠丝杠副的日本NSK公司，1998年推出用于高速数控机床的NZC、NZF和NDF系列高速滚珠丝杠副产品，直径Ø36～55mm，导程16～30mm，d0n值150000，最高线速度100m/min，加速度1.3g，双头螺纹。为了增强丝杠轴的抗振能力，该公司发明了在中空丝杠孔内配置“内藏减振阻尼器”的专利技术，使临界转速Nc和d0n值进一步提高，用较简便的办法实现低成本提速，而且把行程范围扩大到4m以上，可实现长行程高速驱动。据介绍该公司在试验室已能使d0n值达到200000。我国台湾PMI银泰科技公司在空心强冷技术方面采取在一端封闭的空心丝杠中插入冷却油管的专利技术(台湾专利107485)，其特点是改变冷却液在丝杠体内的循环方式，达到更好的制冷效果，而且结构简单，当线速度为100m/min时可使温度变化控制在1℃内。该公司在CIMT'2001上展出FSW、FDW系列双头、多头高速滚珠丝杠产品及噪声测量装置，该产品d0n值130000～140000，线速度100～120m/min，噪声73dB(A)(80m/min时)，76dB(A)(100m/min时)。日本MaKino公司开发的电子冷却器控制系统可适时监控滚珠丝杠的温升，使其保持在允许范围内。

2) 为了提高d0n值，改进滚珠循环返向装置和滚珠链的流畅性成为人们关注的焦点。

采用三维型导珠管，沿内螺纹的导程角f方向插入滚珠螺母体内并与滚道相切(而不是相交)，三维导珠管顺利导引滚珠流畅地出入循环返向装置，使布氏撞击耗损明显减小，摩擦力矩平滑、噪声低。

在滚珠链各相邻滚珠之间加入用特殊树脂制造的滚珠隔圈，它避免了相邻滚珠之间的摩擦、挤压和碰撞，还能润滑滚动体、延长工作寿命。下图为三种滚珠链工作受力状态之比较。采取上述两项措施使动态转矩更趋平滑，噪声降低5～8dB(A)。日本TNK的SBN系列，NSK公司的SI系列，台湾PMI的E型滚珠回流系统等均采取了上述措施。SBN系列直径Ø32～50mm，导程10～20mm，d0n值130000，0>78m/min，加速度1g。

（图片）（图片）（图片）

三种滚珠链工作时受力状态的比较图

为了摆脱循环返向三种滚珠链工作时受力装置对d0n值的制约，近年状态的比较图出现了无返向装置的滚珠丝杠副。例如在滚珠螺母内配置封闭槽的滚珠螺旋传动装置和“GHF滚动环螺副装置”(我国专利CN1210950A)，以及带圆柱形保持架的滚珠丝杠——螺母传动装置(德国专利DE3308149)等。这类结构尚处于研发期，它更适用于高速、轻载的场合。

3) 提高滚珠丝杠副的制造精度和定位精度始终是制造企业的不懈追求。上世纪60年代我国精密机床联合攻关为精密机床螺纹磨削技术奠定了坚实基础。北京机床研究所在上世纪80年代研制成功的螺纹磨削激光反馈导程误差自动校正技术以及80年代末期完成的大导程滚珠丝杠副“七·五”攻关，为提高大导程角内外圆弧螺纹的磨削精度找到有效工艺途径。“九·五”期间汉江机床有限公司研制成功的SK7432型2m全封闭CNC丝杠磨床、HJ031型CNC滚珠螺母磨床、SK7450型5m大型CNC丝杠磨床，为精密高速滚珠丝杠副的发展提供了关键工艺装备。我国与先进工业国家螺纹磨削技术水平的差距正日益趋近。滚珠丝杠副在CNC伺服进给系统中提高定位精度的校正技术也不断完善。

4) 小惯量滚珠螺母主传动技术趋于成熟并商品化。德国INA公司与Karlsruhe大学合作研制成功滚珠螺母高速旋转驱动装置，由于丝杠固定不转，避开了细长丝杠高速旋转带来的问题，驱动速度可达120m/min，加速度3g。该传动装置用于并联机床的P关节，可避免并联机构由于自身重量轻、阻尼小而带来丝杠高速旋转时的振动。德国“Rexroth-Star”公司2年前推出MHS40 drive Unit空心轴电动机滚珠丝杠副，直径Ø40mm，导程5、10、12、16、20、40mm共六种规格。其特点是空心AC伺服的转子与滚珠螺母刚性连接，在固定的丝杠上的n=3000r/min转速旋转同时进行高速直线驱动，Vmax=120m/min，借助位置反馈系统可获得高的定位精度。这种机电一体化产品大大简化了机械结构，具有惯量小、速度快、行程范围大等优点，已在高速加工中心上应用，具有较好的性能价格比。日本NSK公司已推出小惯量螺母旋转NDT系列产品，直径Ø32～50mm，导程20～50mm，转动惯量减小12%～21%，d0n值100000。在CCMT2002(上海)中国数控机床展览会上，台湾HIWIN上银科技公司推出螺母旋转式RI系列高速滚珠丝杠副，包括(名义直径×导程)16mm×16mm、20mm×20mm、25mm×25mm、32mm×32mm、40mm×40mm五个规格。

