加工中心滚珠丝杠的应用

滚珠丝杠由于滚动接触，启动摩擦极小，对输入敏感，可以精确移动，因此可以精细控制微小的运动。如果滑动丝杠的轴向间隙减小，就会转向变重，但滚珠丝杠的滚珠与丝杠槽是点接触，所以即使在预压状态下也能实现平稳动作。滚珠丝杠可以通过选择各种厚度的垫片来微调两个螺母的预紧力，选择合适的预紧力很容易获得高刚度。另外，通过选择单个螺母，可以实现无间隙状态。滚珠丝杠整个滚动部分表面硬化，磨损小，能保持初始精度，可长期使用。

一

介绍

实际上，人们用螺钉来传动的历史并不长。传统上，螺钉定位不佳且容易损坏。直到1898年，人们才首次尝试在螺母和螺钉之间放置钢球，以滚动摩擦代替滑动摩擦，以改善其定位不佳、易损坏的问题。1940年，滚珠丝杠被装上了汽车的转向装置，这是滚珠丝杠应用的一次重大革命，并逐渐取代了传统的ACME丝杠。

直到最近几年，滚珠丝杠已经成为工业中应用最广泛的部件之一。

2

滚珠丝杠的类型、结构和技术特点。

2.1

滚珠丝杠的类型

根据制造方法和精度的不同，目前市场上的滚珠丝杠机构主要有两种:研磨滚珠丝杠和滚动滚珠丝杠。滚珠循环方式包括循环导管、循环器和端盖。预压方法有定位预压(双螺母法、位置预压法)和恒压预压。根据应用选择合适的类型。滚珠丝杠机构作为一种高精度传动元件，广泛应用于数控机床、自动加工中心的电子精密机械进给机构、伺服机械手、工业装配机器人、半导体生产设备、食品加工包装、医疗器械等领域。

2.2

滚珠丝杠的结构

如果沿纵向切开滚珠丝杠机构，可以看出它主要由丝杠、螺母、滚珠、滚珠回油管、防尘套等组成。

(1)螺杆是旋转部件，是一种直线度非常高的螺纹，上面有半圆形的螺旋槽。半圆形螺旋槽是滚珠的滚道。

丝杠硬度高，通常表面淬火后进行磨削，以保证优异的耐磨性。一般螺杆与驱动部分连接，螺杆的转动由电机直接或间接驱动。可采用直接连接方式，即电机输出轴通过专用弹性联轴器与丝杠连接，传动比为1；电机的输出轴也可以通过其他传动环节，如同步带、齿轮等与丝杠连接。

(2)螺母用于固定需要移动的载荷，其作用类似于直线导轨机构的滑块。一般需要移动的各种负载(如工作台、移动滑块)用螺母连接，然后在工作台或移动滑块上安装各种执行机构。螺母内部加工有类似螺杆的半圆形滚道，并设计了供滚珠循环的回流管。螺母是滚珠丝杠机构的重要部件，滚珠丝杠机构的性能和质量在很大程度上取决于螺母。

(3)防尘片用于防止外部污染物进入螺母。

由于滚珠丝杠机构是精密部件，如果污染物(如灰尘、碎屑、金属熔渣等。)在使用过程中进入螺母，可能会严重磨损滚珠丝杠运动副，降低机构的运动精度和使用寿命，甚至损坏丝杠或其他部件。因此，螺母必须密封，防止污染物进入螺母。

(4)滚珠在滚珠丝杠机构中，滚珠的作用与直线导轨和直线轴承中的作用相同。滚珠作为轴承体的一部分，直接承受，同时作为中间传动元件，通过滚动传递运动。由于滚动运动，摩擦力很小。

(5)油孔滚珠丝杠机构在运转过程中需要良好的润滑，因此应定期添加润滑油或润滑脂。油孔供应润滑油。

2.3

滚珠丝杠有以下特点

(1)驱动扭矩小。滚珠丝杠机构运行时，滚珠沿丝杠和螺母组成的螺旋滚道滚动，运动阻力极小。驱动力矩仅为螺纹丝杠机构的1 /3不到，只需要很小的驱动功率。

(2)可逆滚珠丝杠机构不仅可以将丝杠的旋转运动转化为螺母(和负载滑块)的直线运动，还可以很容易地将螺母的直线运动转化为丝杠的旋转运动。

(3)高精度滚珠丝杠机构是一种高精度传动机构，在加工、装配、检测等环节都受到严格控制。此外，它在运行过程中产生的热量更少，可以实现高传动精度，准确定位负载。

(4)微量喂养。由于滚珠丝杠机构中的滚珠处于滚动运动，启动力矩极小，不会出现滑动运动中容易出现的低速蠕动或爬行现象，因此可以实现高精度的微进给，最小进给量可以达到0。下午1点。

