滚珠丝杠的传递效率及特点

高性能的滚珠丝杠副已成为数控机床设计中的重要选项之一。所谓高性能就是指在高速的基础上，滚珠丝杠副具有高的精度及精度稳定性，达到高刚度、高承载、自润滑、低噪声、小温升及长寿命等性能。要实现滚珠丝杠副的高性能，需要在滚珠丝杠副的设计、制造及试验检测技术上不断地创新。在加工中心、复合加工机床等数控机床设计中采用滚珠丝杠副组合直线导轨副的进给系统非常普遍。

滚珠丝杠副传动的摩擦系数经试验测得，一般为0.0025-0.0035,其传动摩擦阻力大幅减小，传动效率得 到很大提高。如图1-3所示，当摩擦系数μ=0.003、螺旋升角λ=2°时，传动效率可达90%以上；当螺旋升角λ=3°时，传动效率可升至95%以上； 当λ继续增大时，传动效率的理论值可高达98%,但其速率增加的缓慢。滚珠丝杠副传动效率相当于滑动螺旋传动的2~4倍，滚珠丝杠传动相对滑动螺旋传动来说，能以较小动力推动较大负荷，而功率消耗只有滑动螺旋传动的1/4~1/2,不仅能大幅减轻操作者的劳动强度，而且对机械小型化、起动后颤动和滞后时间的减少以及节省能源等方面都具有重要意义。

2.传动的可逆性
滚珠丝杠副传动不仅正传动效率（简称正效率）高，而且逆传动效率（简称逆效率）也几乎同样高达98%(见图1-3b)。它既可把回转运动变成直线运动（简称正传动）,又可把直线运动变成回转运动（简称逆传动）。因此，与滑动螺旋传动相比，滚珠丝杠副传动突出的不同点是传动具有可逆性，当然，滚珠丝杠传动的逆效率高，一方面固然带来了逆传动的好处，但另一方面却没有滑动螺旋传动那样的自锁能力，在某些机构中，特别是垂直升降机构中使用滚珠丝杠副传动时，必须设置防逆转装置，因此，与滑动螺旋传动相比，带来了机构比较庞杂的缺点。单与静压螺旋传动相比，机构仍属简单紧凑，也易于维修。

3、同步性能好
由于滚珠丝杠副传动的滚动摩擦特性，摩擦阻力几乎与运动速度无关，静摩擦力矩极小，起动摩擦力矩与运动摩擦力矩接近相等。因此，运动起动时无颤动，低速下运转无爬行。这不但缩短了起动时间，消除了在滑动螺旋传动中的滑移现象，而且大大提高了传动的灵敏度与准确度，具有持续平稳运行的特点。如果用几套同样的滚珠丝杠副同时驱动几个相同的部件或装置时，包括起动的同时性、运行中的速度和位移等，都具有准确的一致性，这就是所说的同步性。这种技术特性已成功地应用到各种具有同步要求的机构中。
满足主机超长行程、重载、高速的需求，滚珠丝杠副的驱动方式从传统的“丝杠旋转主驱动”发展为“螺母旋转主驱动”，从“单一驱动”到“双驱动、多驱动”，对“旋转”与“直线”两大运动方式进行优化组合与叠加，使产品功能得到进一步延伸与扩展。在大型、超长滚珠丝杠副中，滚珠螺母旋转主驱动具有以下特点：因丝杠固定不动，避免了大型丝杠旋转时产生的振动和噪声，大大改善了同服进给系统的动态特性；转动惯量小，节省能源；因避开了丝杠旋转时两端支承方式和间距对临界转速的制约，有利于高速驱动；支承旋转螺母的轴承远大于支承丝杠的轴承，轴向支承刚度更高；可扩展主机功能，完成一轴多驱动。据统计，国内典型重型、超长CNC机床，例如：CNC大型动梁双坐标落地铿床、CNC大型龙门铿铣床、SK7450×10mCNC超长丝杠磨床、CNC水刀切割机、CNC铺射加工机及动梁式双驱动龙门雕铁床（见图1-4)等都已成功地采用了这一新的驱动产品。滚珠螺母主驱动比直线电动机更节能、成本低；比曾长期用于重型机床的齿轮-齿条传动，其传动效率更高、运动流畅平稳、噪声小；相比“滚珠蜗母条”，它的结构较为简单，制造、装配、调试也颇为方便。在大行程、重载、高速领域，滚珠螺母主驱动型是结构先进的、具有推广价值的绿色产品，有较大市场潜力。

