一种新型滚珠丝杠传动方式在机床设计中的应用

赵 雷

（沈阳机床（集团）有限责任公司，沈阳 110142）

滚珠丝杠是机械设计中广泛应用的传动元件，主要用于将旋转运动转换为直线运动，具有高效快速、高精度、高刚性以及适应性强等优点[1]。目前，基于滚珠丝杠设计的传动机构一般由丝杠部分旋转，通过在丝母内部通道的滚珠带动丝母部分直线运动，从而完成直线传动的过程。当直线传动的行程较长时，这种传动方式存在一定的弊端。这是因为随着丝杠长度的增加，自身重力变大，在传动过程中丝杠的弯曲变形也会随之变大，同时使丝杠产生比较严重的的振动，导致整个传动机构的工作精度降低，刚性和传动稳定性变差。另外，由于丝杠重力的增加，丝杠的转动惯量也会变大，会增加整个传动机构的负载，增加驱动元件的负担，引起多余的能耗和发热[2]。因此，设计大行程滚珠丝杠传动机构时，需要一种结构更稳定、运行更可靠的传动方式。

本文讨论的基于滚珠丝杠的直线传动方式，以滚珠丝杠及相关部件为主体，采用丝杠固定、丝母旋转的传动方式完成传动过程。这种传动方式可以有效提高大行程滚珠丝杠传动的精度、刚性以及稳定性，能够更好地适用在需要大行程滚珠丝杠传动的场合。

1 丝杠固定传动方式的结构原理和特点

1.1 丝杠固定传动方式的结构说明

丝杠固定的传动方式主要由滚珠丝杠、固定元件、移动元件以及驱动元件等组成。其中，丝杠部分与固定部件固定连接，丝母部分与移动部件固定连接，驱动元件和丝母相连。工作时，驱动元件带动丝母做旋转运动，通过丝母内部滚珠的移动，使丝杠和丝母产生相对位移。在丝杠固定的情况下，丝母相对丝杠产生直线相对运动，完成传动过程。

1.2 丝杠固定传动方式的结构特点

1.2.1 丝杠固定传动方式的受力特点

对于丝杠固定传动方式，在传动过程中驱动元件与丝母部分连接，且与丝母同步相对丝杠部分做直线运动。丝杠采用固定安装，因此受到的旋转力矩较小。

1.2.2 丝杠固定传动方式的安装特点

因为丝杠固定传动方式在传动过程中丝杠是固定不动的，而是丝母旋转，所以在安装整个传动机构时，丝杠两端不是用轴承和轴承座的结构做丝杠的径向支撑，而是需要在丝杠的两端采用固定丝杠的轴向转动的方式进行安装固定。因此，一般采用定位销卡住丝杠的轴向转动，或者采用定位键将丝杠轴向固定，完成整个传动系统的安装。

1.2.3 丝杠固定传动方式的润滑特点

丝杠固定传动方式中丝母部分是旋转的。如果采用传统向丝母润滑孔注入润滑液的方式润滑，润滑管路会缠绕在丝母上，影响丝母的转动，导致无法传动[3]。丝杠固定传动方式一般采用特殊设计的结构进行润滑，即在丝母部分安装配油环润滑，通过向相对丝母固定的配油环注入润滑油完成整个传动系统的润滑。或者安装相对丝杠直线运动油刷，向油刷注入润滑油，再利用油刷相对丝杠的相对运动完成整个传动机构的润滑。

