2.3.1 采用滚珠丝杠传动的进给系统
数控机床进给系统主要采用“旋转电动机+滚珠丝杠”的传动方式。随着高速加工技术的不断发展,这种传动方式的许多弊端也逐渐表现出来。
1)电动机输出的旋转运动需经过联轴器、滚珠丝杠、螺母等一系列中间传动和变换环节,变为溜板和刀具的直线运动。由于中间传动环节的存在,使得传动系统的刚度降低,启动和制动初期的能耗都用在克服中间环节的弹性变形上。尤其细长的滚珠丝杠是刚度的薄弱环节,其弹性变形可使系统的阶次变高,鲁棒性降低,性能下降。滚珠丝杠弹性变形是数控机床产生机械谐振的主要根源。
2)中间传动环节增加了运动体的惯量,在不增加系统放大倍数的情况下,系统的速度、位移响应变慢,而放大系数的增大又受系统稳定性的限制,过大的放大倍数会使系统不稳定。
3)由于制造精度的限制,中间传动环节不可避免地存在间隙、摩擦及弹性变形等影响,使系统的非线性误差增加,要进一步提高系统的精度变得很困难。
通过滚珠丝杠间接传动方式的优点是技术成熟,结构相对简单,加速度特性受运动部件载荷变化的影响较小,且目前已有许多国内外厂家进行标准化、系列化和模块化的专业化生产。但是普通传动用的滚珠丝杠,由于存在惯量大,导程小,又受到临界转速的限制等,其所能提供的进给/快移速度只有10～20m/min,加速度为0.3g,满足不了高速加工的要求,因此,高速加工用的进给滚珠丝杠普遍采取如下的改进措施。
1)加大丝杠的导程和增加螺纹的线数,前者为提高丝杠每转的进给量(即进给速度),后者则为弥补丝杠导程增大后所带来的轴向刚度和承载能力的下降。
2)将实心丝杠改为空心的,这既是为减少丝杠的重量和惯量,也是为便于对丝杠采取通水内冷,以利于提高丝杠转速,提高进给/快移速度和加速的能力,减少热影响。
3)改进回珠器和滚道的设计制造质量,使滚珠的循环更流畅,摩擦损耗更少。
4)采用滚珠丝杠固定,螺母与连接在移动部件上的伺服电动机集成在一起完成旋转和移动,从而避开了丝杠受临界转速的限制等。
经过采取这些改进措施后,滚珠丝杠传动的进给方式可提供的进给/快移速度达60～90m/min,加速度可达1～2g。但是由于受到原理结构的限制,要想进一步提高滚珠丝杠传动的运动速度和加速度就很难了,而且受丝杠的可制造长度限制,滚珠丝杠传动所能提供的运动行程也是有限的。目前日本在用滚珠丝杠实现高速进给方面处于比较领先的地位。MAZAK公司的FJV-20、FJV-25立式加工中心和FFS10、FF660卧式加工中心系列全部都采用自产的高速滚珠丝杠副,后者的快移速度达90m/min、加(减)速度为1.5g、重复精度0.002μm。在高速进给领域中,从性价比、切削时间与空行程时间比、加减速出现的频率、节能和环保等方面进行综合考虑,精密高速滚珠丝杠副仍有一定的发展前景。