高性能机床的滚珠丝杠应用

从一开始，一台精密机床就需要安装有精密、耐用的主轴，而且应配有功能强大和操作灵活的控制器来控制复杂的程序。但是如何使主轴的运动或工件的运动达到如此高的精度和重复精度呢？

显然，机床的底座应该非常结实和稳定，而另一个关键因素则是直线运动元件的选用，例如导轨和滚珠丝杠的选用。直线导轨，顾名思义，其功能是控制3轴直线运动。而且，它们也应具备高负荷特性以及低摩擦性能，从而使其在高速运动状态下，不发生粘滞打滑现象，这一优点是硬轨无法取代的。

几十年前，机床采用滑动导轨导向，由丝杠进行传动。这种元件的摩擦力相对较高（根据不同的螺距、不同的润滑特点和不同的螺纹外形，丝杠的效率约为60 %）。通过丝杠，将旋转运动转化为直线运动，而丝杠则通过联轴节与直流电机（在这之前，采用直流步进电机）相连接，给机床的主轴提供传动力。控制器将程序指令转换成相应的三坐标运动或多轴运动。由于那时候的速度和精度相当低（一般快速横向运动为100到200in/min ，要求重复精度为0.001in，1 in=0.0254m,下同），因此那类摩擦系数较高的元件还可接受。

几年前，有些机床制造商宣布他们机床所使用的直线电机快速移动速度已经超过了2000 in/min。直线传动电机是一种直接传动的装置，采用线圈通过永久磁铁时产生磁感应的原理制造而成。由于线圈中的电流大小和相位随时发生变化，而线圈与磁铁作相对运动，相互之间不发生接触，因而传动元件之间不产生任何摩擦力，因此能产生高速和加速效应。尽管它们的机械结构相对比较简单（它们代替了滚珠丝杠、联轴器、支承轴承和螺母块），但直线传动电机的价格仍然非常昂贵，特别是大型直线传动电机，在某些应用领域中，需要承受很高的外应力。这些大型直线传动电机也会产生巨大的热量。

因此，对于大多数机床制造商来说，仍然保留选择精密滚珠丝杠作为机床的传动元件，他们发现选用滚珠丝杠仍然是最好的解决方法，因为其精度高、效率高、移动速度快、刚性好、使用寿命长，而且价格合理。滚珠丝杠采用不同的形状和结构—单螺母、双螺母、滚珠管式循环运行、滚珠偏转式循环运行、单起动螺纹、双起动螺纹等等。

在典型的机床上，丝杠（通过一钢制圆盘式联轴节与固定的电机连接）旋转，螺母顺轴向下运动。当丝杠转动时，螺母在轴上向前或向后运动，而滚珠无论如何必须在螺母内（在轴螺纹与螺母螺纹之间）循环运行。

滚珠在螺母内循环运行时，其外部通过一滚珠回路管道、或内部通过滚珠偏转器，将滚珠导入螺纹滚道。滚珠回路管道的设计比较简单、直径较大、易于生产，一般价格较便宜。带有滚珠偏转器的螺母，结构比较紧凑，运行较平稳、顺畅，运行速度较高。

在这两种情况下，（轴向）负荷均由滚珠承受。一般来说，这些零件首先受材料疲劳强度影响而磨损。滚珠丝杠的设计不能承受很大的侧向或径向负荷（这些负荷应该由导轨承受），因为一般来说，导轨在任何方向上都能承受相等的负荷。

按照定义，螺纹节距是指一个螺纹与相邻螺纹之间的距离，而丝杠螺距则是指丝杠旋转一周后螺母向前运动的距离。对于单一的起动螺纹而言，节距等于螺距。较低的节距（例如：5、6 mm或8 mm）在保持效率、负荷能力、速度、旋转和电机扭矩方面具有很好的综合性能。要提高各轴的速度，第一步通常是提高节距，其前提是假定电机有足够的扭矩防止机械优越性强度的降低，以及编码器要有足够的分辨率。较高的节距（例如：10、15 mm和20 mm）现在使用较普遍，因为速度的要求提高了，而且电机、放大器和编码器技术更先进了。对于Haas的大型龙门机床而言，其丝杠采用了极大的螺距（40 mm和50 mm）,因此速度甚至可以达到更高。因为与VMC或HMC机床相比，其负荷要轻得多，没有必要利用较小螺距的机械优越性。

为了不断地生产高精度零件，机床需要有很高的重复定位精度。这就是说机床必须采用刚性很好的、可随意操作的元件。在循环运行的导轨中，消除随意性相对比较容易：只要选用精密的滚珠（或滚柱）就可以达到所需刚性。然而，在加强刚性的同时，很高的预负荷反而会影响其疲劳寿命。因此，许多机床制造商都选用中等预负荷，这样将较高的刚性与一定的可接受使用寿命结合在一起。

采用滚珠丝杠后，结构情况就变得较为复杂一些。50多年前，当滚珠丝杠最初问世的时候，增加组装件预负荷和消除任何误操作的常用方法是采用两个滚珠螺母，相对连接安装，也就是采用古典式的双螺母结构配置。其效果同带有与负荷双轴承座中的负载通道相类似。后来，通过对螺母螺纹稍作偏移而采用单件设计形式也达到了同样的效果。在这两种情况下，我们都获得了所谓两点接触的效果，这就是任何双螺母结构的特点。另一方面，带有预载的单个螺母采用过量尺寸的滚珠，使丝杠和螺母螺纹之间达到4点接触，以消除误操作。随着滚珠螺母技术的发展，带有预载的单个螺母使用越来越普遍，它们体积较小，而且往往不那么昂贵，又可达到相似的负载能力和相当的使用寿命。就降低摩擦扭矩来说，双螺母结构仍然有一定优势，接触点较少，运行灵活。这对于长度与直径之比大于20:1的较长丝杠而言是非常有利的。

滚珠丝杠一般采用两端支承的方法，电机端采用一套双座角形接触轴承支撑，而背端一般采用单个径向轴承支撑。丝杠采用两端支撑的方法，可以使操作速度达到更高，并可降低振动。由于它们是属于摩擦装置，因此直线导轨和滚珠丝杠必须定期进行润滑。润滑剂可以降低聚积的热量，消除微焊接现象和防止腐蚀。最好的方法是通过机床的控制装置向与导轨、丝杠、支承轴承等相连接的自动润滑系统发出信号。
在龙门式常规机床上，由于其框架采用开放式设计，机床容易受到过多的污染，为进一步保护滚珠丝杠，丝杠上还安装了结实的组合式除污装置，其中包括：螺母外边的一个除污装置由经久耐用的塑料制成，可防止外界污染物质侵入；螺母里边的一个除污装置由毛毡制成，可吸收油污，大大降低润滑剂流动，减少维护工作量。