綠色滾動功能部件在伺服進給系統(tǒng)中助推數(shù)控機床綠色制造

黃祖堯

制造業(yè)是國民經濟的支柱產業(yè)，在地球資源不斷枯竭、環(huán)境狀況日益惡化的今天，樹立科學發(fā)展觀，走可持續(xù)發(fā)展之路，已成為新型工業(yè)化和低碳經濟時代的基本理念和唯一選擇，制造業(yè)實施低能耗、低物耗、低污染、低排放已成為不可推卸的社會責任。研究表明:產品的性能有70%～80%是由產品的設計階段所決定的，而綠色設計對節(jié)能、降耗、環(huán)保的貢獻率可達70%以上。

在低碳經濟時代，滾動功能部件的研發(fā)、創(chuàng)新和產品設計都應以生態(tài)環(huán)境意識和綠色科技理論作為指導準則。新一代的數(shù)控機床及其核心功能部件必須把高效率、高精度、高可靠性、資源和能源的高利用率以及低能耗、低排放作為追求的目標，而綠色制造（Green Manufacturing）、智能制造（Intelligent Manufacturing）將是未來制造業(yè)發(fā)展的走向，并成為高端數(shù)控機床的重要標志和市場競爭的新亮點。

眾所周知，在數(shù)控機床中，核心功能部件作為單元技術的載體，其“功能”通過主機的集成組合與CNC控制，從而達到總體性能和精度的要求。其實，滾動功能部件（滾珠絲杠副、滾動直線導軌副……）從本質上分析，它們就具有“高效率”、“省能”、“長壽命”等特性，再通過三維CAD綠色設計，可放大“綠色功能”，成為數(shù)控機床綠色制造的有力推手，讓綠色智能數(shù)控機床熠熠生輝。

1 提高流暢性是提升產品性能的關鍵

滾動摩擦是各類滾動功能部件的最基本特征，由小摩擦系數(shù)（μ=0.002 5～0.003 5）所派生出高傳動效率（η＞85%（逆），η＞95%（正））和高速特性（d0n≥（12～20）×104mm·r/min）。但是，它與滾動軸承卻有很大差異，其受力和運動狀態(tài)更為復雜，并非純滾動。滾動體需要借助于“循環(huán)返向裝置”完成周而復始往復不斷的循環(huán)滾動。因此，需要從滾道、滾動鏈、循環(huán)返向裝置三個環(huán)節(jié)通過優(yōu)化設計來解決“流暢性”的問題。海外知名品牌的企業(yè)，都在這個基礎領域狠下功夫使產品性能大幅提高。

1.1 滾道形狀和主參數(shù)

滾動體在滾道中的工作狀態(tài)隨載荷大小、運動速度和方向的變化而發(fā)生變化，對滾道形狀和主參數(shù)優(yōu)化設計的目的就是通過三維實體建模，運用有限元分析在各種工況下的受力和變形規(guī)律、研究滾動摩擦機理，從而獲得最佳滾道截形、滾道曲率rs·rn、接觸角α、適應度fr等主參數(shù)，達到降低摩擦耗損，提高能效，滿足流暢性的要求。

1.2 循環(huán)返向裝置

滾動體在進出返向裝置的瞬間，其受力狀態(tài)、滾動方式，運動方向均發(fā)生變化，并重復出現(xiàn)Brinell效應，即布氏撞擊耗損。以滾珠絲杠副為例，無論什么循環(huán)方式，通過三維CAD設計，應用有限元軟件分析返向過程中的最大應力變化，并遵循“滾動體的運動軌跡始終與絲杠副的螺旋線（包括中徑Dpw，螺旋升角φ）保持相切對接（而不是相交對接）狀態(tài)”的原則，就可以最大限度降低布氏撞擊耗損，達到提高流暢性的目的。圖1為端部導流軸向返向的典型結構。對于插管式外循環(huán)而言，除遵循“相切”原則之外，增加“管壁”和“管舌”強度，提高管道的曲率和管孔的圓度亦尤為重要。

1.3 滾動鏈

為了避免在循環(huán)滾動過程中滾動體之間的相互摩擦、碰撞和擠壓，可采用間隔滾動鏈，即采用［D+w+D－w++w］，滾動體直徑Dw一大一小的排列。還可采用鋼球與陶瓷球間隔混合排列，即［Steel+Si3N4+Steel+Si3N4］的排列方式。近年，具有自潤、降噪、減摩功能的滾動體隔離鏈（見圖2）已成為綠色環(huán)保的時尚結構。

