淺談滾珠絲杠副傳動

機電一體化技術是機械工業發展的必然趨勢，有廣闊的技術前景。滾珠絲桿副是為了適應機電一體化機械傳動系統的要求而發展起來的一種新型傳動機構，由滾珠絲杠、滾珠螺母（組件）和滾珠組成，可以將旋轉運動變為直線運動，或者將直線運動轉變成旋轉運動。滾珠絲杠副不僅是各類數控裝備的核心功能部件，還是機械工業領域中資本密集型和技術密集型的重要通用零部件。在線性傳動家族中滾珠絲杠副是應用面很廣，產業化程度較高的產品。

一、我國滾珠絲杠的現狀

我國滾動功能部件行業生產不集中、產品品種單一、含金量偏低，尚無在國際上有影響力的知名品牌，已成為國產數控機床發展的瓶頸。目前我國滾動功能部件生產企業有50家（不含臺灣省），研究院所、高校共3家，企業附屬研究機構3個。生產滾珠絲杠的企業有48家，年產值可達6.5億元，生產滾動直線導軌的企業有6家（其中4家同時生產滾珠絲杠），年產值可達1.5億元。在50家企業中，生產規模大、工藝裝備較齊全、產量大、品種多的企業只有6家，而且企業存在對用戶市場缺乏戰略研究，產業技術開發的工作跟不上形勢發展的要求，企業的核心競爭力不強，創新能力較差等問題。我國滾動功能部件產業與國外的主要差距是：專業生產水平不高，信息化管理滯后，產業化進程緩慢，個性化服務跟不上。中低檔產品與國外同類產品差距較小或基本持平，但生產效率卻遠遠低于國外。而高性能、高檔次的產品與NSK、THK、INA等知名企業有明顯差距，成為制約國產高檔數控機床發展的瓶頸。

二、滾珠絲桿副的結構及創新

1.適度增大滾珠絲杠副的導程Pn和螺紋頭數是實現高速化的最佳選擇

我國早在1989年就完成了大導程滾珠絲杠副的“七五”攻關，螺旋升角為φ>9°～17°的大導程滾珠絲杠副已實現批量生產。但是由于螺紋磨床傳動鏈誤差“基因”的遺傳，導程越大，導程精度很難提高。

2.對滾珠進行改進

在高速運動時，滾珠的自旋速度、公轉速度、離心力都很大，滾珠相互間的撞擊、進出反向機構的瞬間沖擊力也很大。解決這個問題有四種方法：通過對滾珠鏈優化計算，適當減小滾珠直徑；采用空心鋼球，使用空心滾珠絲杠副可有效降低轉動慣量，提高絲杠的轉速；改變滾珠排列方式，將滾珠鏈中的滾珠按一大一小間隔排列；采用氮化硅陶瓷球。

3.為滾珠添加保持器

在絲杠中為滾珠添加保持器后，避免了滾珠體之間的直接摩擦，實現了靜音、運行順滑、潤滑周期長、高速性、耐久性等效果。

4.空心強冷

在高速運轉時，絲杠軸的熱變形是加工誤差的來源之一，為了提高系統剛性對絲杠軸預拉伸也會產生熱量。解決發熱問題的有效辦法是將冷卻液通入空心絲杠內部進行強制循環冷卻，這還有助于減小高速運轉時的慣性，增加絲杠軸的扭曲剛度。

5.改進滾珠螺母結構

（1）改進預加負荷的方式，對預緊力Fp實施動態控制。在高速運轉時，為保持滾珠絲杠副在全行程范圍內剛度和精度不發生變化，必須使Fp不丟失，動態預緊轉矩Tp恒定。

（2）滾珠在進出反向機構時，會重復產生布里涅耳(Brinell)效應，即布氏撞擊耗損。因此，應針對高速的要求對循環反向機構進行優化設計:內循環反向結構及回珠槽曲線參數的優化，采用高含油、高密度纖維減摩材料使滾珠在循環時“軟著陸”，外循環導珠管采用高強度厚壁優質合金材料、加大曲率半徑、對管壁和管舌實施強化處理，反向器和導珠管在滾珠螺母體上的坐標位置優化布局等。

（3）其他減振減噪措施有：在滾珠螺母體周邊配置防噪聲套管等。

6.對滾珠絲杠副實施雙電動機驅動

用一個伺服電動機驅動滾珠絲杠軸，另一個伺服電動機以相反方向驅動由軸承支撐的滾珠螺母，這樣工作臺的進給速度幾乎可提高一倍。

7.改變驅動方式

當絲杠行程很長時，可將“絲杠轉動→螺母移動”的絲杠驅動方式改為“絲杠固定，螺母一邊轉動一邊移動”的螺母驅動方式。

8.改善滾珠絲杠副的摩擦特性

在螺紋滾道、滾珠反向通道、鋼球表面采用一種涂層可使高速運轉時的摩擦力矩降低10%左右，明顯減少鋼球在非純滾動的“滑移”過程中對螺紋滾道的擦傷，延長使用壽命。

三、滾珠絲杠副的發展趨勢

未來滾珠絲杠副將朝著大型、重載、精密的方向發展。滾珠絲杠副的發展及其在各個方面的創新可以實現機械裝置的高速化，為機電一體化技術的發展提供了便利的條件。21世紀機電一體化技術將成為機械工業的主角，能帶來顯著的經濟效益和社會效益。

（作者單位：山東省煙臺工程職業技術學院）