(5)刚性高如果滚珠丝杠机构中存在轴向间隙，当轴向载荷方向改变时，轴向间隙会成为载荷运动误差的重要来源。

通过对滚珠丝杠机构进行预紧，可以使轴向间隙为零或更小(负间隙)，从而获得高刚度，提高机构在负载下的运动精度。

(6)高速进给。由于滚珠丝杠机构可以做成较大的导程，传动效率高，发热量低，可以实现高速进给。在保证低于滚珠丝杠机构临界转速的前提下，长导程滚珠丝杠副可以达到100m/min甚至更高的进给速度。

(7)传动效率在螺纹丝杠机构中通常只有机械传动效率的20% ~ 40%，而滚珠丝杠机构可以达到很高的机械传动效率，高达98%。

(8)使用寿命长。它运行时几乎没有磨损，因此可以达到很长的使用寿命。

三

滚珠丝杠精度检测

3.1

滚珠丝杠位置误差的产生

机床各轴由伺服系统驱动，该系统由伺服轴卡、伺服驱动器和伺服电机组成。其主要作用是伺服系统接收NC的位置指令，驱动电机进行定位控制。加工中心的x、Y和Z轴由滚珠丝杠驱动。驱动由伺服同步电机实现。滚珠丝杠螺母副在传动过程中存在反向间隙，会导致工作台反向时电机空转，工作台不动，造成半闭环系统误差和全闭环系统位置环振荡不稳定。滚珠丝杠磨损越大，反向间隙越大，摆动越不稳定。这就是所谓的位置误差。

3.2

位置误差检测方法

-伺服导向ERRC显示驱动装置的误差值。因为ERRC =进给速度/位置增益，所以当进给恒定时，ERRC理论上是恒定的。然而，由于螺杆、螺母副和轴承的磨损，驱动装置的部件之间的约束发生变化。当系统定位时，为了实现精确定位，必须不断地进行调整，这反映在机床的一个轴驱动装置的振动上。机床的位置增益设定值越高，相同进给速度下的ERRC值越小，但同时对机床驱动装置的刚度和约束要求越高。当机床驱动装置的刚度和约束与机床的位置增益不匹配时，就会发生振动。ERRC曲线可以作为表征螺杆状态的指标。

3.3

监控图形分析

通过监测同一台机床在同一进给中不同的1825(位置增益)值，可以发现位置增益越小，机床的ER-RC越大。但是，通过降低机床定位的灵敏度，降低了机床的振动和ERRC曲线的幅值。因此，可以定期收集行车设备的ERRC曲线，建立数据库，通过分析大量数据，评估不同站点行车设备的状态，从而进行有效的预测性维护。

3.4

滚珠丝杠位置误差的计算

滚珠丝杠传动中位置误差的计算及相关参数的调整。负载惯性，其值决定速度增益。speed =[NO 2021+256/256]×100 NO 1825:位置环增益，单位误差(P)为0。01/s =[进给速度/60 ×位置增益]×1/检测单元No1826:快速指令到位宽度。No1827:切割指令的原位宽度。到位:定位结束。根据系统移动指令和反馈指令之间的差异，确定定位是否完成。位置偏差值存储在误差寄存器中，其值可以通过诊断DGN300读取。No1828:运动中的误差极限值。当错误寄存器的值超过其值时，ALM411发出报警。No1829:静止时的误差极限值。当错误寄存器的值超过其值时，ALM410发出报警。

3.5

伺服导向调节原理

1)增加位置增益可以提高系统的定位和加工精度。调节量是以系统不会产生振动和超调为前提的。同时，所有差动补偿轴的增益应该一致。

2)提高速度增益可以提高电机的速度响应和加速能力，但过高的速度增益会使机床产生振动。

3)当发生振动时，在降低速度和位置增益之前，可以使用转矩命令滤波器进行调整。如果由于机床的机械刚性而不能产生效果，可以降低速度和位置增益。转矩指令滤波器:对应于高于包含在输出转矩指令中的设定频率的共振频率的转矩指令被滤出以减少振动。

3.6

驱动侧调整方法

移动过程中手动设置下位置增益参数1825，增加误差值参数1828，可以改善丝杠定位引起的振动，有圆弧插补、曲线、倒角的偏置轴增益要保持一致。所有参数调整都要以不影响加工精度和调整量为前提。手动设置上述参数后，系统的性能应该会有所提高。如果仍达不到精度要求，只能从其他方面考虑:机床的机械部分、加工刀具、加工程序、加工速度、进给速度、进给方式、冷却方式等。这些因素都会影响加工效果。

3.7

滚珠丝杠的故障状态识别

滚珠丝杠长期运转产生的磨损间隙将直接影响加工中心的传动精度和刚度。一般现象有反向间隙大、定位精度不稳定、机床振动、螺母副卡死、进给爬行等。并且系统参数的调整已经超过了调整量，当加工精度不能满足要求时，基本可以判断螺杆已经失效。

四

结束语

本设计主要分析了滚珠丝杠在加工中心的应用，并基本介绍了滚珠丝杠的结构类型和技术特点。通过这次技术应用，我进一步巩固和提高了自己的专业知识，尤其是螺钉的选择和螺钉的精度检测。