滾珠絲杠的特點(diǎn)及誤差分析

滾珠絲杠副主要由絲杠、螺母、滾珠和反向器組成。在具有螺旋槽的絲杠和螺母中間裝有中間傳動(dòng)元件，即滾珠，滾珠組成循環(huán)的滾珠鏈。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，在此運(yùn)動(dòng)過程中，滾珠不但繞絲杠公轉(zhuǎn)，其自身還在自轉(zhuǎn)。所以滾珠不但與絲杠、螺母間產(chǎn)生摩擦，而且相互間也產(chǎn)生摩擦。為了防止?jié)L珠從滾道內(nèi)滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，如反向器和擋珠器，它們與螺旋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺旋滾道內(nèi)即自轉(zhuǎn)又沿螺旋滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。

由上述工作原理可知，滾珠絲杠以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，因此具有以下特點(diǎn)：

①摩擦損失小、傳動(dòng)效率高：滾珠絲杠副的摩擦損失小，傳動(dòng)效率可達(dá)90%～96%，為滑動(dòng)絲杠的2~4倍。

②磨損小、壽命長：通常，滾珠絲杠副的絲杠、螺母以及滾珠都是經(jīng)過淬硬的，表面粗糙度低，滾動(dòng)摩擦的磨損小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作壽命長。

③軸向剛度高：由于滾珠絲杠副可以完全消除傳動(dòng)間隙，而不至于影響絲杠運(yùn)動(dòng)的靈活性，因而可以獲得較高的軸向剛度，而且通過預(yù)緊可再次提高軸向剛度。

④摩擦阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)：由于滾珠絲杠是滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差極小，其摩擦阻力幾乎與速度無關(guān)，而且靜止摩擦力極小，啟動(dòng)力矩與運(yùn)動(dòng)力矩近于相等。因此靈敏度高，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無顫動(dòng)，低速傳動(dòng)時(shí)無爬行現(xiàn)象。

⑤不能自鎖、具有傳動(dòng)的可逆性：由于滾珠絲杠副沒有自鎖能力，故具有傳動(dòng)的可逆性。當(dāng)它用于垂直升降傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，必須增設(shè)自鎖裝置或制動(dòng)裝置，以防止產(chǎn)生逆?zhèn)鲃?dòng)。

滾珠絲杠副在傳動(dòng)過程中存在很多誤差，包括滾珠絲杠副自身的制造誤差、熱變形誤差、受力變形誤差、安裝誤差等。大量研究表明，熱誤差是影響高速機(jī)床加工精度的主要因素之一，約占機(jī)床總誤差的40%-70%。熱變形誤差產(chǎn)生的過程為：發(fā)熱部位產(chǎn)生熱量，熱量通過接觸面向周圍傳遞，最終導(dǎo)致機(jī)床關(guān)鍵部件變形，從而產(chǎn)生誤差。與之相對(duì)應(yīng)，防止和減少熱變形誤差的方法有三種；①降低熱源；②控制熱流；③熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的主要熱源是螺母的移動(dòng)引起的摩擦生熱和軸承的旋轉(zhuǎn)摩擦生熱。影響此摩擦生熱的主要因素包括螺母的移動(dòng)速度、潤滑劑的使用情況以及零件間的裝配關(guān)系等。滾珠絲杠的熱變形誤差是影響滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的主要因素。所以滾珠絲杠的熱特性分析是高速高精度機(jī)床必須要考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的主要熱源是螺母的移動(dòng)引起的摩擦生熱和軸承的旋轉(zhuǎn)摩擦生熱。影響此摩擦生熱的主要因素包括螺母的移動(dòng)速度、潤滑劑的使用情況以及零件聞的裝配關(guān)系等。雖然機(jī)床的切削熱產(chǎn)生于機(jī)床內(nèi)部且發(fā)熱量很大，但切削熱對(duì)滾珠絲杠的進(jìn)給系統(tǒng)影響很小，而且切削熱能夠及時(shí)被切屑和冷卻液帶走。所以這里只考慮軸承發(fā)熱和螺母發(fā)熱。

為了補(bǔ)償滾珠絲杠熱變形對(duì)滾珠絲杠迸給系統(tǒng)定位精度的影響，常常采用預(yù)拉伸滾珠絲杠的方法。滾珠絲杠的預(yù)拉伸通過滾珠絲杠兩端的螺紋部分的鎖緊螺母的預(yù)緊達(dá)到的，相當(dāng)于給滾珠絲杠的支撐軸承添加預(yù)負(fù)荷，其主要目的是：①提高滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)精度；②提高滾珠絲杠的剛性③補(bǔ)償滾珠絲杠的熱膨脹；④抑制滾珠絲杠的振動(dòng)和異常噪音的發(fā)出⑤防止?jié)L動(dòng)體的滑動(dòng)（公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)滑動(dòng)）；⑥決定滾動(dòng)體的位置。

隨著科技的進(jìn)步和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)床的精度要求越來越高，誤差研究及其補(bǔ)償技術(shù)引起了人們的重視，許多學(xué)者在誤差研究方面投入了大量的工作也取得了一定的成果。其中對(duì)滾珠絲杠變形誤差的研究也越來越多，例如國防科技大學(xué)的粟時(shí)平在他的博士論文中對(duì)滾珠絲杠的進(jìn)給系統(tǒng)及其滾珠絲杠的微特性進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。等外國學(xué)者對(duì)滾珠絲杠的高精度、變形、誤差的控制與跟蹤等方面進(jìn)行了大量的研究。隨著滾珠絲杠副應(yīng)用的推廣以及人們對(duì)高精度的要求的提高，將推動(dòng)著越來越多的學(xué)者進(jìn)行更深一步的研究。