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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(jī)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(dòng)力源、相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，其熱變形嚴(yán)重阻礙了數(shù)控機(jī)床最佳性能的發(fā)揮。滾珠絲杠的熱伸長(zhǎng)直接影響絲杠本身的螺距誤差，同時(shí)也會(huì)嚴(yán)重的削弱滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度，從而大大地降低了數(shù)控機(jī)床的加工精度、動(dòng)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(yàn)研究工作。

在1997年密西根大學(xué)學(xué)者將熱誤差補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用在通用(GM)公司的離合器加工廠100多臺(tái)數(shù)控加工機(jī)床上，結(jié)果明顯地提高了機(jī)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(bǔ)償模型。在實(shí)驗(yàn)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(cè)得的溫度作為預(yù)測(cè)模型的自變量。以此可見，熱誤差對(duì)于提高高精度數(shù)控機(jī)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(bǔ)償。

英國的浦項(xiàng)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(chǎng)分布，對(duì)比機(jī)床測(cè)量的結(jié)果驗(yàn)證了溫度場(chǎng)模型。學(xué)者Kodera-T改進(jìn) 了光學(xué)式測(cè)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(zhǎng)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(bǔ)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(qiáng)制冷卻試驗(yàn)，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(shí)間30分鐘左右，遠(yuǎn)優(yōu)于實(shí)心滾珠絲杠；水作為冷卻介質(zhì)時(shí)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(cè)關(guān)于空心滾珠絲杠的強(qiáng)制冷卻效果實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(duì)空心滾珠絲杠的研宄，NSK公司對(duì)空心滾珠絲杠的優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)，從而獲得準(zhǔn)確的定位精度。（2)將熱伸長(zhǎng)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(shí)冷卻弱化了滾珠絲杠對(duì)其他部位的熱傳導(dǎo)，主要是加工工作臺(tái)的熱變形。（3) 由于升溫幅度很小，從而大大縮短了數(shù)控機(jī)床的預(yù)熱時(shí)間。（4)由于避免了滾珠絲杠的發(fā)熱，從而延長(zhǎng)了潤(rùn)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(cè)得了滾珠絲杠副不同位置的溫升，根據(jù)測(cè)量結(jié)果推到了熱傳導(dǎo)系數(shù)，并根據(jù)測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)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(jī)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(shí)驗(yàn)，如圖1.4 是其中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。對(duì)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(zhǎng)的并變化規(guī)律；預(yù)加載與轉(zhuǎn)速對(duì)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(shí)驗(yàn)，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(shì)是一致的結(jié)論[15'16'42'43]。由此可知，韓國對(duì)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(jī)床（EMO )會(huì)上DMG公司展示了第4代加工中心的典型機(jī) 型____DMU80P型加工中心，通過全水冷的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)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(jī)床研宄者采用有限元分析計(jì)算了機(jī)床部件單元及整機(jī)的溫度分布及熱變形[17]。

德國Heidenha (海德漢）公司在產(chǎn)品手冊(cè)中給出了一臺(tái)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(cè)試行程500mm,進(jìn)給速度2.5m/min。如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖1.5所示。從圖中可知滾珠絲杠未被冷卻時(shí)，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(shí)驗(yàn)測(cè)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(jī)床的定位精度；還是在縮短預(yù)熱時(shí)間方面都優(yōu)于實(shí)行滾珠絲杠副。

本文采摘自“空心滾珠絲杠在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的應(yīng)用研究”，因?yàn)榫庉嬂щy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(qǐng)注明！

標(biāo)簽：加工中心數(shù)控加工中心 CNC加工中心數(shù)控機(jī)床滾珠絲桿

分類：加工中心

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