浅谈滚珠丝杠副传动

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机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势，有广阔的技术前景。滚珠丝杆副是为了适应机电一体化机械传动系统的要求而发展起来的一种新型传动机构，由滚珠丝杠、滚珠螺母（组件）和滚珠组成，可以将旋转运动变为直线运动，或者将直线运动转变成旋转运动。滚珠丝杠副不仅是各类数控装备的核心功能部件，还是机械工业领域中资本密集型和技术密集型的重要通用零部件。在线性传动家族中滚珠丝杠副是应用面很广，产业化程度较高的产品。

一、我国滚珠丝杠的现状

我国滚动功能部件行业生产不集中、产品品种单一、含金量偏低，尚无在国际上有影响力的知名品牌，已成为国产数控机床发展的瓶颈。目前我国滚动功能部件生产企业有50家（不含台湾省），研究院所、高校共3家，企业附属研究机构3个。生产滚珠丝杠的企业有48家，年产值可达6.5亿元，生产滚动直线导轨的企业有6家（其中4家同时生产滚珠丝杠），年产值可达1.5亿元。在50家企业中，生产规模大、工艺装备较齐全、产量大、品种多的企业只有6家，而且企业存在对用户市场缺乏战略研究，产业技术开发的工作跟不上形势发展的要求，企业的核心竞争力不强，创新能力较差等问题。我国滚动功能部件产业与国外的主要差距是：专业生产水平不高，信息化管理滞后，产业化进程缓慢，个性化服务跟不上。中低档产品与国外同类产品差距较小或基本持平，但生产效率却远远低于国外。而高性能、高档次的产品与NSK、THK、INA等知名企业有明显差距，成为制约国产高档数控机床发展的瓶颈。

二、滚珠丝杆副的结构及创新

1.适度增大滚珠丝杠副的导程Pn和螺纹头数是实现高速化的最佳选择

我国早在1989年就完成了大导程滚珠丝杠副的“七五”攻关，螺旋升角为φ>9°～17°的大导程滚珠丝杠副已实现批量生产。但是由于螺纹磨床传动链误差“基因”的遗传，导程越大，导程精度很难提高。

2.对滚珠进行改进

在高速运动时，滚珠的自旋速度、公转速度、离心力都很大，滚珠相互间的撞击、进出反向机构的瞬间冲击力也很大。解决这个问题有四种方法：通过对滚珠链优化计算，适当减小滚珠直径；采用空心钢球，使用空心滚珠丝杠副可有效降低转动惯量，提高丝杠的转速；改变滚珠排列方式，将滚珠链中的滚珠按一大一小间隔排列；采用氮化硅陶瓷球。

3.为滚珠添加保持器

在丝杠中为滚珠添加保持器后，避免了滚珠体之间的直接摩擦，实现了静音、运行顺滑、周期长、高速性、耐久性等效果。

4.空心强冷

在高速运转时，丝杠轴的热变形是加工误差的来源之一，为了提高系统刚性对丝杠轴预拉伸也会产生热量。解决发热问题的有效办法是将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却，这还有助于减小高速运转时的惯性，增加丝杠轴的扭曲刚度。

5.改进滚珠螺母结构

（1）改进预加负荷的方式，对预紧力Fp实施动态控制。在高速运转时，为保持滚珠丝杠副在全行程范围内刚度和精度不发生变化，必须使Fp不丢失，动态预紧转矩Tp恒定。

（2）滚珠在进出反向机构时，会重复产生布里涅耳(Brinell)效应，即布氏撞击耗损。因此，应针对高速的要求对循环反向机构进行优化设计:内循环反向结构及回珠槽曲线参数的优化，采用高含油、高密度纤维减摩材料使滚珠在循环时“软着陆”，外循环导珠管采用高强度厚壁优质合金材料、加大曲率半径、对管壁和管舌实施强化处理，反向器和导珠管在滚珠螺母体上的坐标位置优化布局等。

（3）其他减振减噪措施有：在滚珠螺母体周边配置防噪声套管等。

6.对滚珠丝杠副实施双电动机驱动

用一个伺服电动机驱动滚珠丝杠轴，另一个伺服电动机以相反方向驱动由轴承支撑的滚珠螺母，这样工作台的进给速度几乎可提高一倍。

7.改变驱动方式

当丝杠行程很长时，可将“丝杠转动螺母移动”的丝杠驱动方式改为“丝杠固定，螺母一边转动一边移动”的螺母驱动方式。

8.改善滚珠丝杠副的摩擦特性

在螺纹滚道、滚珠反向通道、钢球表面采用一种涂层可使高速运转时的摩擦力矩降低10%左右，明显减少钢球在非纯滚动的“滑移”过程中对螺纹滚道的擦伤，延长使用寿命。

三、滚珠丝杠副的发展趋势

未来滚珠丝杠副将朝着大型、重载、精密的方向发展。滚珠丝杠副的发展及其在各个方面的创新可以实现机械装置的高速化，为机电一体化技术的发展提供了便利的条件。21世纪机电一体化技术将成为机械工业的主角，能带来显著的经济效益和社会效益。

（作者单位：山东省烟台工程职业技术学院）