曲海波

威海市技術(shù)學(xué)院工業(yè)技術(shù)系 山東威海市

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（刀架、工作臺(tái)等）的運(yùn)動(dòng)。大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)是由伺服電機(jī)經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲杠直接相連，然后由滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，滾珠絲杠螺母副，是直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置。

一、滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)與工作原理

1.滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)、原理

滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)與原理見(jiàn)圖1。在絲杠和螺母間裝有滾珠作為中間元件，絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽，套裝在一起時(shí)便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來(lái)構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)即自轉(zhuǎn)，迫使螺母（或絲杠）軸向移動(dòng)。

圖1 滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)原理

2.滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式

常用的循環(huán)方式有兩種：滾珠在循環(huán)過(guò)程中有時(shí)與絲杠脫離接觸的稱(chēng)為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱(chēng)內(nèi)循環(huán)。

（1）外循環(huán)。圖2所示為常用的一種外循環(huán)方式，這種結(jié)構(gòu)是在螺母體上軸向相隔數(shù)個(gè)半導(dǎo)程處鉆兩個(gè)孔與螺旋槽相切，作為滾珠的進(jìn)口與出口。再在螺母的外表面上銑出回珠槽并溝通兩孔。另外在螺母內(nèi)進(jìn)出口處各裝一個(gè)擋珠器，并在螺母外表面裝一個(gè)套筒，這樣構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道。外循環(huán)結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)單，使用較廣泛。缺點(diǎn)是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動(dòng)的平穩(wěn)性，甚至發(fā)生卡珠現(xiàn)象，噪聲也較大。

圖2 外循環(huán)滾珠絲杠

（2）內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)均采用反向器實(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種型式。如圖3a所示為圓柱凸鍵反向器，反向器的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開(kāi)有反向槽。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的凸鍵定位，以保證對(duì)準(zhǔn)螺紋滾道方向。圖3b為扁圓鑲塊反向器，反向器為一半圓頭平鍵形鑲塊，鑲塊嵌入螺母的切槽中，其端部開(kāi)有反向槽，用鑲塊的外廓定位。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。

二、滾珠絲杠副的安裝

圖3 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)要獲得較高的傳動(dòng)剛度，除了加強(qiáng)滾珠絲杠螺母本身的剛度之外，滾珠絲杠正確的安裝及其支承的結(jié)構(gòu)剛度也是不可忽視的因素。螺母座及支承座都應(yīng)具有足夠的剛度和精度。通常都適當(dāng)加大和機(jī)床結(jié)合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸剛度，新設(shè)計(jì)的機(jī)床在工藝條件允許時(shí)，常常把螺母座或支承座與機(jī)床本體做成整體來(lái)增大剛度。滾珠絲杠副的安裝方式通常有以下幾種。

1.雙推——自由方式

如圖4a所示。絲杠一端固定，另一端自由。固定端軸承同時(shí)承受軸向力和徑向力。這種支承方式用于行程小的短絲杠。

圖4 滾珠絲杠副的安裝方式

2.雙推——支承方式

如圖4b所示。絲杠一端固定，另一端支承。固定端同時(shí)承受軸向力和徑向力，支承端只承受徑向力，而且能作微量軸向浮動(dòng)，可以減少或避免因絲杠自重而出現(xiàn)的彎曲，同時(shí)絲杠熱變形可以自由地向一端伸長(zhǎng)。

3.雙推——雙推方式

如圖4c所示。絲杠兩端均固定，固定端軸承可以同時(shí)承受軸向力，這種支承方式，可以對(duì)絲杠施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，提高絲杠支承剛度，可以部分補(bǔ)償絲杠的熱變形。

三、滾珠絲杠螺母副的調(diào)整、維護(hù)

為保證滾珠絲杠反向傳動(dòng)精度和軸向剛度，必須消除滾珠絲杠螺母副軸向間隙。消除間隙的方法常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位移，使兩個(gè)滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個(gè)相反的側(cè)面上，用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時(shí)，應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過(guò)大（小于1/3最大軸向載荷），預(yù)緊力過(guò)大會(huì)使空載力矩增加，從而降低傳動(dòng)效率，縮短使用壽命。

1.滾珠絲杠副消除間隙方法

（1）墊片調(diào)隙式。如圖5所示，調(diào)整墊片厚度使左右兩螺母產(chǎn)生軸向位移，即可消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單剛性好，但調(diào)整不便，滾道有磨損時(shí)不能隨時(shí)消除間隙和進(jìn)行預(yù)緊。

（2）螺紋調(diào)整式。如圖6所示，螺母的一端有凸緣，螺母外端制有螺紋，調(diào)整時(shí)只要旋動(dòng)圓螺母，即可消除軸向間隙并可達(dá)到產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。

