一種新型滾珠絲杠傳動方式在機床設計中的應用

趙 雷

（沈陽機床（集團）有限責任公司，沈陽 110142）

滾珠絲杠是機械設計中廣泛應用的傳動元件，主要用于將旋轉運動轉換為直線運動，具有高效快速、高精度、高剛性以及適應性強等優點[1]。目前，基于滾珠絲杠設計的傳動機構一般由絲杠部分旋轉，通過在絲母內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，同時使絲杠產生比較嚴重的的振動，導致整個傳動機構的工作精度降低，剛性和傳動穩定性變差。另外，由于絲杠重力的增加，絲杠的轉動慣量也會變大，會增加整個傳動機構的負載，增加驅動元件的負擔，引起多余的能耗和發熱[2]。因此，設計大行程滾珠絲杠傳動機構時，需要一種結構更穩定、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，以滾珠絲杠及相關部件為主體，采用絲杠固定、絲母旋轉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構原理和特點

1.1 絲杠固定傳動方式的結構說明

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，驅動元件和絲母相連。工作時，驅動元件帶動絲母做旋轉運動，通過絲母內部滾珠的移動，使絲杠和絲母產生相對位移。在絲杠固定的情況下，絲母相對絲杠產生直線相對運動，完成傳動過程。

1.2 絲杠固定傳動方式的結構特點

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，所以在安裝整個傳動機構時，絲杠兩端不是用軸承和軸承座的結構做絲杠的徑向支撐，而是需要在絲杠的兩端采用固定絲杠的軸向轉動的方式進行安裝固定。因此，一般采用定位銷卡住絲杠的軸向轉動，或者采用定位鍵將絲杠軸向固定，完成整個傳動系統的安裝。

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的。如果采用傳統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，影響絲母的轉動，導致無法傳動[3]。絲杠固定傳動方式一般采用特殊設計的結構進行潤滑，即在絲母部分安裝配油環潤滑，通過向相對絲母固定的配油環注入潤滑油完成整個傳動系統的潤滑。或者安裝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構的潤滑。

1.3 絲杠固定傳動方式的優勢

綜合絲杠固定傳動方式的結構特點可知，相比傳統的絲杠轉動傳動方式，它的優點體現在大行程時具有諸多優勢。

1.3.1 可以實現大行程高速傳動進給

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，它也能實現高速傳動，并且減輕驅動元件的負擔[4]。

1.3.2 傳動運行穩定

與傳統絲杠旋轉的傳動方式相比，因為絲母旋轉絲杠固定，所以它能夠獲得更加平滑穩定的傳動過程。絲杠運行不會發生跳動現象，同時運行噪聲小，發熱量低。

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動引起的振動，大大提高了整個傳動機構的精度。

1.3.4 傳動的高剛性

與傳統的絲杠轉動傳動方式相比，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 傳動結構設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，使得整體結構更加緊湊，更容易調整精度[5]。

2 絲杠固定傳動方式的應用舉例

2.1 應用舉例條件說明

某大型臥式車床產品坐標軸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，重復定位精度為0.008 0 mm。按照上述需求，該機床產品Z軸選擇用日本THK廠家型號為DKN8020S型的滾珠絲杠產品。該滾珠絲杠產品直徑為80 mm，導程為20 mm。該臥式車床產品的Z軸行程較長，所選滾珠絲杠的直徑較大，傳動機構整體的轉動慣量也比較大。如果采取絲杠轉動的傳統傳動方式，在傳統系統運行時易引起絲杠振動，導致傳動系統的轉動慣量增大，影響整個Z軸的傳動精度，也會增加Z軸驅動元件的負擔。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構整體結構

利用絲杠固定傳動方式為該機床產品Z軸設計的傳動機構，如圖1所示。該結構主要由絲杠1、床鞍2、絲母3、軸承4、固定軸套5、潤滑支架6、驅動帶輪7、油刷8、軸承座9以及床身10等元件構成。其中：滾珠絲杠的絲杠1與機床床身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與機床床鞍2固定連接；絲母3與驅動帶輪7連接，驅動帶輪7連接驅動電機；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 絲杠固定的傳動結構在臥式車床的應用

2.3 傳動機構的工作原理

當Z軸傳動工作時，驅動電機工作，帶動驅動帶輪7旋轉，再由驅動帶輪7帶動絲母3旋轉，使滾珠絲杠的絲母3和絲杠1之間發生直線位移，再由絲母3通過固定軸套5帶動機床床鞍2相對機床床身10直線位移，完成床鞍2相對床身10的直線進給運動。

2.4 傳動機構的安裝方式

傳動機構安裝時，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構的安裝固定。

2.5 傳動機構的潤滑方式

在整個傳動機構運行過程中，床鞍2發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的潤滑。

2.6 兩種結構的精度測試

為了對兩種結構進行精度比對，應用激光干涉儀對采用兩種不同傳動方式的機床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，分別采用空轉和加載的方式進行測試，得出的結果與機床需求進行對比，結果如表1所示。

表1 兩種不同傳動方式的性能測試結果

通過性能測試結果的數據對比可以看出，對比絲杠旋轉傳動方式，絲杠固定傳動方式由于絲杠運行振動減小，大大提高了傳動機構運行時的定位精度、重復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的轉動慣量，降低了進給軸對驅動電機的性能要求，有效改善了傳動機構的快移速度和驅動元件的發熱量。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。相比絲杠旋轉傳統傳動方式，絲杠固定傳動方式在傳動精度、傳動穩定性等方面優勢明顯。

3 結語

根據本文的分析討論和應用舉例可知，當滾珠絲杠傳動行程較大時，應用絲杠固定傳動結構，相比于傳統的絲杠旋轉傳動方式，可以有效提高大行程絲杠傳動的穩定性和傳動機構的剛性，對優化各種直線軸進給結構、優化大行程直線進給軸的性能有積極作用。當這種傳動方式應用在有大行程坐標軸的機床產品時，可以提高機床的精度和機床整體的穩定性，從而大大提高機床產品的市場競爭力。