5) 既节能又环保，贯彻ISO14001国际环境标准受到重视。21世纪的制造业，在向自动化、智能化、高速化发展的同时，必须把节能和环保放在重要位置。国外不少企业为了解决高速运转时润滑剂的雾化、蒸发对环境的污染及废油的回收问题，积极开展润滑、密封、防尘、防腐等方面的研究，NSK、THK、HIWIN、PMI等公司都先后推出防尘、自润滑、免维护新技术。例如:THK公司推出采用高含油率、高密度纤维网的“QZ自润滑装置”，NSK公司推出“NSK-K1”润滑装置等。而HIWIN公司2年前就获得ISO14001证书，紧随同行绿色制造的步伐，在EMO2001展会上推出的“Cool type1”精密高速滚珠丝杠新产品，d0n值高达200000。

2 与直线电动机方式的比较与选择

精密高速滚珠丝杠副作为“滚动化”的机械传动装置，虽然有许多优于一般传动装置的特性，但它的定位精度、驱动速度、加(减)速度有一个物理极限，按目前的技术水平，最高驱动速度≤120m/min，最大加速度<3g，制造精度1级(ISO3408)，而且行程有限。

自从1993年汉诺威欧洲机床展览会(EMO)上德国Ex-Cell-O公司首次推出采用直线电动机的XHC240卧式加工中心以来，采用直线电动机的高速数控机床的数量逐年增加。业内人士指出:直线电动机作为一种机电系统，将机械结构简化，电气控制复杂化，是符合现代机电技术的发展趋势的。

于是，在高速、超高速线性伺服进给系统中出现两种截然不同、满足不同档次需要的驱动方式。

表1为精密高速滚珠丝杠副与直线电动机的性能对比。表中所列数据与结构参数、工作行程、试验条件等有关，故仅供参考。

表1 精密高速滚珠丝杠副与直线电动机性能对比

性能	精密高速滚珠丝杠副	直线电动机
驱动速度(m/min)	60～100(120)	60～200
加(减)速度(g)	0.5～1.5	2～10
精度(µm/300mm)	2～5(与行程长度有关)	0.5
*重复精度(µm)	2	0.1
*静态刚度(N/µm)	90～180	70～270
*动态刚度(N/µm)	90～180	160～210
*速度放大系数Kv [(m/min)/mm]	～5	20～30
*最大推力(N)	26700(与丝杠副参数有关)	9000N/圈
*工作寿命(h)	6000～10000(同上)	50000
注:带*的数据取自其它参考文献：括号内的说明是笔者所注。

不同使用对象的高速数控机床，按照所要求的合理的进给速度、加(减)速度、定位精度以及工作条件、生产批量、性能价格比等因素选择不同的驱动方式，见表2。

表2 满足不同进给速度和加(减)速度的驱动方式比较

驱动方式	旋转伺服电动机+精密高速滚珠丝杠副	直线电动机
驱动速度	60～100(120)m/min	60～200以上m/min
加(减)速度	0.5～1.5g	2～10g
优点	1.摩擦系数0.003左右，传动效率≥90%，节能省电，对环境无污染，有利于贯彻ISO14001国际环保标准。 2.具有较高的快速响应特性和同步性、传动灵活、轻快。 3.无间隙、无爬行、高刚度。 4.采用现代化制造技术，可达到国标GB/T18587.“1级”以上精度。 5.具有优良的高速特性，d₀n值可达150000。高速化的成本较低。 6.工作可靠，对周边环境的适应性较强。	1.无旋转运动、驱动速度很高(无上限)，加速特性优良。 2.运动惯量小，系统刚度高，具有优越的响应特性和跟随精度。 3.运动平稳，噪声小，在任何速度下都能安静、平稳驱动。 4.没有影响精度的中间环节，能实现高速情况下精密定位。 5.工作行程无限，能满足长行程高速驱动的要求。 6.工作寿命长，维护简单。
缺点	1.滚珠丝杠轴系的弹性变形，摩擦磨损使进给系统产生滞后现象和非线性误差。 2.机械系统的运动惯性影响对指令的快速反应，使加(减)速度的提高受到限制。 3.工作行程范围有限。 4.需要采取有效措施解决高速驱动时的振动、噪声、温升和热变形等问题。	1.控制系统复杂，直线电动机处于全闭环控制，当工作负荷变化时，影响系统的稳定性。 2.强磁场对周边产生磁干挠，影响滚动导轨副的寿命，也给排屑、装配、维修带来困难。 3.发热大，在机床内部散热条件差，这是制约电动机推力的重要因素。 4.能耗大，造价昂贵，成本高。 5.需要解决隔磁、防护、自锁、缓冲等安全问题。
适用场合	中等载荷、中等提速、行程范围≤4m(滚珠螺母旋转的除外)，用于一般机械加工的高速加工中心和经济型高速数控机床。	适用于高精度、超高速、高动态响应、中小推力、低噪声、长行程。特别适用于需要定位运动多、机械速度和运动方向变换频繁的场合，例如:宇航工业、汽车工业中复杂型面轻合金的高速切削加工。