（3）齒差調(diào)隙式。如圖7所示。在兩個(gè)螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪，分別與固緊在套筒兩端的內(nèi)齒圈相嚙合，其齒數(shù)分別為Z1和Z2，并相差一個(gè)齒。調(diào)整時(shí)，先取下內(nèi)齒圈，讓兩個(gè)螺母相對(duì)于套筒同方向都轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，然后再插入內(nèi)齒圈，則兩個(gè)螺母便產(chǎn)生相對(duì)角位移，其軸向位移量 S=（1/Z1－1/Z2）Pn。例如，Z1=80，Z2=81，滾珠絲杠的導(dǎo)程Pn=6mm時(shí)，S=6/6480≈0.001mm，這種調(diào)整方法能精確調(diào)整預(yù)緊量，調(diào)整方便、可靠、但結(jié)構(gòu)尺寸較大，多用于高精度的傳動(dòng)。

（4）單螺母變位螺距預(yù)加負(fù)荷消隙。如圖8所示。它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)珠鏈之問(wèn)，使內(nèi)螺母滾道在軸向產(chǎn)生一個(gè)ΔL0的螺距突變量，從而使兩列滾珠在軸向錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但負(fù)荷量須預(yù)先設(shè)定且不能改變。

圖5 墊片調(diào)隙式

圖6 螺紋調(diào)整式的滾珠絲杠螺母副

（5）單螺母螺釘預(yù)緊。如圖9所示，螺母的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)工作完成精磨之后，沿徑向開(kāi)一薄槽，通過(guò)內(nèi)六角調(diào)整螺釘實(shí)現(xiàn)間隙的調(diào)整和預(yù)緊。該專(zhuān)利技術(shù)成功地解決了開(kāi)槽后滾珠在螺母中良好的通過(guò)性。單螺母結(jié)構(gòu)不僅具有很好的性能價(jià)格比，而且間隙的調(diào)整和預(yù)緊極為方便。

圖7 齒差調(diào)隙式

圖8 單螺母變螺距預(yù)加負(fù)荷

2.滾珠絲杠副的防護(hù)及潤(rùn)滑

圖9 單螺母螺釘預(yù)緊

（1）滾珠絲杠副的防護(hù)。滾珠絲杠副和其他滾動(dòng)摩擦的傳動(dòng)器件一樣，應(yīng)避免硬質(zhì)灰塵或切屑污物進(jìn)入，因此必須裝有防護(hù)裝置。如果滾珠絲杠副在機(jī)床上外露，則應(yīng)采用封閉的防護(hù)罩，如采用螺旋彈簧鋼帶套管、伸縮套管以及折疊式套管等。安裝時(shí)將防護(hù)罩的一端連接在滾珠螺母的側(cè)面，另一端固定在滾珠絲杠的支承座上。如果滾珠絲杠副處于隱蔽的位置，則可采用密封圈防護(hù)，密封圈裝在螺母的兩端。接觸式的彈性密封圈采用耐油橡膠或尼龍制成，其內(nèi)孔做成與絲杠螺紋滾道相配的形狀；接觸式密封圈的防塵效果好，但由于存在接觸壓力，使摩擦力矩略有增加。非接觸式密封圈又稱(chēng)迷宮式密封圈，它采用硬質(zhì)塑料制成，其內(nèi)孔與絲杠螺紋滾道的形狀相反，并稍有間隙，這樣可避免摩擦力矩，但是防塵效果差。工作中應(yīng)避免碰擊防護(hù)裝置，防護(hù)裝置一有損壞應(yīng)及時(shí)更換。

（2）滾珠絲杠副的潤(rùn)滑。潤(rùn)滑劑可提高耐磨性及傳動(dòng)效率。潤(rùn)滑脂可分為潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂兩大類(lèi)。潤(rùn)滑油一般為全損耗系統(tǒng)用油；潤(rùn)滑脂可采用鋰基潤(rùn)滑脂。潤(rùn)滑脂一般加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內(nèi)，而潤(rùn)滑油則經(jīng)過(guò)殼體上的油孔注入螺母的空間內(nèi)。每半年對(duì)滾珠絲杠上的潤(rùn)滑脂更換一次，清洗絲杠上的舊潤(rùn)滑脂，涂上新的潤(rùn)滑脂。用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的滾珠絲杠副，可在每次機(jī)床工作前加油一次。

（3）支承軸承的定期檢查。應(yīng)定期檢查絲杠支承與床身的連接是否有松動(dòng)以及支承軸承是否損壞等。如有以上問(wèn)題，要及時(shí)緊固松動(dòng)部件并更換支承軸承。

四、滾珠絲杠副的常見(jiàn)故障及排除方法

1.滾珠絲杠副常見(jiàn)故障及排除方法

（1）加工件粗糙值高。導(dǎo)軌的潤(rùn)滑油不足夠，致使溜板爬行伺服電動(dòng)機(jī)未調(diào)整好，增益過(guò)大絲杠軸承損壞，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)滾珠絲杠有局部拉毛或研損。加潤(rùn)滑油，排除潤(rùn)滑故障，調(diào)整伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，更換損壞軸承，更換或修理絲杠。