2 輕量化成為高速、高能效的追求目標

低能耗促進產品結構的輕量化。作為能耗較大的數(shù)控機床，減小運動部件的體積和質量是降低驅動功率的重要措施，而對于高速數(shù)控機床，所有運動部件必須滿足最小運動慣量的要求，以達到所需的加（減）速度指標。輕量化包括運動部件結構的簡化，布局的優(yōu)化和材質的改進等。滿足強度和剛度要求的輕質材料和它的制造技術是輕量化設計關注的焦點。作為運動部件的滾珠絲杠副和滾動直線導軌副，已經或正在采取以下措施:

滾珠絲杠、滾珠螺母組件、滾動導軌、滾動滑塊通過優(yōu)化設計在滿足剛度強度的前提下，“減肥”和空心化，并選用優(yōu)質鋼材和強化處理。例如THK公司推出中空輕型SSR系列滾動直線導軌與同規(guī)格比較，減重40%。該公司把碳纖維用于重載滾珠絲杠副的反向裝置，既增加了強度又減輕了質量。而滾動體的輕量化包括:Si3N4陶瓷球（材質密度3.2 g/cm3，是鋼球的40%）、高強度空心鋼球（見圖3）、空心滾子等。當采用Si3N4陶瓷球，其離心力比鋼球減小50%以上，可大大改善高速滾珠絲杠副的動態(tài)特性并減小能耗。

據(jù)對空心圓柱滾子軸承的研究表明，當對“空心度”進行優(yōu)化設計的空心滾柱比實心滾柱的離心力減小40%，dn值提高2倍，因存在預應力并有一定柔性，使空心滾子受載更均勻，剛度和回轉精度得到提高。無論是實心滾柱或空心滾柱，為避免出現(xiàn)“邊緣效應”和“偏置載荷”并使?jié)L柱受力均勻，推薦采用“對數(shù)母線型滾柱”，它有利于減小摩擦耗損，提高流暢性。雖然空心滾珠在機床上很少用，但在航空航天等領域節(jié)能效果非常明顯，據(jù)介紹，在大力神軍用運輸機內貨倉的滾動輸送面板中，大約有40 000個空心大鋼球，總重量減輕1 814 kg，每年節(jié)省航空燃油1.09×105L。

雖然空心滾動體的制造難度較大，成本也高，在我國軸承行業(yè)中還尚未廣泛應用，但都給我們研發(fā)精密高速和高性能綠色滾動功能部件提供了可以借鑒的解決方案。

3 均載設計可挖掘產品潛能及延長使用壽命

眾所周知，“螺紋”具有傳動、聯(lián)結和緊固的功能，由于內外螺紋的螺旋線誤差、齒形誤差以及不同的受力狀態(tài)，外加載荷在螺紋的各圈中并非均衡分布。用于傳遞動力的滾珠絲杠副（滾珠螺旋傳動裝置），特別是重載滾珠絲杠副，如何使其載荷比較均衡地分布在各圈的承載滾動體上，成為業(yè)內關注的重心。

在上世紀80年代，海外學者（例如:井沢実、稻葉善治、宮口和男、二宮瑞穗等）先后對高負荷工況下的滾珠絲杠副運用光彈理論等方法試驗研究不同受力狀態(tài)下的載荷均化問題，其成果用于指導生產，取得一定效果。

所謂“均載設計”，就是通過對產品（滾珠絲杠副）受力狀態(tài)的理論分析和試驗，優(yōu)化產品設計，把外加負荷較平均地分攤到每個受載滾動體上，力爭做到“無零載”，“無過載”的均衡動力傳遞。

借鑒海外的研究成果，經過綜合分析判斷，筆者認為在均載設計中，必須注意解決以下問題（其中某些問題常常被忽視）:

（1）對于高負荷的重載滾珠絲杠副，設計要求絲杠和螺母的螺旋線誤差，以及誤差的“走向”應力求趨于一致，內外齒形誤差應“吻合”。對于雙頭（或多頭）螺紋，需嚴格控制內外螺紋各條螺紋線之間的“分度誤差”。

（2）要求每個螺母（或者導軌副的“滑塊”）內的滾動體（滾珠、滾柱）其直徑誤差的一致性達到最佳化。在滾動鏈中嚴禁大誤差的滾動體混入。“批直徑變動量”超過允許值，將導致“零載”或“過載”。

