趙 雷

（沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110142）

滾珠絲杠是機(jī)械設(shè)計中廣泛應(yīng)用的傳動元件，主要用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，具有高效快速、高精度、高剛性以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點[1]。目前，基于滾珠絲杠設(shè)計的傳動機(jī)構(gòu)一般由絲杠部分旋轉(zhuǎn)，通過在絲母內(nèi)部通道的滾珠帶動絲母部分直線運動，從而完成直線傳動的過程。當(dāng)直線傳動的行程較長時，這種傳動方式存在一定的弊端。這是因為隨著絲杠長度的增加，自身重力變大，在傳動過程中絲杠的彎曲變形也會隨之變大，同時使絲杠產(chǎn)生比較嚴(yán)重的的振動，導(dǎo)致整個傳動機(jī)構(gòu)的工作精度降低，剛性和傳動穩(wěn)定性變差。另外，由于絲杠重力的增加，絲杠的轉(zhuǎn)動慣量也會變大，會增加整個傳動機(jī)構(gòu)的負(fù)載，增加驅(qū)動元件的負(fù)擔(dān)，引起多余的能耗和發(fā)熱[2]。因此，設(shè)計大行程滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)時，需要一種結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、運行更可靠的傳動方式。

本文討論的基于滾珠絲杠的直線傳動方式，以滾珠絲杠及相關(guān)部件為主體，采用絲杠固定、絲母旋轉(zhuǎn)的傳動方式完成傳動過程。這種傳動方式可以有效提高大行程滾珠絲杠傳動的精度、剛性以及穩(wěn)定性，能夠更好地適用在需要大行程滾珠絲杠傳動的場合。

1 絲杠固定傳動方式的結(jié)構(gòu)原理和特點

1.1 絲杠固定傳動方式的結(jié)構(gòu)說明

絲杠固定的傳動方式主要由滾珠絲杠、固定元件、移動元件以及驅(qū)動元件等組成。其中，絲杠部分與固定部件固定連接，絲母部分與移動部件固定連接，驅(qū)動元件和絲母相連。工作時，驅(qū)動元件帶動絲母做旋轉(zhuǎn)運動，通過絲母內(nèi)部滾珠的移動，使絲杠和絲母產(chǎn)生相對位移。在絲杠固定的情況下，絲母相對絲杠產(chǎn)生直線相對運動，完成傳動過程。

1.2 絲杠固定傳動方式的結(jié)構(gòu)特點

1.2.1 絲杠固定傳動方式的受力特點

對于絲杠固定傳動方式，在傳動過程中驅(qū)動元件與絲母部分連接，且與絲母同步相對絲杠部分做直線運動。絲杠采用固定安裝，因此受到的旋轉(zhuǎn)力矩較小。

1.2.2 絲杠固定傳動方式的安裝特點

因為絲杠固定傳動方式在傳動過程中絲杠是固定不動的，而是絲母旋轉(zhuǎn)，所以在安裝整個傳動機(jī)構(gòu)時，絲杠兩端不是用軸承和軸承座的結(jié)構(gòu)做絲杠的徑向支撐，而是需要在絲杠的兩端采用固定絲杠的軸向轉(zhuǎn)動的方式進(jìn)行安裝固定。因此，一般采用定位銷卡住絲杠的軸向轉(zhuǎn)動，或者采用定位鍵將絲杠軸向固定，完成整個傳動系統(tǒng)的安裝。

1.2.3 絲杠固定傳動方式的潤滑特點

絲杠固定傳動方式中絲母部分是旋轉(zhuǎn)的。如果采用傳統(tǒng)向絲母潤滑孔注入潤滑液的方式潤滑，潤滑管路會纏繞在絲母上，影響絲母的轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致無法傳動[3]。絲杠固定傳動方式一般采用特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行潤滑，即在絲母部分安裝配油環(huán)潤滑，通過向相對絲母固定的配油環(huán)注入潤滑油完成整個傳動系統(tǒng)的潤滑?；蛘甙惭b相對絲杠直線運動油刷，向油刷注入潤滑油，再利用油刷相對絲杠的相對運動完成整個傳動機(jī)構(gòu)的潤滑。

