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1.2滾珠絲杠副伺服進(jìn)給系統(tǒng)國內(nèi)外熱特性研究現(xiàn)狀

1.2.1國外滾珠絲杠熱特性的研宄現(xiàn)狀

數(shù)控機床在切削加工的過程當(dāng)中，大量的熱量主要來源于各類電路、動力源、相對運動的零部件之間生成的摩擦熱、切削熱、環(huán)境溫度變化傳導(dǎo)的熱量、冷卻系統(tǒng)帶走的熱量等W。其中尤其是滾珠絲杠高速進(jìn)給運動時，其熱變形嚴(yán)重阻礙了數(shù)控機床最佳性能的發(fā)揮。滾珠絲杠的熱伸長直接影響絲杠本身的螺距誤差，同時也會嚴(yán)重的削弱滾珠絲杠副的傳動剛度，從而大大地降低了數(shù)控機床的加工精度、動態(tài)穩(wěn)定性與響應(yīng)的快速性。國外關(guān)于滾珠絲杠副熱變形研宄進(jìn)行的比較早，專家學(xué)者已經(jīng)做了很多的試驗研究工作。

在1997年密西根大學(xué)學(xué)者將熱誤差補償技術(shù)應(yīng)用在通用(GM)公司的離合器加工廠100多臺數(shù)控加工機床上，結(jié)果明顯地提高了機床的加工精度[1Q]。美國學(xué)者S-Yang 等模仿小腦控制模型結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器建立熱誤差補償模型。在實驗過程中，滾珠絲杠前后軸承、絲杠螺母等熱源處放置熱傳感器，其測得的溫度作為預(yù)測模型的自變量。以此可見，熱誤差對于提高高精度數(shù)控機床加工精度影響很大，美國很早就通過先進(jìn)的算法進(jìn)行了軟件程序熱補償。

英國的浦項工學(xué)院學(xué)者Kim S.K等采用有限元方法比較了滾珠絲杠副在不同轉(zhuǎn) 速下的二維溫度場分布，對比機床測量的結(jié)果驗證了溫度場模型。學(xué)者Kodera-T改進(jìn) 了光學(xué)式測溫系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)研宄了滾珠絲杠的溫度分布，并依據(jù)溫度分布情況估算出了絲杠的熱伸長量[18]。學(xué)者Ramesh_R[41]等研究了定位誤差隨著伺服系統(tǒng)滾珠絲杠溫度的增加并深入研宄了不同工況下的熱誤差補償系統(tǒng)。

日本NSK公司研制并生產(chǎn)了高速空心滾珠絲杠產(chǎn)品，最早進(jìn)行了絲杠中空強制冷卻試驗，結(jié)果較為明顯：中空冷卻效果明顯溫升幅度只有2° C,達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間30分鐘左右，遠(yuǎn)優(yōu)于實心滾珠絲杠；水作為冷卻介質(zhì)時冷卻效果最好，但考慮到滾珠絲杠的防銹問題，采用冷卻油冷卻效果最為合適[11]。圖1.3為日本NSK公司產(chǎn)品手冊關(guān)于空心滾珠絲杠的強制冷卻效果實驗曲線圖，通過曲線可以看出，通有冷卻油的空心滾珠絲杠比不進(jìn)行強制冷卻的滾珠絲杠溫度有大幅度的降低，圖中顯示將近有 30°的溫降，效果很明顯。而且通過對空心滾珠絲杠的研宄，NSK公司對空心滾珠絲杠的優(yōu)點進(jìn)行了總結(jié)：（1)抑制了由于絲杠溫升所造成地?zé)嵘扉L，從而獲得準(zhǔn)確的定位精度。（2)將熱伸長造成的滾珠絲杠支撐軸承和軸承底座位移控制在小的范圍之內(nèi)，同時冷卻弱化了滾珠絲杠對其他部位的熱傳導(dǎo)，主要是加工工作臺的熱變形。（3) 由于升溫幅度很小，從而大大縮短了數(shù)控機床的預(yù)熱時間。（4)由于避免了滾珠絲杠的發(fā)熱，從而延長了潤滑油的使用壽命。

日本Ma-Kino公司開發(fā)了電子冷卻的控制系統(tǒng)，能夠保持溫度的基本穩(wěn)定[12]。日本研宄人員Otsuka, JIR.等在數(shù)控加工中心上測得了滾珠絲杠副不同位置的溫升，根據(jù)測量結(jié)果推到了熱傳導(dǎo)系數(shù)，并根據(jù)測量結(jié)果和傳熱的相關(guān)理論分析了滾珠絲杠副的上溫度分布情況。這一情況也可以看出熱傳導(dǎo)系數(shù)一般通過實驗測得。
定位誤差在6um以內(nèi)變化。由此可見，滾珠絲杠的熱誤差對定位精度的影響很大, 且空心滾珠絲杠可以明顯的降低伺服進(jìn)給系統(tǒng)的定位誤差。韓國學(xué)者S K-Kim米用有限元建立了數(shù)控機床滾珠絲杠伺服進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[13]。學(xué)者ZHE-ZhuXU等研宄了高速條件下空心滾珠絲桿副的風(fēng)冷實驗，如圖1.4 是其中的一個實驗數(shù)據(jù)結(jié)果。對溫度變化和分布做了詳細(xì)的探討并得到了滾珠絲杠軸向熱伸長的并變化規(guī)律；預(yù)加載與轉(zhuǎn)速對溫升也做了詳細(xì)的分析。然而，風(fēng)冷產(chǎn)生很大的噪音。還做循環(huán)水冷的實驗，然而并沒有將冷卻液通入螺母冷卻，得出熱變形和溫度上升的趨勢是一致的結(jié)論[15'16'42'43]。由此可知，韓國對空心滾珠絲杠進(jìn)行了透徹地研宄。然而，螺母是主要熱源沒有引起研宄者足夠的關(guān)注，沒能提出螺母冷卻液冷卻的冷卻方案[14]。

2013漢諾威歐洲機床（EMO )會上DMG公司展示了第4代加工中心的典型機型____DMU80P型加工中心，通過全水冷的進(jìn)給驅(qū)動實現(xiàn)精度的提高，零部件精度最多可提高30%[25]。德國柏林工業(yè)大學(xué)機床研宄者采用有限元分析計算了機床部件單元及整機的溫度分布及熱變形[17]。

德國Heidenha (海德漢）公司在產(chǎn)品手冊中給出了一臺立式加工中心的X軸的定位誤差，其為單邊帶內(nèi)冷系統(tǒng)的滾珠絲杠副，測試行程500mm,進(jìn)給速度2.5m/min。如實驗數(shù)據(jù)圖1.5所示。從圖中可知滾珠絲杠未被冷卻時，其定位精度誤差在40分鐘內(nèi)一直在增大，最大數(shù)值在40um左右。當(dāng)采用空心冷卻滾珠絲杠后，實驗測得的

通過國外的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，空心滾珠絲杠副無論是在抑制滾珠絲杠的熱變形，提高數(shù) 控機床的定位精度；還是在縮短預(yù)熱時間方面都優(yōu)于實行滾珠絲杠副。

本文采摘自“空心滾珠絲杠在數(shù)控機床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的應(yīng)用研究”，因為編輯困難導(dǎo)致有些函數(shù)、表格、圖片、內(nèi)容無法顯示，有需要者可以在網(wǎng)絡(luò)中查找相關(guān)文章！本文由伯特利數(shù)控整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請注明！

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