（3）在滾珠螺母體的周圍和軸向合理配置“反向器”，以滿足均載設計的要求（見圖4a、4b）。

（4）施加在滾珠絲杠、滾珠螺母的載荷，其作用力的中心應通過絲杠副的軸心。為此，對絲杠（或螺母）的支承軸頸的同軸度應提出嚴格要求。數(shù)控機床上的絲杠和螺母支撐座，三者的中心位置，應精調到“三點同軸”的狀態(tài)，避免因偏心導致絲桿副承受“偏置載荷”。

（5）基于Hertz彈性變性理論，在結構設計時應盡可能使?jié)L珠螺母和絲杠軸的有效斷面積接近。在設計滾珠螺母的安裝方式和受力方向時，應使?jié)L珠螺母與絲杠軸處于同時受拉伸或受壓縮的狀態(tài)，使兩者彈性變形的方向趨于一致，以利于載荷的均化（見圖4a）。

圖4是經過實驗研究分析后，推薦滾珠螺母安裝受力方式和返向器的配置方案。這是針對于電動注塑機用高載荷滾珠絲杠副的實例。對用于大重型數(shù)控機床的重載滾珠絲杠副，同樣具有借鑒價值。

均載設計對于高負荷的重載滾珠絲杠副（包括滾動直線導軌副）是挖掘產品承載潛能、延長價格昂貴的大型、重載滾動功能部件使用壽命、提高產品能效的綠色設計。

4 雙冷技術的效用

在數(shù)控機床中，針對各種熱源對機床熱變形的影響，常常需要對幾何誤差和熱誤差實施誤差補償。對于采用滾珠絲杠驅動的伺服進給系統(tǒng)，傳統(tǒng)抑制熱變形的對策包括:對兩端固定支承的絲杠軸實施預拉伸;根據(jù)設定的進給速度，用增大導程Ph來降低絲杠軸的轉速;對空心滾珠絲杠實施循環(huán)強制冷卻等。

對絲杠軸和滾珠螺母組件的熱態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn):絲杠軸是屬于隨滾珠螺母位移變化的移動熱源，而滾珠螺母內部在傳動的自始至終都處于產生摩擦熱的狀態(tài)，是散熱條件差的連續(xù)熱源?；谶@種判斷，海外不少知名企業(yè)推出滾珠螺母冷卻新產品（圖5）。據(jù)介紹，最高線速度可達120 m/min，冷卻系統(tǒng)對螺母預緊力不產生影響，比之絲杠冷卻，對工作臺的溫升要低3℃左右，能更好滿足高精度的要求。

我國臺灣HIWIN公司和南京工藝裝備公司也相繼開發(fā)冷卻螺母的產品。日本NSK公司和HIWIN公司在較早研制成功滾珠螺母冷卻產品的基礎上，通過有限元分析，研究最佳熱傳導制冷方案，提出“恒溫式”滾珠絲杠副的設計理念——空心滾珠絲杠+內冷滾珠螺母的雙冷技術。眾所周知，在數(shù)控機床加工中，通常都是先空運轉，在達到熱平衡后才開始加工，即“暖機時間”。據(jù)統(tǒng)計，機床空載功率的損耗約占整個機床功率消耗的10%～15%。據(jù)相關的實驗研究表明，采用雙冷式恒溫滾珠絲杠副，可節(jié)省數(shù)控機床暖機時間70 min（見圖6）。

表1 N傳動與S傳動之比較

5 小轉動慣量的省能驅動

在長行程的大型重載數(shù)控機床或高速數(shù)控機床中力求轉動慣量最小化，而轉動慣量是與旋轉體直徑的平方、旋轉體的總長以及質量成正比。近年，不少知名企業(yè)研制的滾珠螺母旋轉傳動的伺服驅動方式就是小轉動慣量的省能驅動。

筆者對滾珠螺母旋轉（簡稱N傳動）和滾珠絲杠旋轉（簡稱S傳動）兩種傳動方式在性能和能耗等方面做了分析對比，詳見表1。

筆者認為，滾珠螺母旋轉主傳動是滾珠絲杠副在綠色制造中的重要創(chuàng)新，它既節(jié)能降耗又拓寬了這一產品的應用領域，在重載和長行程領域是對直線電動機、齒輪—齒條傳動、油缸傳動、滾動蝸母條傳動的挑戰(zhàn)。例如，漢江機床有限公司近年研發(fā)成功的5 m以上大型CNC螺紋磨床上就成功地采用了滾珠螺母旋轉的傳動方案，不但降低了能耗，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性，還使大型精密螺紋磨床的縱向長度縮短約50%，降低了機床制造和使用成本。