1.3 丝杠固定传动方式的优势

综合丝杠固定传动方式的结构特点可知，相比传统的丝杠转动传动方式，它的优点体现在大行程时具有诸多优势。

1.3.1 可以实现大行程高速传动进给

丝杠固定传动方式将丝杠部分固定，使丝杠在传动过程中对惯性力和不平衡的影响较小。即使是传动行程较大，它也能实现高速传动，并且减轻驱动元件的负担[4]。

1.3.2 传动运行稳定

与传统丝杠旋转的传动方式相比，因为丝母旋转丝杠固定，所以它能够获得更加平滑稳定的传动过程。丝杠运行不会发生跳动现象，同时运行噪声小，发热量低。

1.3.3 传动精度高

丝杠固定传动方式减小了丝杠在传动过程中由于自身转动引起的振动，大大提高了整个传动机构的精度。

1.3.4 传动的高刚性

与传统的丝杠转动传动方式相比，丝杠固定传动方式丝杠固定安装，丝母用轴承固定，使得支撑轴承较大，大幅提高了轴向刚性。

1.3.5 传动结构设计更合理丝杠固定传动方式中丝母与支撑轴承安装在一起，使得整体结构更加紧凑，更容易调整精度[5]。

2 丝杠固定传动方式的应用举例

2.1 应用举例条件说明

某大型卧式车床产品坐标轴Z轴行程为3 000 mm，快速移动速度为40 m·min-1，定位精度为0.010 0 mm，重复定位精度为0.008 0 mm。按照上述需求，该机床产品Z轴选择用日本THK厂家型号为DKN8020S型的滚珠丝杠产品。该滚珠丝杠产品直径为80 mm，导程为20 mm。该卧式车床产品的Z轴行程较长，所选滚珠丝杠的直径较大，传动机构整体的转动惯量也比较大。如果采取丝杠转动的传统传动方式，在传统系统运行时易引起丝杠振动，导致传动系统的转动惯量增大，影响整个Z轴的传动精度，也会增加Z轴驱动元件的负担。因此，初步判断这种情况比使用丝杠固定传动方式较适合。

2.2 采用丝杠固定传动方式的传动机构整体结构

利用丝杠固定传动方式为该机床产品Z轴设计的传动机构，如图1所示。该结构主要由丝杠1、床鞍2、丝母3、轴承4、固定轴套5、润滑支架6、驱动带轮7、油刷8、轴承座9以及床身10等元件构成。其中：滚珠丝杠的丝杠1与机床床身10固定连接；滚珠丝杠的丝母3通过轴承4与固定轴套5固定连接；固定轴套5与机床床鞍2固定连接；丝母3与驱动带轮7连接，驱动带轮7连接驱动电机；润滑支架6固定在床鞍2上，并在润滑支架6上安装油刷8。

图1 丝杠固定的传动结构在卧式车床的应用

2.3 传动机构的工作原理

当Z轴传动工作时，驱动电机工作，带动驱动带轮7旋转，再由驱动带轮7带动丝母3旋转，使滚珠丝杠的丝母3和丝杠1之间发生直线位移，再由丝母3通过固定轴套5带动机床床鞍2相对机床床身10直线位移，完成床鞍2相对床身10的直线进给运动。

2.4 传动机构的安装方式

传动机构安装时，丝杠1固定在床身10上，丝母3固定在滑鞍2上。丝杠通过丝杠两端的轴承座9安装固定。在轴承座上端打入定位销，利用定位销将丝杠和轴承座固定在一起，完成丝杠的安装固定。丝母通过支撑轴承4和固定轴套5，利用螺钉安装在滑鞍上，从而完成了整个传动机构的安装固定。

2.5 传动机构的润滑方式

在整个传动机构运行过程中，床鞍2发生直线位移后会带动润滑支架6相对丝杠1做直线运动，使固定在润滑支架6上的与丝杠3接触的油刷8相对丝杠做直线运动。当向利用润滑支架6上的润滑接头向油刷8注入润滑油后，油刷会浸满润滑油。当油刷8相对丝杠1运动时，润滑油会涂抹在丝杠8上，从而完成整个传动系统的润滑。

2.6 两种结构的精度测试

为了对两种结构进行精度比对，应用激光干涉仪对采用两种不同传动方式的机床Z轴的传动运行精度、快移速度以及运行可靠性等性能指标，分别采用空转和加载的方式进行测试，得出的结果与机床需求进行对比，结果如表1所示。

表1 两种不同传动方式的性能测试结果

通过性能测试结果的数据对比可以看出，对比丝杠旋转传动方式，丝杠固定传动方式由于丝杠运行振动减小，大大提高了传动机构运行时的定位精度、重复定位精度以及运行直线度等。此外，丝杠固定传动方式有效减小了传动系统的转动惯量，降低了进给轴对驱动电机的性能要求，有效改善了传动机构的快移速度和驱动元件的发热量。可见，在大行程滚珠丝杠传动中，采用丝杠固定传动方式更合适。相比丝杠旋转传统传动方式，丝杠固定传动方式在传动精度、传动稳定性等方面优势明显。

3 结语

根据本文的分析讨论和应用举例可知，当滚珠丝杠传动行程较大时，应用丝杠固定传动结构，相比于传统的丝杠旋转传动方式，可以有效提高大行程丝杠传动的稳定性和传动机构的刚性，对优化各种直线轴进给结构、优化大行程直线进给轴的性能有积极作用。当这种传动方式应用在有大行程坐标轴的机床产品时，可以提高机床的精度和机床整体的稳定性，从而大大提高机床产品的市场竞争力。