滚珠丝杠精度检测方法(数控机床滚珠丝杠的精度损失)

Posted 2023-06-01

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滚珠丝杠精度检测方法(数控机床滚珠丝杠的精度损失)

滚珠丝杠副是数控装备的核心部件之一，其可将丝杠或螺母的旋转运动转换为沿丝杠轴向的直线运动，也可将直线运动转换为旋转运动。与接触螺旋面间存在较大滑动摩擦阻力的滑动螺旋传动不同，滚珠丝杠副将滚珠置于丝杠和螺母滚道之间，运动时克服数值较低且占主要地位的滚动摩擦，所需驱动力矩仅为滑动丝杠的三分之一。由于滚珠丝杠副具有定位精度好、传动效率高、可靠性高、使用寿命长等优点，被普遍使用在数控机床的进给系统中传递力和运动，是数控机床的关键功能部件，尤其在有特殊工况要求的场合（如重载机械、航空航天），滚珠丝杠副起到不可替代的作用。

高档数控机床等前沿技术和装备的研发是提升我国工业核心竞争力的关键。作为数控机床的核心基础部件，滚珠丝杠副的性能直接影响到机床的性能。例如，滚珠丝杠副的精度和刚性关系到机床的精度和刚性；滚珠丝杠副的最大速度关系到高速机床的性能；对于滚珠丝杠副的噪声和温升，其振动会影响工件表面加工质量，温升产生的轴向热位移影响加工中心进给轴的定位精度等。近年来滚珠丝杠副产品不断向高性能方向发展，虽然我国滚珠丝杠副生产企业在产品质量及批量生产技术上进步明显，但在高端产品上，滚珠丝杠副的精度、最高速度、噪音、温升等控制方面均明显落后于与国外先进产品。如何提高滚珠丝杠副的性能已成为我国科研工作者和制造企业急需解决的重要问题，同时也是提高产品市场竞争力的重要手段之一。

滚珠丝杠副是在丝杠与螺母旋合的螺旋槽之间放置适量的滚珠作为中间传动体，借助滚珠返回通道，构成滚珠可在闭合回路中反复运动的螺旋传动。当丝杠或螺母在转动时，滚珠被推动并在闭合回路中形成滚珠链的反复循环运动。这样，丝杠与螺母的相对运动借助于滚珠链的作用，把滑动接触变成了滚动接触。

因此，滚珠螺旋传动相对于滑动螺旋传动而言，其螺旋运动机理就是以滚动摩擦代替了滑动摩擦，这也是滚珠螺旋传动具有的独特技术性能的物理本质。滚珠丝杠副能以较小的动力推动较大的负荷，功率消耗为滑动螺旋传动的25%~50%，不管是正传动还是逆传动，都具有很高的传动效率，在减小机械装备体积、节约能源方面有重要意义。另外，滚珠丝杠副启动快、运行平稳，具有高的定位精度和重复定位精度，也被广泛应用于各种具有同步要求的机构中。

滚珠丝杠副可实现旋转运动与直线运动之间的转换，是数控机床进给系统的关键功能部件。一方面，滚珠丝杠副的精度保持性决定了它的工作性能和服役寿命，也直接影响了使用滚珠丝杠作为运动传递部件的机床的性能。另一方面，工业对高精度丝杠的需求也促使了对滚珠丝杠副的研究。滚珠丝杠副的精度损失主要与滚珠-丝杠和滚珠-螺母接触面上的磨损有关，而磨损也是预紧力降低的原因。虽然可以通过调整预紧结构，使滚珠丝杠的预紧力回到初始水平，但如果精度损失超过极限值，则将被判定为精度失效。如果这种被判定为精度失效的滚珠丝杠副被继续使用，滚珠丝杠副将失去其可靠性和安全性。

因此，提出一种可以计算丝杠副精度损失、预测精度变化趋势的计算方法是非常必要的。为了研究滚珠丝杠副的精度损失规律，首先分析了滚珠丝杠副精度损失机理，为后续精度损失的计算方法提供依据。之后在滚珠丝杠副运动学特性分析的基础上，结合滚珠与滚道之间滑动运动、弹性变形、接触特性及预紧力与摩擦力矩的关系，针对双螺母预紧式滚珠丝杠副的受力特点，对滚珠丝杠副精度损失的计算过程进行了详细阐述。

对丝杠节圆直径、滚珠半径、螺旋升角、滚道半径以及丝杠转速对丝杠磨损量的影响进行了分析。计算结果表明，丝杠节圆直径的变化对磨损量有较大影响；滚珠半径与滚道半径的变化对磨损量的影响较节圆直径，不是很明显；虽然螺旋升角的变化对磨损量有轻微影响，但在常用螺旋升角取值范围内，该影响可以忽略。

转速的升高使得磨损量迅速增大，各个参数对磨损量的影响在高转速下愈发明显。随着丝杠节圆直径、滚道半径以及螺旋升角的增大，高低转速之间磨损量的差距也越来越大。

搭建滚珠丝杠副精度保持性试验台，测量并记录了被测丝杠各个阶段摩擦力矩和精度的变化，同时也对磨损量及精度变化量进行了计算。由数据分析，精度变化的测量值和计算值基本吻合，该计算方法可以用来计算丝杠副的精度损失。滚珠丝杠精度损失超出极限值后，粘着磨损不再是精度损失的主要原因，计算结果与测量结果差距迅速加大，该方法不再适用。滚珠丝杠的类型【上海慧腾】