滾珠螺母旋轉主傳動的第一代產品是伺服電動機通過同步帶輪（或齒輪）帶動螺母旋轉（見圖7）。近年又出現(xiàn)機電一體化直驅型的第二代產品——伺服直驅旋轉螺母組合單元，包括三種類型:

（1）由空心伺服電動機直接驅動軸向固定的滾珠螺母旋轉，借助滾珠螺旋運動帶動滾珠絲杠作軸向往復運動（圖8），主要用于行程不大、載荷適中的加工中心、PKM并聯(lián)機床、航空航天、醫(yī)療器械、檢測儀器等的快速抓舉和初定位。例如神八、神九與天宮對接中就采用了由3對共6套滾珠螺母旋轉型大導程滾珠絲杠副所組成的三角平臺并聯(lián)機構。在正向推出時螺母旋轉絲杠產生軸向推力，在逆向緩沖時絲杠作直線運動，螺母旋轉。

（2）在圓周和軸向固定長行程的大絲杠，由空心伺服電動機直接驅動滾珠螺母在絲杠上旋轉，并帶動工作臺作軸向運動。例如，德國Kammerer公司推出可以實現(xiàn)Vmou=120 m/min、加速度1g的螺母主驅動的高速線性傳動裝置。我國南京工藝裝備公司在承擔“數(shù)控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項的攻關中研制成功機電一體化的旋轉螺母組合單元（見圖9）。比之第一代產品具有結構緊湊、精度更高、速度更快、小振動、低噪聲、低能耗的特點，還同時兼有潤滑、防塵、冷卻的輔助功能。這是我國滾動功能部件行業(yè)在向高端進軍中技術上的突破，向綠色制造又邁出了一大步。和第一代產品相比技術難度更大，我國的直驅型新產品在商品化之前還有若干技術問題有待完善。

（3）Spindasyn雙向復合驅動裝置（見圖10）。在一根同時具有左旋和右旋螺紋的滾珠絲杠上，空心AC電動機的轉子分別與左旋和右旋的兩個滾珠螺母剛性聯(lián)結，當同時改變兩臺AC電動機的轉速和轉向，就能巧妙地完成“旋轉運動”與“直線運動”的疊加組合，實現(xiàn)高速和微量進給，使?jié)L珠絲杠副的能效得到充分發(fā)揮，并擴展了產品的功能。

6 預緊力Fpr的CNC控制

在滾珠絲杠副運行過程中預緊力Fpr常出現(xiàn)早期松弛，就必然導致伺服進給系統(tǒng)軸向剛度和定位精度的下降，這是產品可靠性不高的最突出表現(xiàn)。傳統(tǒng)純機械的預加負荷方式的最大缺陷是預緊力Fpr一成不變，而實際上當速度和外加載荷發(fā)生變化時，特別是高速、重載和有沖擊載荷時Fpr都會發(fā)生變化，同時溫度和幾何精度（例如:中徑尺寸的變動、齒形的變化等）也會對Fpr產生影響。滾珠絲杠副產品出廠時若Fpr過大，會導致過度的機械摩擦與發(fā)熱，降低流暢性、傳動效率與壽命，因此，不少制造企業(yè)對Fpr多采取“寧小勿大”用犧牲“剛度”來取悅“手感靈活性”，如果“加載跑合”又不充分，就潛伏著“初接觸剛性”不高的隱患，在這種情況下Fpr的早期松弛就很難避免。

上世紀 80年代，德國Karlsruhe大學曾開展對滾珠絲杠副性能的試驗研究，提出了預緊力動態(tài)控制的解決方案（圖10），其采用具有納米級分辨率的壓電陶瓷作為預緊力的調節(jié)器，通過CNC控制系統(tǒng)發(fā)出模擬信號（±10 V）隨工作狀態(tài)的變化，動態(tài)調控Fpr值，使其始終處于最佳設定狀態(tài)，而控制系統(tǒng)可在主機的CNC總程序中預置Fpr子程序。

近年，中國一些高校（哈工大等）在對滾珠絲杠副用于超精密定位的研究中，也采用壓電陶瓷技術來控制預緊力Fpr。

這種帶有柔性的CNC預緊力控制裝置，具有以下特點:（1）可直接準確地獲得所需Fpr值，無需通過間接測量預緊轉矩Tp（國家標準中有規(guī)定）再換算成Fpr;（2）在滿足伺服進給系統(tǒng)剛度和定位精度的前提下，避免了過度的摩擦損耗，有助于延長產品使用壽命和提高能效;（3）有助于改善系統(tǒng)的動態(tài)特征，刀具的壽命因進給平穩(wěn)而提高;（4）當滾珠絲杠副因長時間使用出現(xiàn)疲勞剝損和滾道形變，此時Fpr會出現(xiàn)波動，小波動可動態(tài)補償，大波動可發(fā)出預警。