（2）反向誤差大，加工精度不穩(wěn)定。絲杠軸聯(lián)軸器錐套松動(dòng)絲杠軸滑板配合壓板過(guò)緊或過(guò)松絲杠軸滑板配合楔鐵過(guò)緊或過(guò)松滾珠絲杠預(yù)緊力過(guò)緊或過(guò)松滾珠絲杠螺母端面與結(jié)合面不垂直，結(jié)合過(guò)松絲杠支座軸承預(yù)緊力過(guò)緊或過(guò)松其他機(jī)械干涉潤(rùn)滑油不足或沒(méi)有滾珠絲杠制造誤差大或軸向竄動(dòng)。重新緊固并用百分表反復(fù)測(cè)試，重新調(diào)整或修研，用O.03mm塞尺塞不入為合格，重新調(diào)整或修研，使接觸率達(dá)70%以上，用0.03mm塞尺塞不入為合格，排除干涉部位，修理、調(diào)整或加墊處理，修理調(diào)整，用控制系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償功能消除間隙，用儀器測(cè)量并調(diào)整絲杠竄動(dòng)，調(diào)節(jié)至各導(dǎo)軌面均有潤(rùn)滑油，調(diào)整預(yù)緊力。檢查軸向竄動(dòng)值，使其誤差≤0.015mm。

（3）滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)矩過(guò)大。二滑板配合壓板過(guò)緊或研損滾珠絲杠螺母反向器損壞，滾珠絲杠卡死或軸端螺母預(yù)緊力過(guò)大絲杠研損伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠聯(lián)結(jié)不同軸無(wú)潤(rùn)滑油伺服電動(dòng)機(jī)過(guò)熱報(bào)警超程開(kāi)關(guān)失靈造成機(jī)械故障。重新調(diào)整或修研壓板，使0.04mm塞尺塞不入為合格，修復(fù)或更換絲杠并精心調(diào)整，更換，調(diào)整同軸度并緊固連接座，調(diào)整潤(rùn)滑油路，檢查故障并排除。

（4）絲杠螺母潤(rùn)滑不良。分油器是否分油，油管是否堵塞。清除污物使油管暢通檢查定量分油器。

（5）滾珠絲杠副噪聲。滾珠絲杠軸承壓蓋壓合不良，滾珠絲杠潤(rùn)滑不良，絲杠支承軸承可能破損電動(dòng)機(jī)與絲杠聯(lián)軸器松動(dòng)，滾珠產(chǎn)生破損。調(diào)整壓蓋，使其壓緊軸承，檢查分油器和油路，使?jié)櫥统渥?，更換滾珠，如軸承破損更換新軸承，擰緊連軸器鎖緊螺釘。

（6）滾珠絲杠不靈活。絲杠彎曲變形軸向預(yù)加載荷太大絲杠與導(dǎo)軌不平行螺母軸線與導(dǎo)軌不平行。

（7）滾珠絲杠副傳動(dòng)狀況不良。用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑的絲杠需要移動(dòng)工作臺(tái)取下套罩，涂上潤(rùn)滑脂滾珠絲杠副潤(rùn)滑狀況不良。

2.滾珠絲杠副維修實(shí)例

（1）跟蹤誤差過(guò)大報(bào)警。XK713加工過(guò)程中，X軸出現(xiàn)跟蹤誤差過(guò)大報(bào)警。該機(jī)床采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服電機(jī)與絲杠采用直聯(lián)的連結(jié)方式。在檢查系統(tǒng)控制參數(shù)無(wú)誤后，拆開(kāi)電機(jī)防護(hù)罩，在電機(jī)伺服帶電的情況下，用手?jǐn)Q動(dòng)絲杠，發(fā)現(xiàn)絲杠與電機(jī)有相對(duì)位移，可以判斷是由于電機(jī)與絲杠連接的脹緊套松動(dòng)所致，緊定緊固螺釘后，故障消除。

（2）位移中產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)。CK6136車(chē)床在Z向移動(dòng)時(shí)有明顯的機(jī)械抖動(dòng)。該機(jī)床在Z向移動(dòng)時(shí)，明顯感受到機(jī)械抖動(dòng)，在檢查系統(tǒng)參數(shù)無(wú)誤后，將Z軸電機(jī)卸下，單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。用扳手轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，振動(dòng)手感明顯。拆下Z軸絲杠防護(hù)罩，發(fā)現(xiàn)絲杠上有很多小鐵屑及污物，初步判斷為絲杠故障引起的機(jī)械抖動(dòng)。拆下滾珠絲杠副，打開(kāi)絲杠螺母，發(fā)現(xiàn)螺母反向器內(nèi)也有很多小鐵屑及污物，造成鋼球運(yùn)轉(zhuǎn)流動(dòng)不暢，時(shí)有阻滯現(xiàn)象。用汽油認(rèn)真清洗，清除雜物，重新安裝，調(diào)整好間隙，故障排除。

五、小結(jié)

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置和器件具有高壽命、高剛度、無(wú)間隙、高靈敏度和低噪聲。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈中，采用絲杠螺母副較普遍。在日常維護(hù)中要經(jīng)常檢查潤(rùn)滑狀況，機(jī)械精度每年檢測(cè)調(diào)整一次，新機(jī)床可兩年檢測(cè)調(diào)整一次，以確保機(jī)床的加工精度。 W13.12-11