长跨距滚珠丝杠辅助支撑装置

夏向阳 李旭华 陈文明 江海林

（江苏新瑞重工科技有限公司，江苏常州 213166）

1 问题的提出

当今数控机床的进给传动采用滚珠丝杠很普遍。当进给轴的行程超过5.5 m时，滚珠丝杠的两端轴承座之间的跨距将超过6 m，属于长跨距滚珠丝杠。此时滚珠丝杠由于自重产生的下垂变形会很大，导致滚珠丝杠旋转时产生抖动，增大运动噪声、缩短支撑轴承和滚珠丝杠本身的使用寿命、降低机床运动精度以及机床的加工精度。因此，必须设法消除滚珠丝杠自重变形的影响。加大滚珠丝杠的直径以及加大丝杠预拉伸的力度固然可以解决滚珠丝杠的自重产生的变形问题和旋转时产生的抖动问题，但同时带来的问题是，加大滚珠丝杠的直径必然使丝杠的转动惯量急剧增大，以至无法与驱动电动机以及减速器惯量相匹配;而加大丝杠预拉伸的力度会缩短支撑轴承和滚珠丝杠本身的使用寿命、降低机床运动精度、增大运动噪声（因为丝杠预拉伸的力最终是通过丝杠的两端的支撑轴承传递到丝杠的两端轴承座上的，图1中丝杠的两端支撑轴承采用的就是一种典型的丝杠预拉伸结构，加大丝杠预拉伸的力度实际上就是给支撑轴承增加额外的预紧力，因此支撑轴承的使用寿命和运动精度都会降低），因此此方案并不是最佳方案。

2 问题的分析和解决

为了解决这一问题，可以考虑给滚珠丝杠增加辅助支撑装置。现在机床行业比较普遍的做法是在滚珠丝杠的两端轴承座的中间位置增加一档固定的辅助支撑，该辅助支撑平时是靠液压或弹簧提供支撑力托起滚珠丝杠，当滚珠丝杠螺母运动到辅助支撑位置时，辅助支撑会通过液压或机械的方式快速向下运动，以便使往复运动的滚珠丝杠螺母顺利通过，这种辅助支撑有采用纯机械方式的（此种类型的辅助支撑在文献［1］中有详尽介绍），也有采用液压与机械复合方式的（此种类型的辅助支撑在文献［2］中有详尽介绍），这里不再赘述。为了给滚珠丝杠全长范围内提供更多一点的有效支撑，我们另辟蹊径设计了一种如图1所示、可以与滚珠丝杠螺母一起随动的动态滚珠丝杠辅助支撑装置，该辅助支撑装置由滚动导轨2、滚动导轨滑块3和11、支撑座6和14、固定套7和15、自润滑轴承8和16、缓冲块9和17、两个连接杆10、滚珠丝杠19、滚珠丝杠螺母18等组成。两个连接杆10以及螺母4和13的作用是将滚珠丝杠螺母左右两侧的两个辅助支撑连接成刚性的环状整体，使两个辅助支撑一起运动共同进退。为了可靠支撑丝杠而不对丝杠产生磨损，这里直接和丝杠大径接触的8和16选用的软而耐磨的自润滑轴承，和丝杠螺母端面会产生碰撞且接触的缓冲块9和17选用的是软尼龙材料。为了便于装配和维修，固定套7和15、自润滑轴承8和16、缓冲块9和17均为两个半环结构（具体结构见图2）。为了确保在工作状态最不利的情况下丝杠的两端轴承座之间的中间位置也有辅助支撑，图1中设计时要保证L1=2L2（L1为丝杠支撑轴承间跨距，L2为左右辅助支撑之间跨距）。