1.3 絲杠固定傳動方式的優(yōu)勢

綜合絲杠固定傳動方式的結(jié)構(gòu)特點可知，相比傳統(tǒng)的絲杠轉(zhuǎn)動傳動方式，它的優(yōu)點體現(xiàn)在大行程時具有諸多優(yōu)勢。

1.3.1 可以實現(xiàn)大行程高速傳動進(jìn)給

絲杠固定傳動方式將絲杠部分固定，使絲杠在傳動過程中對慣性力和不平衡的影響較小。即使是傳動行程較大，它也能實現(xiàn)高速傳動，并且減輕驅(qū)動元件的負(fù)擔(dān)[4]。

1.3.2 傳動運行穩(wěn)定

與傳統(tǒng)絲杠旋轉(zhuǎn)的傳動方式相比，因為絲母旋轉(zhuǎn)絲杠固定，所以它能夠獲得更加平滑穩(wěn)定的傳動過程。絲杠運行不會發(fā)生跳動現(xiàn)象，同時運行噪聲小，發(fā)熱量低。

1.3.3 傳動精度高

絲杠固定傳動方式減小了絲杠在傳動過程中由于自身轉(zhuǎn)動引起的振動，大大提高了整個傳動機(jī)構(gòu)的精度。

1.3.4 傳動的高剛性

與傳統(tǒng)的絲杠轉(zhuǎn)動傳動方式相比，絲杠固定傳動方式絲杠固定安裝，絲母用軸承固定，使得支撐軸承較大，大幅提高了軸向剛性。

1.3.5 傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理絲杠固定傳動方式中絲母與支撐軸承安裝在一起，使得整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，更容易調(diào)整精度[5]。

2 絲杠固定傳動方式的應(yīng)用舉例

2.1 應(yīng)用舉例條件說明

某大型臥式車床產(chǎn)品坐標(biāo)軸Z軸行程為3 000 mm，快速移動速度為40 m·min-1，定位精度為0.010 0 mm，重復(fù)定位精度為0.008 0 mm。按照上述需求，該機(jī)床產(chǎn)品Z軸選擇用日本THK廠家型號為DKN8020S型的滾珠絲杠產(chǎn)品。該滾珠絲杠產(chǎn)品直徑為80 mm，導(dǎo)程為20 mm。該臥式車床產(chǎn)品的Z軸行程較長，所選滾珠絲杠的直徑較大，傳動機(jī)構(gòu)整體的轉(zhuǎn)動慣量也比較大。如果采取絲杠轉(zhuǎn)動的傳統(tǒng)傳動方式，在傳統(tǒng)系統(tǒng)運行時易引起絲杠振動，導(dǎo)致傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量增大，影響整個Z軸的傳動精度，也會增加Z軸驅(qū)動元件的負(fù)擔(dān)。因此，初步判斷這種情況比使用絲杠固定傳動方式較適合。

2.2 采用絲杠固定傳動方式的傳動機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)

利用絲杠固定傳動方式為該機(jī)床產(chǎn)品Z軸設(shè)計的傳動機(jī)構(gòu)，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)主要由絲杠1、床鞍2、絲母3、軸承4、固定軸套5、潤滑支架6、驅(qū)動帶輪7、油刷8、軸承座9以及床身10等元件構(gòu)成。其中：滾珠絲杠的絲杠1與機(jī)床床身10固定連接；滾珠絲杠的絲母3通過軸承4與固定軸套5固定連接；固定軸套5與機(jī)床床鞍2固定連接；絲母3與驅(qū)動帶輪7連接，驅(qū)動帶輪7連接驅(qū)動電機(jī)；潤滑支架6固定在床鞍2上，并在潤滑支架6上安裝油刷8。

