滾珠絲杠自1874年在美國獲得專利至今已有100多年歷史，在我國也有40年的研制和生產(chǎn)歷史。它的功能已從最初的“敏捷省能傳動”(上世紀40～50年代)到“精密定位”(70年代～)，再從“大導程快速驅(qū)動”(80年代～)到“精密高速驅(qū)動”(90年代～)，在這過程中產(chǎn)品不斷升級換代得到一次質(zhì)的飛躍。
      什么是精密高速滾珠絲杠副，到目前為止還沒有正式的定義。筆者認為:驅(qū)動線速度達到60mm/min以上，加(減)速度在0.5～1.5g，精度達到國家標準GB/T18587.1～3(eqv ISO3408)中的②級、①級或更高，性能指標達到設計要求者，就可稱之為精密高速滾珠絲杠副。
      傳統(tǒng)意義的精密滾珠絲杠副，只要求定位精度不要求速度。而導程角f>9°～17°的大導程和超大導程滾珠絲杠副，它雖然可實現(xiàn)100m/min以上的高速驅(qū)動，但由于精度只能達到國家標準3級以下，因此只能用在不要求精密定位的一般機械上。

1 精密高速滾珠絲杠的發(fā)展動態(tài)

      當前，數(shù)控機床的高速化不斷推動精密高速滾珠絲杠的發(fā)展。
      最早將“空心強冷”技術(shù)用于精密高速滾珠絲杠副的日本NSK公司，1998年推出用于高速數(shù)控機床的NZC、NZF和NDF系列高速滾珠絲杠副產(chǎn)品，直徑Ø36～55mm，導程16～30mm，d0n值150000，最高線速度100m/min，加速度1.3g，雙頭螺紋。為了增強絲杠軸的抗振能力，該公司發(fā)明了在中空絲杠孔內(nèi)配置“內(nèi)藏減振阻尼器”的專利技術(shù)，使臨界轉(zhuǎn)速Nc和d0n值進一步提高，用較簡便的辦法實現(xiàn)低成本提速，而且把行程范圍擴大到4m以上，可實現(xiàn)長行程高速驅(qū)動。據(jù)介紹該公司在試驗室已能使d0n值達到200000。我國臺灣PMI銀泰科技公司在空心強冷技術(shù)方面采取在一端封閉的空心絲杠中插入冷卻油管的專利技術(shù)(臺灣專利107485)，其特點是改變冷卻液在絲杠體內(nèi)的循環(huán)方式，達到更好的制冷效果，而且結(jié)構(gòu)簡單，當線速度為100m/min時可使溫度變化控制在1℃內(nèi)。該公司在CIMT'2001上展出FSW、FDW系列雙頭、多頭高速滾珠絲杠產(chǎn)品及噪聲測量裝置，該產(chǎn)品d0n值130000～140000，線速度100～120m/min，噪聲73dB(A)(80m/min時)，76dB(A)(100m/min時)。日本MaKino公司開發(fā)的電子冷卻器控制系統(tǒng)可適時監(jiān)控滾珠絲杠的溫升，使其保持在允許范圍內(nèi)。
為了提高d0n值，改進滾珠循環(huán)返向裝置和滾珠鏈的流暢性成為人們關(guān)注的焦點。

三種滾珠鏈工作時受力狀態(tài)的比較圖

 

(a) 采用三維型導珠管，沿內(nèi)螺紋的導程角f方向插入滾珠螺母體內(nèi)并與滾道相切(而不是相交)，三維導珠管順利導引滾珠流暢地出入循環(huán)返向裝置，使布氏撞擊耗損明顯減小，摩擦力矩平滑、噪聲低。
(b) 在滾珠鏈各相鄰滾珠之間加入用特殊樹脂制造的滾珠隔圈，它避免了相鄰滾珠之間的摩擦、擠壓和碰撞，還能潤滑滾動體、延長工作壽命。右圖為三種滾珠鏈工作受力狀態(tài)之比較。采取上述兩項措施使動態(tài)轉(zhuǎn)矩更趨平滑，噪聲降低5～8dB(A)。日本TNK的SBN系列，NSK公司的SI系列，臺灣PMI的E型滾珠回流系統(tǒng)等均采取了上述措施。SBN系列直徑Ø32～50mm，導程10～20mm，d0n值130000，0>78m/min，加速度1g。