该辅助支撑装置的工作原理实际上就是在丝杠的两端支撑轴承的中间加一档或两档可以跟随丝杠螺母移动的有效的辅助支撑点，再加上丝杠左右两端的支撑轴承，使整根滚珠丝杠有三档或四档有效支撑。下面我们以工作台长5 400 mm、行程为5 200 mm的床身和台面为例，通过图3～8六张辅助支撑装置的工作原理示意图来分析一下该辅助支撑装置的工作原理以及一个往返运动工作循环内6种不同的工作状态。图3所示为工作台从左向右进给到行程的最右端时的状态，此时右辅助支撑被滚珠丝杠螺母的右端面顶着移动到丝杠的最右段端紧靠右支撑轴承处，由于与右支撑轴承紧靠，右辅助支撑不起作用，此种状态只有左辅助支撑为有效支撑，它正好位于两端轴承座之间的中间位置，此种状态是本辅助支撑装置工作状态最不利的情况，只有一档有效的辅助支撑，再加上丝杠左右两端的支撑轴承，整根滚珠丝杠有三档有效支撑。图4所示为工作台从右向左进给到行程小于一半时的工作状态，此时滚珠丝杠螺母逐渐远离右辅助支撑并向左辅助支撑靠近，但滚珠丝杠螺母的左端面并没有与左辅助支撑的右端面接触，左右辅助支撑所处的位置与图3所示一样，也是本辅助支撑装置工作状态最不利的情况，只有一档有效的辅助支撑，再加上丝杠左右两端的支撑轴承，整根滚珠丝杠有三档有效支撑。图5所示为工作台从右向左进给到行程超过一半时的状态，此时滚珠丝杠螺母的左端面与左辅助支撑的右端面接触，左辅助支撑被顶着与滚珠丝杠螺母一起向左运动，由于左辅助支撑和右辅助支撑被2个连杆10和螺母4、13接成刚性的环状整体，所以右辅助支撑也一起向左运动并逐渐远离右支撑轴承，此种状态左右辅助支撑均为有效支撑，即此时有两档有效的辅助支撑，再加上丝杠左右两端的支撑轴承，整根滚珠丝杠有四档有效支撑。图6所示为工作台从右向左进给到行程的最左端时的状态，此时左辅助支撑被滚珠丝杠螺母的左端面顶着移动到丝杠的最左段端紧靠左支撑轴承处，由于与左支撑轴承紧靠，左辅助支撑不起作用，此种状态只有右辅助支撑为有效支撑，它正好位于两端轴承座之间的中间位置，此种状态也是本辅助支撑装置工作状态最不利的情况，只有一档有效的辅助支撑，再加上丝杠左右两端的支撑轴承，整根滚珠丝杠有三档有效支撑。图7所示为工作台从左向右进给到行程小于一半时的工作状态，此时滚珠丝杠螺母逐渐远离左辅助支撑并向右辅助支撑靠近，但滚珠丝杠螺母的右端面并没有与右辅助支撑的左端面接触，左右辅助支撑所处的位置与图6所示状态一样，也是本辅助支撑装置工作状态最不利的情况，只有一档有效的辅助支撑，再加上丝杠左右两端的支撑轴承，整根滚珠丝杠有三档有效支撑。图8所示为工作台从左向右进给到行程超过一半时的状态，此时滚珠丝杠螺母的右端面与右辅助支撑的左端面接触，右辅助支撑被顶着与滚珠丝杠螺母一起向右运动，由于右辅助支撑和左辅助支撑被2个连杆10和螺母4、13接成刚性的环状整体，所以左辅助支撑也一起向左运动并逐渐远离左支撑轴承，此种状态左右辅助支撑均为有效支撑，即此时有两档有效的辅助支撑，再加上丝杠左右两端的支撑轴承，整根滚珠丝杠有四档有效支撑。

3 结语

通过上述一个往返运动工作循环内6种不同的工作状态分析可知，不管哪种情况，该辅助支撑装置均能提供一档或两档有效辅助支撑，由于机床在实际使用过程中进给轴开到行程极限的情况非常少，可以认为该辅助支撑装置在机床实际使用过程中能够提供两档有效辅助支撑，使整根滚珠丝杠有四档有效支撑。该装置有效地解决了长跨距滚珠丝杠自重下垂变形以及旋转抖动问题，大大地提高了长跨距滚珠丝杠及其支撑轴承的使用寿命，提高了机床运动精度，降低了机床运动噪声，提高了机床的加工精度。显而易见该辅助支撑装置比文献［1］和文献［2］介绍的在两端轴承座的中间位置增加一档固定的辅助支撑的装置更加的合理而有效，而且结构简单、可靠性高、维修方便、无需电气和液压控制。该辅助支撑装置已经成功应用于我们公司生产的TH42250－500/H五面体加工中心的进给轴上，经过实践检验，该辅助支撑装置简单、可靠、合理、有效，深受机床用户欢迎。

［1］刘鑫．长跨距滚珠丝杠辅助支撑装置［J］．制造技术与机床，2009（12）:143－144．

［2］黄成军，王哲元，王伟．长跨距滚珠丝杠辅助支撑装置［J］．机械工程师，2006（7）．