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1.2滾珠絲杠副伺服進給系統國內外熱特性研究現狀

1.2.1國外滾珠絲杠熱特性的研宄現狀

數控機床在切削加工的過程當中，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、環境溫度變化傳導的熱量、冷卻系統帶走的熱量等W。其中尤其是滾珠絲杠高速進給運動時，其熱變形嚴重阻礙了數控機床最佳性能的發揮。滾珠絲杠的熱伸長直接影響絲杠本身的螺距誤差，同時也會嚴重的削弱滾珠絲杠副的傳動剛度，從而大大地降低了數控機床的加工精度、動態穩定性與響應的快速性。國外關于滾珠絲杠副熱變形研宄進行的比較早，專家學者已經做了很多的試驗研究工作。

在1997年密西根大學學者將熱誤差補償技術應用在通用(GM)公司的離合器加工廠100多臺數控加工機床上，結果明顯地提高了機床的加工精度[1Q]。美國學者S-Yang 等模仿小腦控制模型結合神經網絡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測模型的自變量。以此可見，熱誤差對于提高高精度數控機床加工精度影響很大，美國很早就通過先進的算法進行了軟件程序熱補償。

英國的浦項工學院學者Kim S.K等采用有限元方法比較了滾珠絲杠副在不同轉速下的二維溫度場分布，對比機床測量的結果驗證了溫度場模型。學者Kodera-T改進了光學式測溫系統，利用該系統研宄了滾珠絲杠的溫度分布，并依據溫度分布情況估算出了絲杠的熱伸長量[18]。學者Ramesh_R[41]等研究了定位誤差隨著伺服系統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。

日本NSK公司研制并生產了高速空心滾珠絲杠產品，最早進行了絲杠中空強制冷卻試驗，結果較為明顯：中空冷卻效果明顯溫升幅度只有2° C,達到穩態的時間30分鐘左右，遠優于實心滾珠絲杠；水作為冷卻介質時冷卻效果最好，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公司產品手冊關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點進行了總結：（1)抑制了由于絲杠溫升所造成地熱伸長，從而獲得準確的定位精度。（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，同時冷卻弱化了滾珠絲杠對其他部位的熱傳導，主要是加工工作臺的熱變形。（3) 由于升溫幅度很小，從而大大縮短了數控機床的預熱時間。（4)由于避免了滾珠絲杠的發熱，從而延長了潤滑油的使用壽命。

日本Ma-Kino公司開發了電子冷卻的控制系統，能夠保持溫度的基本穩定[12]。日本研宄人員Otsuka, JIR.等在數控加工中心上測得了滾珠絲杠副不同位置的溫升，根據測量結果推到了熱傳導系數，并根據測量結果和傳熱的相關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系數一般通過實驗測得。
定位誤差在6um以內變化。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給系統的定位誤差。韓國學者S K-Kim米用有限元建立了數控機床滾珠絲杠伺服進給系統的數學模型[13]。學者ZHE-ZhuXU等研宄了高速條件下空心滾珠絲桿副的風冷實驗，如圖1.4 是其中的一個實驗數據結果。對溫度變化和分布做了詳細的探討并得到了滾珠絲杠軸向熱伸長的并變化規律；預加載與轉速對溫升也做了詳細的分析。然而，風冷產生很大的噪音。還做循環水冷的實驗，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論[15'16'42'43]。由此可知，韓國對空心滾珠絲杠進行了透徹地研宄。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，通過全水冷的進給驅動實現精度的提高，零部件精度最多可提高30%[25]。德國柏林工業大學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，其為單邊帶內冷系統的滾珠絲杠副，測試行程500mm,進給速度2.5m/min。如實驗數據圖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分鐘內一直在增大，最大數值在40um左右。當采用空心冷卻滾珠絲杠后，實驗測得的

通過國外的調研發現，空心滾珠絲杠副無論是在抑制滾珠絲杠的熱變形，提高數控機床的定位精度；還是在縮短預熱時間方面都優于實行滾珠絲杠副。

本文采摘自“空心滾珠絲杠在數控機床伺服進給系統中的應用研究”，因為編輯困難導致有些函數、表格、圖片、內容無法顯示，有需要者可以在網絡中查找相關文章！本文由伯特利數控整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！

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