(c) 為了擺脫循環(huán)返向三種滾珠鏈工作時受力裝置對d0n值的制約，近年狀態(tài)的比較圖出現(xiàn)了無返向裝置的滾珠絲杠副。例如在滾珠螺母內(nèi)配置封閉槽的滾珠螺旋傳動裝置和“GHF滾動環(huán)螺副裝置”(我國專利CN1210950A)，以及帶圓柱形保持架的滾珠絲杠——螺母傳動裝置(德國專利DE3308149)等。這類結(jié)構(gòu)尚處于研發(fā)期，它更適用于高速、輕載的場合。
      提高滾珠絲杠的制造精度和定位精度始終是制造企業(yè)的不懈追求。上世紀60年代我國精密機床聯(lián)合攻關(guān)為精密機床螺紋磨削技術(shù)奠定了堅實基礎(chǔ)。北京機床研究所在上世紀80年代研制成功的螺紋磨削激光反饋導程誤差自動校正技術(shù)以及80年代末期完成的大導程滾珠絲杠副“七·五”攻關(guān)，為提高大導程角內(nèi)外圓弧螺紋的磨削精度找到有效工藝途徑。“九·五”期間漢江機床有限公司研制成功的SK7432型2m全封閉CNC絲杠磨床、HJ031型CNC滾珠螺母磨床、SK7450型5m大型CNC絲杠磨床，為精密高速滾珠絲杠副的發(fā)展提供了關(guān)鍵工藝裝備。我國與先進工業(yè)國家螺紋磨削技術(shù)水平的差距正日益趨近。滾珠絲杠副在CNC伺服進給系統(tǒng)中提高定位精度的校正技術(shù)也不斷完善。
      小慣量滾珠螺母主傳動技術(shù)趨于成熟并商品化。德國INA公司與Karlsruhe大學合作研制成功滾珠螺母高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，由于絲杠固定不轉(zhuǎn)，避開了細長絲杠高速旋轉(zhuǎn)帶來的問題，驅(qū)動速度可達120m/min，加速度3g。該傳動裝置用于并聯(lián)機床的P關(guān)節(jié)，可避免并聯(lián)機構(gòu)由于自身重量輕、阻尼小而帶來絲杠高速旋轉(zhuǎn)時的振動。德國“Rexroth-Star”公司2年前推出MHS40 drive Unit空心軸電動機滾珠絲杠副，直徑Ø40mm，導程5、10、12、16、20、40mm共六種規(guī)格。其特點是空心AC伺服的轉(zhuǎn)子與滾珠螺母剛性連接，在固定的絲杠上的n=3000r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)同時進行高速直線驅(qū)動，Vmax=120m/min，借助位置反饋系統(tǒng)可獲得高的定位精度。這種機電一體化產(chǎn)品大大簡化了機械結(jié)構(gòu)，具有慣量小、速度快、行程范圍大等優(yōu)點，已在高速加工中心上應用，具有較好的性能價格比。日本NSK公司已推出小慣量螺母旋轉(zhuǎn)NDT系列產(chǎn)品，直徑Ø32～50mm，導程20～50mm，轉(zhuǎn)動慣量減小12%～21%，d0n值100000。在CCMT2002(上海)中國數(shù)控機床展覽會上，臺灣HIWIN上銀科技公司推出螺母旋轉(zhuǎn)式RI系列高速滾珠絲杠副，包括(名義直徑×導程)16mm×16mm、20mm×20mm、25mm×25mm、32mm×32mm、40mm×40mm五個規(guī)格。
      既節(jié)能又環(huán)保，貫徹ISO14001國際環(huán)境標準受到重視。21世紀的制造業(yè)，在向自動化、智能化、高速化發(fā)展的同時，必須把節(jié)能和環(huán)保放在重要位置。國外不少企業(yè)為了解決高速運轉(zhuǎn)時潤滑劑的霧化、蒸發(fā)對環(huán)境的污染及廢油的回收問題，積極開展?jié)櫥?、密封、防塵、防腐等方面的研究，NSK、THK、HIWIN、PMI等公司都先后推出防塵、自潤滑、免維護新技術(shù)。例如:THK公司推出采用高含油率、高密度纖維網(wǎng)的“QZ自潤滑裝置”，NSK公司推出“NSK-K1”潤滑裝置等。而HIWIN公司2年前就獲得ISO14001證書，緊隨同行綠色制造的步伐，在EMO2001展會上推出的“Cool type1”精密高速滾珠絲杠新產(chǎn)品，d0n值高達200000。

