綠色滾動功能部件在伺服進給系統(tǒng)中助推數(shù)控機床綠色制造

1、38綠色滾動功能部件在伺服進給系統(tǒng)中助推數(shù)控機床綠色制造黃祖堯摘要:用綠色科技理念指導滾動功能部件產(chǎn)品的設(shè)計，以節(jié)能降耗提高能效作為創(chuàng)新目標的新一代綠色滾動功能部件，必將在綠色數(shù)控機床的線性伺服驅(qū)動系統(tǒng)中熠熠生輝。關(guān)鍵詞:滾動功能部件流暢性輕量化均載設(shè)計轉(zhuǎn)動慣量功能集成中圖分類號:G35311文獻標識碼:AGreenrollingcomponentsboostintheservofeedsystemofNCmachinetoolsgre

2、en－intelligentmanufacturingHUANGZuyaoAbstract:Greentechnologyconceptisusedtoguidethedesignofrollingcomponents，anewgenerationofthegreenrollingcomponentsgoalistoreducetheenergyconsumptiontoinprovetheenergyefficiency，itwill

3、beshinetheservofeedsystemofNCmachinetoolKeywds:GreenRollingComponentsFluencyLightWeightLoadBalancingDesignRotaryIntertiaFunctionIntegration制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，在地球資源不斷枯竭、環(huán)境狀況日益惡化的今天，樹立科學發(fā)展觀，走可持續(xù)發(fā)展之路，已成為新型工業(yè)化和低碳經(jīng)濟時代的基本理念和唯一選擇，制造

4、業(yè)實施低能耗、低物耗、低污染、低排放已成為不可推卸的社會責任。研究表明:產(chǎn)品的性能有70%～80%是由產(chǎn)品的設(shè)計階段所決定的，而綠色設(shè)計對節(jié)能、降耗、環(huán)保的貢獻率可達70%以上。在低碳經(jīng)濟時代，滾動功能部件的研發(fā)、創(chuàng)新和產(chǎn)品設(shè)計都應以生態(tài)環(huán)境意識和綠色科技理論作為指導準則。新一代的數(shù)控機床及其核心功能部件必須把高效率、高精度、高可靠性、資源和能源的高利用率以及低能耗、低排放作為追求的目標，而綠色制造(GreenManufacturing

5、)、智能制造(IntelligentManufacturing)將是未來制造業(yè)發(fā)展的走向，并成為高端數(shù)控機床的重要標志和市場競爭的新亮點。眾所周知，在數(shù)控機床中，核心功能部件作為單元技術(shù)的載體，其“功能”通過主機的集成組合與CNC控制，從而達到總體性能和精度的要求。其實，滾動功能部件(滾珠絲杠副、滾動直線導軌副……)從本質(zhì)上分析，它們就具有“高效率”、“省能”、“長壽命”等特性，再通過三維CAD綠色設(shè)計，可放大“綠色功能”，成為數(shù)控機床

6、綠色制造的有力推手，讓綠色智能數(shù)控機床熠熠生輝。1提高流暢性是提升產(chǎn)品性能的關(guān)鍵滾動摩擦是各類滾動功能部件的最基本特征，由小摩擦系數(shù)(μ=0.0025～0.0035)所派生出高傳動效率(η＞85%(逆)，η＞95%(正))和高速特性(d0n≥(12～20)104mmrmin)。但是，它與滾動軸承卻有很大差異，其受力和運動狀態(tài)更為復雜，并非純滾動。滾動體需要借助于“循環(huán)返向裝置”完成周而復始往復不斷的循環(huán)滾動。因此，需要從滾道、滾動鏈、循

7、環(huán)返向裝置三個環(huán)節(jié)通過優(yōu)化設(shè)計來解決“流暢性”的問題。海外知名品牌的企業(yè)，都在這個基礎(chǔ)領(lǐng)域狠下功夫使產(chǎn)品性能大幅提高。11滾道形狀和主參數(shù)滾動體在滾道中的工作狀態(tài)隨載荷大小、運動速度和方向的變化而發(fā)生變化，對滾道形狀和主參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的目的就是通過三維實體建模，運用有限元分析在各種工況下的受力和變形規(guī)律、研究滾動摩擦機理，從而獲得最佳滾道截形、滾道曲率rsrn、接觸角α、適應度fr等主參數(shù)，達到降低摩擦耗損，提高能效，滿足流暢性的要求。1