總之，CNC預緊力控制裝置是對傳統(tǒng)預緊方式的創(chuàng)新。當我們研制P1～P0級精密高速滾珠絲杠副和微動定位超精密滾珠絲杠副等高性能產品時，這是值得借鑒的方案。

7 復合化、模塊化的效用

帶光柵測量系統(tǒng)的滾動直線導軌把直線運動的精確導向與位置自動控測集成為一體，集制動、準停、防振、阻尼等功能于一體的高速精密滾動直線導軌副，改善了高速運動時的阻尼特征，使運動平穩(wěn)安全可靠;滾珠絲杠副的“螺母”與滾動直線導軌副的“滑塊”，兩件合二為一的線性模塊（單軸，雙軸），該模塊的質量中心與驅動絲杠軸心重疊使傳動平穩(wěn)省力;滾珠絲杠副與滾珠花鍵一體，其絲杠軸與花鍵軸合二為一，既可實現(xiàn)往復直線運動，還可傳遞轉矩，用于FMS生產自動線、加工中心自動換刀、裝配機器人等場合;滾動直線導軌副與直線電動機一體化的高速線性驅動裝置等。

以上復合化、模塊化的產品，除結構緊湊、占用主機空間小、功能擴展外，也是降低能耗、物耗、提高能效的綠色制造產品。

8 產品生命周期通過再制造得到延長

對于滾珠絲杠副而言，在確保制造質量和可靠性以及正確安裝、使用的前提下，其額定壽命為L10=106轉，比普通滑動絲杠的壽命高6～10倍。當選用優(yōu)質鋼材、優(yōu)化熱處理工藝、對滾道表面進行改質強化處理和超精密加工、以及采用綠色環(huán)保的密封、自潤滑技術等都能延長產品的使用壽命。

對于正常工作情況下的疲勞磨損或因過載而局部受損的部分零件，可通過維修、補充加工、更換受損件等“再制造”方法，延長產品的生命周期，并使優(yōu)質合金鋼材得到充分利用。

在數(shù)控機床的各類功能部件中，滾動功能部件具有標準化程度高、互換性好的特征，其中的每一個零件都是可以單獨出售的商品，具備可維修和再制造的有利條件，從而降低數(shù)控機床的關鍵功能部件維修成本，縮短再制造周期。據(jù)了解，在國外，就有這類專業(yè)的維修公司或工作站。我國許多滾動功能部件的專業(yè)制造公司，也都承擔了國產和進口產品的再制造維修業(yè)務。

我們不要小看維修和再制造，在低碳經濟時代，它已逐漸成為制造業(yè)中的一個新興產業(yè)。

科學發(fā)展觀是實現(xiàn)科技興國、把幾代人的機床強國夢變?yōu)閷崿F(xiàn)的指導思想?；诰G色科技的理念，在加快發(fā)展數(shù)控機床和功能部件（特別是用能源驅動的核心功能部件）時，不但要關注產品的性能、精度和可靠性，還要關注產品的能效。而新一代綠色滾動功能部件將助推數(shù)控機床的綠色制造。

節(jié)約資源和環(huán)境保護是企業(yè)不可推卸的社會責任。高效、節(jié)能、降耗、減排的綠色制造和產品將為企業(yè)開拓市場、增強競爭力帶來新的機遇，必將為社會和企業(yè)帶來雙贏。綠色科技還為企業(yè)實施綠色技術改造，完成產品結構調整和企業(yè)的轉型升級指明了方向。

9 結語

筆者從本世紀之初，就開始關注滾動功能部件綠色發(fā)展之路，曾多次在不同的場合以不同的方式呼吁實施綠色制造。本文和之前的《用綠色制造提升滾動功能部件的規(guī)?；瘜I(yè)生產水平》（“制造技術與機床”2012年12期）。介紹和評述了近年國內外滾動功能部件產業(yè)綠色制造和綠色產品的發(fā)展概況，以期進一步引起業(yè)內的關注。在撰寫這兩篇論文過程中，曾先后到北京、南京、山東、上海、廣州的相關企業(yè)調研，得到業(yè)內朋友的熱情支持，特在此表示感謝!由于所獲得的信息和第一手資料尚不夠全面，特別是海外的信息主要取之科技文獻和展會，難免有遺漏和不當之處，敬請指正賜教。

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