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NSK:机床驱动的超高速、超高精度、超高刚性技术
来源:《现代金属加工》 作者:NSK 徐炜 浏览次数:0
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上个世纪精密滚珠丝杠在机床行业伴随着数控化推广也飞速发展。作为满足数控机床不可或缺的重要要素,它已经不仅仅是单作为搬运部件了,高速输送是必需的,同时还要求有更高精度,长寿命,高刚性等各种性能。

  NSK 作为滚珠丝杠,直线导轨, 精密轴承等驱动功能部件厂家的领头羊,一直在挑战机床的高速极限。我们采取多项最新技术,在实现超高速的同时,还实现了机床的超高刚度及超高精度。

机床快移高速化的现状

  从上个世纪90 年代年开始,全球的机床高速化随着数控化飞速发展。图1 是过去16 年日本机床展(JIMTOF)展出加工中心的快移速度的调查结果(NSK 独自调查结果)。近年来50 ~ 60m/min 的台数增加很多,但100m/min 以上的台数没有大的增加,反而30m/min 左右的高精度机种增加较多,呈现高速机和高精度机两极发展的倾向。

实现超高速的性能需求

  如前述,高速化有以100m/min 为上限的倾向。这是因为机床各个要素对高速化要求有不安定因素存在。为此,NSK 明确课题,采用一系列的新技术,挑战极限驱动速度240m/min。更是同时实现了超高速与高精度高刚度。表1 是超高速运行所需的性能要求和NSK 的解决方案。
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NSK 的超高速、超高精度、超高刚性技术

1. 加工技术实现高精度大导程

  要实现超高速驱动,必须考虑导程和转速的平衡。NSK 采用对电机要求较低的转速3000min-1 和大导程80mm(轴径φ50mm)的滚珠丝杠实现了240m/min.

  滚珠丝杠因为有导程角度存在,加工时砂轮倾斜角大,螺母长时沟槽加工困难,NSK 近几年不断创新加工技术,大导程的螺母加工长度有很大提高,从而实现高负荷容量。

  虽然采用了大导程,因近年来伺服电机的编码器分辨率大大提高,可选用相对高分辨率的编码器解决最小驱动长度。举例:导程80mm,选用100 万分割 / rev 分辨率的编码器,驱动长度最小可设定至0.08μm。

2. 丝杠高速旋转技术

  丝杠自身形成有钢球无限循环的路径,钢球公转速度增加,钢球在循环路径内重复冲击力也增加。对路径内各个部件形成损伤。丝杆旋转速度极限是丝杆轴径d [mm] 和转速n[min-1] 的乘积d·n 值来决定。

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  NSK 采用了图2 所示的平滑导流构造,即钢球可按螺旋切线方向平滑循环,减少循环路冲击负担的高速静音技术。把d·n 值从原有的10 万提高至16 万以上。
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  并且丝杠的噪音等级是由球径:Dw,轴径:d,转速:n,3 个参数的乘积相关。图3 是采用高速静音技术后与原有的管循环方式的对比。因运行平滑,实现了降低10dB(A) 的低噪音。 NSK 的高速机床用滚珠丝杠HMD 系列产品和高速静音滚珠丝杠BSS 系列都采用高速静音技术。

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3. 高加减速

  要实现机床的高效率,驱动还必须是高加减速。为了保证高加减速时所需的大扭矩,在驱动滚珠丝杠两端配置马达采用双驱动模式。另外还要考虑到驱动系统各个部位的轻量化和减少旋转部位的转动惯量也很重要。通过这些方案可以实现最高快移速度240m/min,加速度5G 的驱动系统。可比市场主流高速机种(60m/min 1.5G)的效率提高3 倍。

4. 丝杠的长寿命技术

  输送速度,加减速增大,必将伴随着轴向载荷增加。为保证高负荷容量和高刚度,必须增加负载钢球数。一般说来大导程会降低单位长度的有效圈数从而在钢球数上处于不利位置。图4 为4 头丝杆的透视图。螺母内大约有600 个钢球,实现长寿命和高刚度。

5. 驱动系统精度提高(对丝杠进行强行冷却)

  因为丝杠高速旋转,滚动摩擦引起的温升增大,丝杠轴温升会大大降低定位精度。要抑制丝杠温升有,① 抑制发热,② 增加散热(强行冷却)等方法。

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① 抑制发热的方法(减少摩擦力矩及转数)

  通常预紧力为最大载荷的1/3 左右,增加预紧力可以增加螺母刚度,但预紧力过大会使寿命变短,系统发热量太大。所以最大载荷和要求刚度必须明确,这样才能保证选用最佳预紧量。另外,要求最快速度定下来后,转速是跟导程成反比。增大导程在减少支撑轴承发热方面也是非常有效的。还有,润滑方式也很重要,润滑剂的粘度及搅拌抗力形成的摩擦也是发热源,选用时也要注意。
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② 增加散热的方法

  丝杠散热一般由丝杠表面向周围环境(空气),向丝杠轴两端,向螺母座的3 种方式。如果加上强行冷却,散热效果会数十倍增加,是最有效的抑制温升的手段。如图5 所示,组合采用了丝杠轴中空冷却,螺母冷却,以及支撑轴承冷却。既可以达到最佳散热效果,还可以隔断向机床本身的传热,对增加机床精度非常有效。即使在非常苛刻的运行条件也能保证丝杠轴的温升在3℃以下(具体可根据实用情况联系NSK 解析计算)。

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6. 驱动系统的高刚度技术(滚珠丝杠的支撑构造)

  滚珠丝杠驱动系统的刚度关系到固有频率会影响到伺服系统的性能。产生的空转等也会直接影响到加工品质。丝杠驱动系统的轴向刚度由螺母刚度(钢球跟沟槽间的弹性变量)· 丝杠轴· 支撑轴承等决定。一般说来轴的刚度是最弱的,而轴的支撑方式不同刚度变化也很大。如表2。

  采用固定- 固定的支撑方式可让刚度最大化,对实现高精度最为有利。但是不能吸收因温升引起的轴向伸长量。那时候也虽然可采用两端的轴承对丝杠轴预拉伸,这种固定- 半固定的安装方法在预拉伸力的有效范围内是可以达到跟固定- 固定的支撑方式一样的刚度,但温度上升或载荷过大,预拉升力失去效用时就会造成刚度和精度低下。所以要实现高刚度的驱动系统还是必须用前述方法有效地减少丝杠温升。

总结

  NSK 总是一如既往地走在行业最前面,不惜时间和金钱,尝试着各种方法,扫除机床高速发展道路上各种各样的绊脚石,让最新技术不断地向实用化转变,为机床产业做最大的贡献。NSK 产品蕴含着多种尖端技术,采用NSK 的高性能丝杠,可以生产出最高品质的产品,降低维修成本,延长运行时间,有助于机床产业往更可靠,更环保的方向发展,创造“地球的明天”,实现“人与自然的和谐”。
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