20;速度”与“精度”的发展可谓与时俱进,特别是进入21世纪,PHS-BS得到迅速发展,成为数控装备伺服快速进给系统中与AC-LM并列的两颗耀眼明星。
当滚珠丝杠与滚珠螺母相对位移时,其加速度≥1g、线速度≥60m/min、或DN值≥120000(DN值的定义是:滚珠丝杠副公称直径do(mm)和滚珠丝杠与滚珠螺母相对转速n(r/min)的乘积)、精度达到P3级以上(国家标准GB/T18587),而各项性能指标(力矩变化、刚度、温升、噪声等)满足主机要求者,就可称之为精密高速滚珠丝杠副(PHS-BS)。
由于滚珠丝杠副优良的滚动摩擦特性和传动效率高(η=90~95%)、传动敏捷灵活等功能,使其具备提速的有利条件。提速有三个途径:(1)加大导程Pn,这就是我们常说的大导程(或超大导程)滚珠丝杠副。因Pn增大不利于提高导程精度,而且进给系统的静刚度迅速下降,所以只适用于对定位精度要求不高的快速驱动场合。(2)
兼顾精度、速度、动态特性,适度增加Pn和n(转速)以及螺纹头数。因为受临界转速Nc的制约,追求高转速是不可取的。(3)从产品结构和驱动方式上进行改革创新,例如:变丝杠主驱动为螺母主驱动;变单驱动为双驱动;丝杠空心化、螺母小径化、滚动体轻量化等。
PHS-BS的出现起源于上世纪九十年代中后期,日本NSK公司首先推出专用于高速数控机床的HMC系列,直径?36~55 mm、Pn=16~32mm、Vmax=116m/min、加速度1.3g、DN值=13万、精度C3~C5(JIS标准)。近年来,世界上知名的滚珠丝杠制造企业先后推出一批DN值≥150000(220000),V≥120m/min(200m/min)、加速度≥1.5g的静音PHS-BS产品,例如:日本NSK公司的BSS和S3系列、THK公司的SBK系列、中国台湾HIWIN公司的Super S系列、PMI公司的FSW系列、德国Rexroth公司的FDM-E系列、西班牙Korta公司的NTG系列等。中国最早从事PHS-BS研究的是北京机床研究所,在“九五”攻关中完成了GSZ2000型高速滚珠丝杠副综合测量仪的研制,随后山东济宁博特公司与山东工业大学合作也研制成功BTJS-03高速滚珠丝杠副测量仪。目前国内PHS-BS的水平是:Vmax≥60m/min(80m/min)、加速度1.4g、精度≥P3级、DN值≈140000。

图2 北京机床研究所精密机电公司的μ1000 系列立式加工中心三轴采用PHS—BS实现快速进给和高精度定位
归纳起来新一代PHS-BS具有以下特点:
对循环返向装置进行了优化设计。试验研究证明循环返向装置是直接影响PHS-BS滚珠流畅性和动态特性、振动和噪声的关键环节,它制约了DN值的提高。早期的PHS-BS采用厚壁切入式的导珠管,使滚珠螺母螺旋线的延伸方向与导珠管对接。近年又流行一种新的内循环结构,它是在滚珠螺母的螺旋线两端配置“端塞式”返向装置,使DN值达到200000,噪声降低6-7dB(A),螺母径向尺寸缩小30%左右。
优化滚珠链结构。为减小高速旋转时滚动体的离心力,采用小径球、Si3N4陶瓷球或DS改质球。为了隔断滚动体在高速运转时相互碰撞、挤压、摩擦,在滚珠链中增加用特殊工程塑料制作并有润滑功能的隔离器,从而有效降低温升和噪声,增加滚动体的流畅性。
为减少高速时“楔效应”对滚动体流畅性的影响,对内外螺纹滚道的几何参数进行优化设计,并降低滚道面的粗糙度,或对表面进行改质处理,改善摩擦特性。
将滚珠丝杠做成空心,从丝杠内部实施强冷。有的企业还在内孔中配置阻尼棒,抑制高速时的振动。HIWIN公司的“Cool Type I”系列还同时对滚珠螺母实施强冷。
近年德国Rexroth、INA、日本THK等公司推出AC电机直接驱动滚珠螺母的高速线性驱动装置(详见《中国机械与金属》2005年12期)。