4.传动精度高
传动精度主要是指进给精度和轴向定位精度。经过溶硬和精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副，本身就具有较高的进给精度。当采用预紧螺母时，则能完全消除轴向间隙。如果预紧力适当（即最佳预紧力）,在不增加驱动力矩和基本不降低传动效率的前提下，能提高传动系统的刚度和定位精度；在带有反馈系统的滚珠丝杠传动中，通过机电补偿向服系统，能获得较高的重复定位精度。由于滚珠丝杠副传动摩擦小，工作时本身几乎没有温度变化，因此不但进给速度稳定，而且丝杠尺寸也非常稳定，这就是具有很高定位精度和重复定位精度的重要原因。滚珠丝杠副传动之所以能在高精度数控机床、多工序自动数控机床、精密机床和密测量仪器中获得广泛应用，特别是成为要求灵敏而精确配合同服系统所不可缺少的配套元件，其重要原因正是其传动精度高。
传动精度是数控机床的重要技术指标之一。定位精度是指数控机床工作台等移动部件实际运动位置与指令位置的一致程度，其不一致的差量即为定位误差。定位误差包括同服系统吴差、检测系统误差、进给系统误差等系统误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。定位吴差将直接影响零件加工的位置精度。重复定位精度是指在同一台数控机床上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚度以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下，重复定位精度是呈正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。
近年来，随着数控机床的发展和机床结构特性的提高，数控机床的性能与质量都有了大幅度的提高。中等规格的加工中心，其定位精度普通级达到±5pm~±8pm/300mm,精密级达到±1pm~±3pm/全程；普通级加工中心的加工精度达到±1.5pm。如图1-5所示VDWA50、B50五轴立式加工中心及MDH-A系列卧式加工中心是大连机床（DMTG)开发生产的具有国内领先水平、国际先进水平的卧式加工中心，该机床广泛适用于汽车、模具、机械制造等行业的箱体零件、壳体零件、盘类零件、异形零件的加工，零件经一次装夹可动完成四个面的铁、铿、钻、扩、饺及攻螺纹的多工序加工。采用内部两档变速的高速电主轴保证机床高低速的加工性能。

5.使用寿命长
滚珠丝杠副的丝杠、螺母和滚珠都经过粹硬处理，而且滚动摩擦产生的磨损极小，故丝杠副经长期使用仍能保持其精度，工作寿命很长，这是滑动螺旋副无法比拟的。一般说来，滚珠丝杠副寿命比滑动螺旋副高5~6倍，而在某些使用场合下可高达10倍左右。使用寿命长这一优点，可相对地弥补滚珠丝杠传动制造成本较高的不足。
基于以上特点，通常情况下超高Dn值滚珠丝杠副适用于高速数控车床、高速数控加工中心；端返式滚珠丝杠副适用于快速搬运系统、一般产业机械及自动化机械；高速滚珠丝杠副适用于CNC机械、精密机床、产业机械、电子机械及高速化机械；精密研磨级滚珠丝杠副适用于CNC机械、精密机床、产业机械、电子机械、输送机械及航天工业等；螺母旋转式系列滚珠丝杠副适用于半导体机械、产业用机器人、木工机、铺射加工机及搬送装置等；轧制级滚珠丝杠副适用于低摩擦、运转顺畅等机械传动场合，同时供货迅速且价格低廉；重负荷滚珠丝杠副适用于全电式注塑成形机、冲压机、半导体制造装置、重负荷制动器、产业机械及锻压机械等。

山东理工精密机械联合我国材料研究所共同研制开发并采用特殊材料制造的高耐磨滚珠丝杠经客户测试验证，使用寿命超出国内常规滚珠丝杠的7倍，目前已经形成批量化生产，该技术的成功应用标志着我国的滚动功能部件产品制造水平远远超越了国外的产品。