數(shù)控機床滾珠絲杠的改進方法
隨著機電一體化技術(shù)的廣泛推廣，機床加工精度越來越高。精密滾珠絲杠副正以其優(yōu)越的性能在數(shù)控設(shè)備和其他先進設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。滾珠絲杠系以機床驅(qū)動裝置之用途為主體發(fā)展的。其開發(fā)的目的在于實現(xiàn)機床高速化、高精度化以及其順暢性。
滾珠絲杠副工作原理及特點：滾珠絲杠螺母機構(gòu)，在絲杠和螺母之間放入適量的滾珠來使絲杠與螺母之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的絲杠傳動。滾珠絲杠副在機械傳動中作用，可以將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，也可以將直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。
滾珠絲杠副與傳統(tǒng)絲杠副相比較，它以滾動摩擦代替滑動摩擦，因此具有以下特點：摩擦損失小，傳動效率高。磨損小、壽命長。軸向剛度高。摩擦阻尼小、運動平穩(wěn)。不能自鎖，具有傳動的可逆性。高速化機床用滾珠絲杠副隨著機床的高速、高精度化，對高速滾珠絲杠副的技術(shù)要求不斷增大。而高速滾珠絲杠副是精密滾珠絲杠副與大導(dǎo)程滾珠絲杠副性能的綜合。因此提高驅(qū)動速度的途徑有兩條:其一是提高絲杠的轉(zhuǎn)速，其二是采用大導(dǎo)程。提高轉(zhuǎn)速n要受dn值的限制(d為滾珠絲杠的公稱直徑)，當(dāng)n增大時，d就減小。根據(jù)資料顯示，國外的公司生產(chǎn)的滾珠絲杠副的dn值已經(jīng)能夠達到200000，但是，過分提高轉(zhuǎn)速會引起絲杠發(fā)熱，共振等不利影響。而且d太小也會造成系統(tǒng)剛性差、易變形，從而影響了加工精度。為提高dn值，必須對滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)進行改進。
導(dǎo)程P過大時，不僅增加了滾珠絲杠副的制造難度，精度難以提高，降低絲杠副的承載能力，而且也增加了伺服電機的啟動力矩。因此為了兼具高速化及高精度化，必須能取得轉(zhuǎn)速與導(dǎo)程之平衡，兩個方面要綜合起來加以考慮。因此滾珠絲杠高速回轉(zhuǎn)能力之提高，也就益發(fā)重要了。高速滾珠絲杠副的循環(huán)方式，高速滾珠絲杠副的導(dǎo)程較大，所以采用外循環(huán)插管式的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)由于回程道的制造簡單，轉(zhuǎn)折較平緩、順利而便于滾珠返回，目前在各種機床應(yīng)用廣泛，常制成單列或雙列的回程道結(jié)構(gòu)形式。滾珠絲杠副軸向間隙調(diào)整和預(yù)緊方式，消除滾珠絲杠螺母的間隙和對其預(yù)緊，對于實現(xiàn)高速高精度傳動十分必要。
常用的幾種間隙調(diào)整和預(yù)緊方式的優(yōu)缺點:
(1)螺母墊片式的優(yōu)點是只加墊片，結(jié)構(gòu)簡單可靠，剛性好，裝卸方便。但是因為調(diào)整需修磨墊片，工作中不能隨時調(diào)整。所以此種方法只適用于一般精度的機構(gòu)。
(2)雙螺母螺紋式特點是結(jié)構(gòu)簡單，可隨時調(diào)整，且較方便。但預(yù)緊力須由用戶自調(diào)，較難控制，準(zhǔn)確性和可靠性均較差，而且易于松動，軸向尺寸長，調(diào)整的軸向位移量不太精確。
(3)雙螺母齒差式的特點是調(diào)整精確可靠，定位精度高，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
(4)單螺母變位螺距自預(yù)緊式特點是結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，價格低廉。但調(diào)整不便?，F(xiàn)在廣泛采用的預(yù)緊形式都有一個缺點，就是在工作中，不能直接測量預(yù)緊力。而是通過測量動態(tài)預(yù)緊拉力矩而間接確定，因而不能隨時精確地補償因磨損而增大的間隙，不能保證穩(wěn)定的精度。故需要采用一種新的調(diào)隙和預(yù)緊方式。