2 與直線電動機方式的比較與選擇

 
      精密高速滾珠絲杠作為“滾動化”的機械傳動裝置，雖然有許多優(yōu)于一般傳動裝置的特性，但它的定位精度、驅(qū)動速度、加(減)速度有一個物理極限，按目前的技術(shù)水平，最高驅(qū)動速度≤120m/min，最大加速度<3g，制造精度1級(ISO3408)，而且行程有限。
      自從1993年漢諾威歐洲機床展覽會(EMO)上德國Ex-Cell-O公司首次推出采用直線電動機的XHC240臥式加工中心以來，采用直線電動機的高速數(shù)控機床的數(shù)量逐年增加。業(yè)內(nèi)人士指出:直線電動機作為一種機電系統(tǒng)，將機械結(jié)構(gòu)簡化，電氣控制復雜化，是符合現(xiàn)代機電技術(shù)的發(fā)展趨勢的。
      于是，在高速、超高速線性伺服進給系統(tǒng)中出現(xiàn)兩種截然不同、滿足不同檔次需要的驅(qū)動方式。
      不同使用對象的高速數(shù)控機床，按照所要求的合理的進給速度、加(減)速度、定位精度以及工作條件、生產(chǎn)批量、性能價格比等因素選擇不同的驅(qū)動方式，見表2。

      近年來在工程界刊物上，有不少論述數(shù)控機床高速化及其關(guān)鍵技術(shù)的文章在對直線電動機進行介紹時，往往只拿普通滾珠絲杠副來比較，說:“一般滾珠絲杠的最高速度為20～30m/min，加速度為0.1～0.3g，遠遠不能滿足高速加工的要求”，“很難有太大的改進”等。筆者認為這樣的比較不很客觀，由此引伸出來的“取代”論斷也是值得商榷的，恐怕需要若干年代的實踐檢驗才能作出更正確的判斷。
      直線電動機的優(yōu)點是十分明顯的，但在設計選用時需要認真分析以下問題:在軸向推力相同的情況下應對兩種驅(qū)動方式的傳動效率和功率消耗作比較：直線電動機的法向磁力大約是軸向推力的10倍，它對滾動直線導軌以及周邊環(huán)境帶來多大影響，如何消除這些影響：切削力變化時閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能否妥善解決：與之配套的電主軸、防護裝置、快速換刀系統(tǒng)、冷卻裝置、刀具壽命等是否能同步解決：投入和產(chǎn)出的經(jīng)濟評估等等。
      進入21世紀伊始，在地球資源有限、環(huán)境惡化已不容忽視的今天，可持續(xù)發(fā)展將是人類社會進步的唯一選擇。根據(jù)我國國情，機械工業(yè)在向自動化、智能化、高速化發(fā)展中必須把節(jié)能、環(huán)保、降低成本放在同等位置來考慮。近年國外不少學者研究了直線電動機的經(jīng)濟性和最佳使場合。這樣的研究是十分必要的，有助于用戶合理選用。
      據(jù)國外有關(guān)專業(yè)人士指出，在數(shù)控機床中使用直線電動機的最佳場合是:“工件批量越大，所需的定位運動越多，所需要的進給速度越高，加速次數(shù)越多，就越值得采用直線電動機機床”。例如:在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、宇航工業(yè)中對復雜型面的輕合金零件的高速切削加工中，高速、超高速數(shù)控機床用直線電動機驅(qū)動是最佳選擇。至于一般中等速度、中檔數(shù)控機床、重切削或斷續(xù)切削工作條件，選用哪種驅(qū)動方式則視加工對象、生產(chǎn)批量和性能價格比等因素進行總體評估后，才能作出最佳選擇。

