滾珠絲杠高速進(jìn)給系統(tǒng)

 高速加工技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)之一，它的出現(xiàn)是市場經(jīng)濟(jì)全球化和各種先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的綜合結(jié)果。高速加工技術(shù)已逐漸發(fā)展成為一門綜合系統(tǒng)工程技術(shù)，并得到越來越廣泛的應(yīng)用。高速加工是面向21世紀(jì)的高新技術(shù)。其特點(diǎn)是效率高、精度高、表面質(zhì)量高。它獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。它是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。

 在高速加工機(jī)床快速發(fā)展的過程中，進(jìn)給系統(tǒng)速度的提高是實(shí)現(xiàn)高速化的主要組成部分之一。盡管人們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)高速進(jìn)給而對直線電機(jī)和平行虛擬軸機(jī)床進(jìn)行了探索和研究，但由于成本高、技術(shù)不完善而未能被廣泛接受。進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)仍然占主導(dǎo)地位。因此，開發(fā)高速滾珠絲杠螺母副是實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵技術(shù)之一。

 1、高速滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)

 自1958年美國公司生產(chǎn)出世界第一臺加工中心以來，“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”至今仍是加工中心等數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給方式。系統(tǒng)采用的主要形式。滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動，進(jìn)給加速度可達(dá)1g，進(jìn)給速度可達(dá)40-60m/min，定位精度可達(dá)20-25μm。與直線電機(jī)驅(qū)動的進(jìn)給系統(tǒng)相比，采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠的進(jìn)給方案受限于工作臺的慣性和滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)的進(jìn)給速度和加速度達(dá)到的相對較少。

改進(jìn)后的滾珠絲杠進(jìn)給速度一般不超過60-80m/min，加速度小于1.5g。它在高速加工中心的應(yīng)用仍然有限。與直線電機(jī)驅(qū)動的進(jìn)給系統(tǒng)相比，滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)的高速進(jìn)給系統(tǒng)可以大大降低成本。日本精工開發(fā)出進(jìn)給速度高達(dá)100m/min的滾珠絲杠。采取的改進(jìn)措施主要包括采用16-32mm的大導(dǎo)程，提高滾珠循環(huán)部分的質(zhì)量，采用多螺紋增加有效圈數(shù)，改善滾道形狀等。進(jìn)料系統(tǒng)的速度，高剛度和高承載能力。

2、直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)

直線電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)了非接觸式直接驅(qū)動，避免了滾珠絲杠、齒輪和齒條驅(qū)動存在的背隙、慣性、摩擦和剛性不足等缺點(diǎn)，可以獲得高精密高速運(yùn)動，并具有出色的穩(wěn)定性。直線電機(jī)的本質(zhì)是將旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向切割，然后將其拉直。直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子與工作臺固定連接，定子安裝在床身上。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中使用直線電機(jī)后，可以將機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短到零，從而實(shí)現(xiàn)所謂的“零傳動”。

直線電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)也有一些不利因素。例如，直線電機(jī)的磁場是開放的。特別是使用永磁直線電機(jī)時，應(yīng)在床身安裝一排磁力強(qiáng)的永磁體。因此，必須采取適當(dāng)?shù)拇鸥綦x措施，否則其磁場周圍的灰塵和碎屑會被吸收。與相同容量的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)的效率和功率因數(shù)較低。尤其是在低速時更為明顯，但從整個裝置和系統(tǒng)的角度來看，由于采用直線電機(jī)后省略了中間傳動裝置，系統(tǒng)的效率有時會高于旋轉(zhuǎn)電機(jī)。另外，直線電機(jī)特別是直線感應(yīng)電機(jī)的啟動推力受電源電壓影響很大，因此需要采取相關(guān)措施保證電源的穩(wěn)定性或改變電機(jī)的相關(guān)特性以減少或消除這種影響。直線電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床雖然需要解決上述問題，但目前，當(dāng)加速度大于1g時，直線電機(jī)仍是唯一的選擇。

3、基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的高速進(jìn)給系統(tǒng)

傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)一般是由床身、工作臺、立柱、導(dǎo)軌、主軸箱等零件串聯(lián)組成的非對稱布局。因此，機(jī)床結(jié)構(gòu)不僅要承受拉伸和壓縮載荷，還要承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。為了保證機(jī)床的整體剛性，只能使用結(jié)構(gòu)比較重的支撐件和運(yùn)動件，不僅消耗大量的材料和能源，而且制約進(jìn)給速度和加速度的進(jìn)一步提高的機(jī)床。刀具與工件的相對運(yùn)動誤差由各坐標(biāo)軸的運(yùn)動誤差線性疊加形成。機(jī)床結(jié)構(gòu)的不對稱也會導(dǎo)致應(yīng)力和熱量不均勻，從而影響機(jī)床的加工精度。為了克服傳統(tǒng)機(jī)床布局中的固有缺陷，滿足高速加工的要求，近年來出現(xiàn)了一種新概念的機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，即平行虛擬軸關(guān)節(jié)。結(jié)構(gòu)體。具有這種進(jìn)給機(jī)構(gòu)的機(jī)床也稱為平行運(yùn)動機(jī)床。

并聯(lián)機(jī)床是一種全新的實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，具有很好的應(yīng)用前景。但由于并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)限制，在應(yīng)用過程中也存在一定的問題。例如，有效工作空間比較小，六軸全平行機(jī)床的運(yùn)動范圍很小。很難同時實(shí)現(xiàn)立式和臥式加工，機(jī)床往往體積大，工作空間小，這是六桿機(jī)床發(fā)展初期的通病。近年來，各國大力發(fā)展混合動力機(jī)床，機(jī)床的這種結(jié)構(gòu)可以在很大程度上解決工作空間小的問題。平行機(jī)床的另一個嚴(yán)重問題是加工精度低，主要原因是桿件的熱變形和鉸鏈接頭的制造精度難以提高，研發(fā)結(jié)構(gòu)尺寸小、承載能力強(qiáng)、精度高的復(fù)合軋制關(guān)節(jié)零件是并聯(lián)機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)問題。并聯(lián)機(jī)床的數(shù)控編程和誤差補(bǔ)償比較復(fù)雜，并行機(jī)床的自動編程。尤其是自動補(bǔ)償?shù)碾y度和工作量是比較重要和難度較大的任務(wù)。

直線電機(jī)高速進(jìn)給系統(tǒng)和基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速進(jìn)給系統(tǒng)確實(shí)有很多好的優(yōu)點(diǎn)，但是由于直線電機(jī)高速進(jìn)給的成本比滾珠絲杠高，是普通加工企業(yè)無法承受的。然而，基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速進(jìn)給系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展并不完善。因此，高速滾珠絲杠進(jìn)給的研究仍是一個重要方向。