近年来在工程界刊物上，有不少论述数控机床高速化及其关键技术的文章在对直线电动机进行介绍时，往往只拿普通滚珠丝杠副来比较，说:“一般滚珠丝杠的最高速度为20～30m/min，加速度为0.1～0.3g，远远不能满足高速加工的要求”，“很难有太大的改进”等。笔者认为这样的比较不很客观，由此引伸出来的“取代”论断也是值得商榷的，恐怕需要若干年代的实践检验才能作出更正确的判断。

直线电动机的优点是十分明显的，但在设计选用时需要认真分析以下问题:在轴向推力相同的情况下应对两种驱动方式的传动效率和功率消耗作比较：直线电动机的法向磁力大约是轴向推力的10倍，它对滚动直线导轨以及周边环境带来多大影响，如何消除这些影响：切削力变化时闭环控制系统的稳定性能否妥善解决：与之配套的电主轴、防护装置、快速换刀系统、冷却装置、刀具寿命等是否能同步解决：投入和产出的经济评估等等。

进入21世纪伊始，在地球资源有限、环境恶化已不容忽视的今天，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择。根据我国国情，机械工业在向自动化、智能化、高速化发展中必须把节能、环保、降低成本放在同等位置来考虑。近年国外不少学者研究了直线电动机的经济性和最佳使场合。这样的研究是十分必要的，有助于用户合理选用。

据国外有关专业人士指出，在数控机床中使用直线电动机的最佳场合是:“工件批量越大，所需的定位运动越多，所需要的进给速度越高，加速次数越多，就越值得采用直线电动机机床”。例如:在汽车工业、航空工业、宇航工业中对复杂型面的轻合金零件的高速切削加工中，高速、超高速数控机床用直线电动机驱动是最佳选择。至于一般中等速度、中档数控机床、重切削或断续切削工作条件，选用哪种驱动方式则视加工对象、生产批量和性能价格比等因素进行总体评估后，才能作出最佳选择。

3 选用精密高速滚珠丝杠副需要考虑的一些问题

线性伺服进给系统的高速化是一个系统工程，系统中每个环节都要满足高速传动的要求。

滚珠丝杠副进给系统的最大加工速度与系统的转动惯量成反比，为了提高加速度，应对系统进行有限元分析及CAD优化设计，在满足动、静刚度的前提下，减少零件数量、优化零件参数并使其高强度、轻量化。

要同时选用与精密滚珠丝杠副匹配的高速滚动直线导轨。例如日本THK公司的SHS四方等载荷系列，SNR、SNS高刚度重载荷系列，SSR超高速系列，其线速度可达200m/min以上。德国INA公司的腰鼓形滚柱直线导轨还可按用户要求配置“RUDS”阻尼滑座，使振幅降至原来的1/30，噪声明显下降，满足高速、高精度、重切削的要求。

要十分重视精密高速滚珠丝杠副在机床上的安装精度，它对提高临界转速Nc、定位精度，改善高速运转时的平稳性，减小噪声等都起着不可忽视的作用。丝杠两端采用预拉伸高刚度支承结构，要严格保证丝杠两端支承与滚珠螺母的中心“三点同轴”。应选用滚珠丝杠专用的高刚度推力角接触轴承。

充分利用滚珠丝杠副的“同步性”特征，在高速加工中心中成对安装高速精密滚珠丝杠副，是提高伺服进给系统在高速时的稳定性，改善动态特性的有效措施。例如日本牧野铣床制作所的A55E型的卧式高速加工中心和新泻铁工的SPN50-H0型卧式高速加工中心以及丰田工机的EV33立式高速加工中心等都采用了双电动机双丝杠的驱动方式。

要在伺服进给系统中配置制动装置、柔性缓冲器、垂向传动时的自锁器等。

在选购和验收精密高速滚珠丝杠时，要与一般大导程滚珠丝杠区别开来，并要求制造商提供订购产品的工作速度、加速度、精度、噪声、温升等检测数据。若使用Si3N4陶瓷球，应查看Si3N4陶瓷球的精度、硬度、表面粗糙度、压馈负荷的检验证书。若选用空心强冷丝杠，还应查看深孔的直线度，与外圆的同轴度的检验结果。为了确保高速运转时的可靠性，还应查看丝杠轴、螺母、循环返向装置的原材料及热处理检验报告。

我国已加入WTO，经济全球化、市场国际化使精密高速滚珠丝杠副的发展面临机遇和挑战。冲破国外禁卖的约束，国产精密高速滚珠丝杠副将为我国数控机床的高速化作出贡献。 5/27/2009


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