8、2循環(huán)返向裝置40定效果。所謂“均載設(shè)計”，就是通過對產(chǎn)品(滾珠絲杠副)受力狀態(tài)的理論分析和試驗，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，把外加負荷較平均地分攤到每個受載滾動體上，力爭做到“無零載”，“無過載”的均衡動力傳遞。借鑒海外的研究成果，經(jīng)過綜合分析判斷，筆者認為在均載設(shè)計中，必須注意解決以下問題(其中某些問題常常被忽視):(1)對于高負荷的重載滾珠絲杠副，設(shè)計要求絲杠和螺母的螺旋線誤差，以及誤差的“走向”應力求趨于一致，內(nèi)外齒形誤差應“吻合”。對于雙頭

9、(或多頭)螺紋，需嚴格控制內(nèi)外螺紋各條螺紋線之間的“分度誤差”。(2)要求每個螺母(或者導軌副的“滑塊”)內(nèi)的滾動體(滾珠、滾柱)其直徑誤差的一致性達到最佳化。在滾動鏈中嚴禁大誤差的滾動體混入?！芭睆阶儎恿俊背^允許值，將導致“零載”或“過載”。(3)在滾珠螺母體的周圍和軸向合理配置“反向器”，以滿足均載設(shè)計的要求(見圖4a、4b)。(4)施加在滾珠絲杠、滾珠螺母的載荷，其作用力的中心應通過絲杠副的軸心。為此，對絲杠(或螺母)的支承軸

10、頸的同軸度應提出嚴格要求。數(shù)控機床上的絲杠和螺母支撐座，三者的中心位置，應精調(diào)到“三點同軸”的狀態(tài)，避免因偏心導致絲桿副承受“偏置載荷”。(5)基于Hertz彈性變性理論，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應盡可能使?jié)L珠螺母和絲杠軸的有效斷面積接近。在設(shè)計滾珠螺母的安裝方式和受力方向時，應使?jié)L珠螺母與絲杠軸處于同時受拉伸或受壓縮的狀態(tài)，使兩者彈性變形的方向趨于一致，以利于載荷的均化(見圖4a)。圖4是經(jīng)過實驗研究分析后，推薦滾珠螺母安裝受力方式和返向器的配置

11、方案。這是針對于電動注塑機用高載荷滾珠絲杠副的實例。對用于大重型數(shù)控機床的重載滾珠絲杠副，同樣具有借鑒價值。均載設(shè)計對于高負荷的重載滾珠絲杠副(包括滾動直線導軌副)是挖掘產(chǎn)品承載潛能、延長價格昂貴的大型、重載滾動功能部件使用壽命、提高產(chǎn)品能效的綠色設(shè)計。4雙冷技術(shù)的效用在數(shù)控機床中，針對各種熱源對機床熱變形的影響，常常需要對幾何誤差和熱誤差實施誤差補償。對于采用滾珠絲杠驅(qū)動的伺服進給系統(tǒng)，傳統(tǒng)抑制熱變形的對策包括:對兩端固定支承的絲杠軸

12、實施預拉伸根據(jù)設(shè)定的進給速度，用增大導程Ph來降低絲杠軸的轉(zhuǎn)速對空心滾珠絲杠實施循環(huán)強制冷卻等。對絲杠軸和滾珠螺母組件的熱態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn):絲杠軸是屬于隨滾珠螺母位移變化的移動熱源，而滾珠螺母內(nèi)部在傳動的自始至終都處于產(chǎn)生摩擦熱的狀態(tài)，是散熱條件差的連續(xù)熱源?；谶@種判斷，海外不少知名企業(yè)推出滾珠螺母冷卻新產(chǎn)品(圖5)。據(jù)介紹，最高線速度可達120mmin，冷卻系統(tǒng)對螺母預緊力不產(chǎn)生影響，比之絲杠冷卻，對工作臺的溫升要低3℃左右，能更好滿