圖1 絲杠固定的傳動結(jié)構(gòu)在臥式車床的應(yīng)用

2.3 傳動機(jī)構(gòu)的工作原理

當(dāng)Z軸傳動工作時，驅(qū)動電機(jī)工作，帶動驅(qū)動帶輪7旋轉(zhuǎn)，再由驅(qū)動帶輪7帶動絲母3旋轉(zhuǎn)，使?jié)L珠絲杠的絲母3和絲杠1之間發(fā)生直線位移，再由絲母3通過固定軸套5帶動機(jī)床床鞍2相對機(jī)床床身10直線位移，完成床鞍2相對床身10的直線進(jìn)給運動。

2.4 傳動機(jī)構(gòu)的安裝方式

傳動機(jī)構(gòu)安裝時，絲杠1固定在床身10上，絲母3固定在滑鞍2上。絲杠通過絲杠兩端的軸承座9安裝固定。在軸承座上端打入定位銷，利用定位銷將絲杠和軸承座固定在一起，完成絲杠的安裝固定。絲母通過支撐軸承4和固定軸套5，利用螺釘安裝在滑鞍上，從而完成了整個傳動機(jī)構(gòu)的安裝固定。

2.5 傳動機(jī)構(gòu)的潤滑方式

在整個傳動機(jī)構(gòu)運行過程中，床鞍2發(fā)生直線位移后會帶動潤滑支架6相對絲杠1做直線運動，使固定在潤滑支架6上的與絲杠3接觸的油刷8相對絲杠做直線運動。當(dāng)向利用潤滑支架6上的潤滑接頭向油刷8注入潤滑油后，油刷會浸滿潤滑油。當(dāng)油刷8相對絲杠1運動時，潤滑油會涂抹在絲杠8上，從而完成整個傳動系統(tǒng)的潤滑。

2.6 兩種結(jié)構(gòu)的精度測試

為了對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度比對，應(yīng)用激光干涉儀對采用兩種不同傳動方式的機(jī)床Z軸的傳動運行精度、快移速度以及運行可靠性等性能指標(biāo)，分別采用空轉(zhuǎn)和加載的方式進(jìn)行測試，得出的結(jié)果與機(jī)床需求進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 兩種不同傳動方式的性能測試結(jié)果

通過性能測試結(jié)果的數(shù)據(jù)對比可以看出，對比絲杠旋轉(zhuǎn)傳動方式，絲杠固定傳動方式由于絲杠運行振動減小，大大提高了傳動機(jī)構(gòu)運行時的定位精度、重復(fù)定位精度以及運行直線度等。此外，絲杠固定傳動方式有效減小了傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，降低了進(jìn)給軸對驅(qū)動電機(jī)的性能要求，有效改善了傳動機(jī)構(gòu)的快移速度和驅(qū)動元件的發(fā)熱量。可見，在大行程滾珠絲杠傳動中，采用絲杠固定傳動方式更合適。相比絲杠旋轉(zhuǎn)傳統(tǒng)傳動方式，絲杠固定傳動方式在傳動精度、傳動穩(wěn)定性等方面優(yōu)勢明顯。

3 結(jié)語

根據(jù)本文的分析討論和應(yīng)用舉例可知，當(dāng)滾珠絲杠傳動行程較大時，應(yīng)用絲杠固定傳動結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的絲杠旋轉(zhuǎn)傳動方式，可以有效提高大行程絲杠傳動的穩(wěn)定性和傳動機(jī)構(gòu)的剛性，對優(yōu)化各種直線軸進(jìn)給結(jié)構(gòu)、優(yōu)化大行程直線進(jìn)給軸的性能有積極作用。當(dāng)這種傳動方式應(yīng)用在有大行程坐標(biāo)軸的機(jī)床產(chǎn)品時，可以提高機(jī)床的精度和機(jī)床整體的穩(wěn)定性，從而大大提高機(jī)床產(chǎn)品的市場競爭力。