連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置，滾珠絲杠副傳動間隙主要是指軸向間隙，即絲杠和螺母無相對轉(zhuǎn)動時，絲杠和螺母之間的最大軸向竄動量除了本身結(jié)構(gòu)的間隙之外，在施加軸向載荷之后，還包括彈性變形所造成的竄動量。當(dāng)滾珠絲杠反向轉(zhuǎn)動時，將產(chǎn)生空回誤差，從而影響傳動精度和降低了滾珠絲杠副的剛度。因此在對軸向間隙和軸向剛度有嚴(yán)格要求的精密滾珠絲杠副中，必須采取消除軸向間隙和提高軸向剛度的措施。
雙螺母墊片式調(diào)隙方式，為了消除軸向間隙，施加預(yù)緊力與不施加預(yù)緊力情況下，滾珠絲杠螺母的彈性位移曲線比較，可以看出施加的載荷恰好為預(yù)緊力的三倍時，施加了預(yù)緊力的滾珠絲杠的剛性為沒有施加預(yù)緊力的滾珠絲杠的2倍，而彈性位移為沒有施加預(yù)緊力的滾珠絲杠的二分之一。
把預(yù)緊后的彈性變形量控制在一定范圍內(nèi)，不但能消除間隙。減少誤差，而且還能提高進給精度和定位精度。但過大的預(yù)加載荷將增加摩擦阻力，降低傳動效率，并使壽命大為縮短。如何能易于控制，精確的調(diào)整軸向位移量是我們要解決的問題。
連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置構(gòu)成，連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置就是壓電陶瓷傳感器和壓電陶瓷驅(qū)動器的結(jié)合。連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置主要以壓電陶瓷為基礎(chǔ)。壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，但是別小看這微小變化，基于這個原理制作的精確控制機構(gòu)—壓電陶瓷驅(qū)動器。
由于壓電陶瓷應(yīng)變所需電場強度高，極限應(yīng)變小，因此壓電陶瓷驅(qū)動器經(jīng)常采用導(dǎo)電聚合物粘結(jié)的多層壓電陶瓷片疊加方式，這些疊加塊為了擴大橫截面積還可并排使用，采用疊加方式不但使壓電陶瓷片可以做得很薄，從而降低驅(qū)動器所需的電壓，而且還使驅(qū)動器位移增加。將數(shù)個疊層的壓電陶瓷片均勻的安裝在具有彈性伸縮的封裝盒內(nèi)。這個壓電驅(qū)動器能隨時調(diào)整軸向間隙，并且具有剛度高、體積小和調(diào)整距離長等優(yōu)點。
連續(xù)可調(diào)裝置應(yīng)用，此裝置對雙螺母進行預(yù)緊，可以用來測量預(yù)緊的合力和雙螺母內(nèi)的軸向力，以達到控制預(yù)緊力的目的。在沒有舒服信號電流的情況下首先給整個裝置一個基本的預(yù)緊力，大小約為最大的工作載荷的三分之一。預(yù)緊力保證驅(qū)動器順換的情況下，系統(tǒng)也可以正常地向前進給。
已基本的預(yù)緊力為起點，根據(jù)加工狀況運行狀況，在計算機程序中利用信號電流預(yù)緊所需預(yù)緊力，通過驅(qū)動器的伸張和收縮而進行控制。使預(yù)緊力處于受控狀態(tài)，從而易于控制，精確的調(diào)整軸向位移量。
預(yù)緊力的可控性是滾珠絲杠以理想的預(yù)緊力工作基礎(chǔ)，在減少預(yù)緊力是。摩擦能量急劇減少，可使系統(tǒng)發(fā)熱小、摩擦少喝疲勞壽命增加。而且，也可以通過增加預(yù)緊力，超過基本預(yù)緊力的一定程度，已獲得所需要的扭轉(zhuǎn)及磨損可以引起預(yù)緊力的變化，繼而可以引起預(yù)緊力的變化，繼而可以引起動態(tài)預(yù)緊力矩的變化，這方面影響就可以通過控制預(yù)緊力而得以補償，從而提高數(shù)控機床的定位精度。
連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置在滾珠絲杠中具有廣泛應(yīng)用前景。盡管目前它在滾珠絲杠中得應(yīng)用研究還處于初級階段，還存在著這樣那樣需要解決的問題，如壓電陶瓷應(yīng)變小，質(zhì)脆和供電電壓高，但我們堅信。在通過不斷地理論研究和應(yīng)用實踐，一定會不斷解決問題，最終為連續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置在滾珠絲杠中廣泛應(yīng)用另辟蹊徑。
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