 
3 選用精密高速滾珠絲杠需要考慮的一些問題

      線性伺服進給系統(tǒng)的高速化是一個系統(tǒng)工程，系統(tǒng)中每個環(huán)節(jié)都要滿足高速傳動的要求。
      滾珠絲杠副進給系統(tǒng)的最大加工速度與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量成反比，為了提高加速度，應對系統(tǒng)進行有限元分析及CAD優(yōu)化設計，在滿足動、靜剛度的前提下，減少零件數(shù)量、優(yōu)化零件參數(shù)并使其高強度、輕量化。
      要同時選用與精密滾珠絲杠副匹配的高速滾動直線導軌。例如日本THK公司的SHS四方等載荷系列，SNR、SNS高剛度重載荷系列，SSR超高速系列，其線速度可達200m/min以上。德國INA公司的腰鼓形滾柱直線導軌還可按用戶要求配置“RUDS”阻尼滑座，使振幅降至原來的1/30，噪聲明顯下降，滿足高速、高精度、重切削的要求。
      要十分重視精密高速滾珠絲杠副在機床上的安裝精度，它對提高臨界轉(zhuǎn)速Nc、定位精度，改善高速運轉(zhuǎn)時的平穩(wěn)性，減小噪聲等都起著不可忽視的作用。絲杠兩端采用預拉伸高剛度支承結(jié)構(gòu)，要嚴格保證絲杠兩端支承與滾珠螺母的中心“三點同軸”。應選用滾珠絲杠專用的高剛度推力角接觸軸承。
      充分利用滾珠絲杠副的“同步性”特征，在高速加工中心中成對安裝高速精密滾珠絲杠副，是提高伺服進給系統(tǒng)在高速時的穩(wěn)定性，改善動態(tài)特性的有效措施。例如日本牧野銑床制作所的A55E型的臥式高速加工中心和新瀉鐵工的SPN50-H0型臥式高速加工中心以及豐田工機的EV33立式高速加工中心等都采用了雙電動機雙絲杠的驅(qū)動方式。
      要在伺服進給系統(tǒng)中配置制動裝置、柔性緩沖器、垂向傳動時的自鎖器等。
      在選購和驗收精密高速滾珠絲杠時，要與一般大導程滾珠絲杠區(qū)別開來，并要求制造商提供訂購產(chǎn)品的工作速度、加速度、精度、噪聲、溫升等檢測數(shù)據(jù)。若使用Si3N4陶瓷球，應查看Si3N4陶瓷球的精度、硬度、表面粗糙度、壓饋負荷的檢驗證書。若選用空心強冷絲杠，還應查看深孔的直線度，與外圓的同軸度的檢驗結(jié)果。為了確保高速運轉(zhuǎn)時的可靠性，還應查看絲杠軸、螺母、循環(huán)返向裝置的原材料及熱處理檢驗報告。
      我國已加入WTO，經(jīng)濟全球化、市場國際化使精密高速滾珠絲杠副的發(fā)展面臨機遇和挑戰(zhàn)。沖破國外禁賣的約束，國產(chǎn)精密高速滾珠絲杠副將為我國數(shù)控機床的高速化作出貢獻。