滚珠丝杠副发展及研究现状

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1、滚珠丝杠副发展及研究现状　　1滚珠丝杠副的起源与发展　　滚珠丝杠副是数控机床的传动部件之一，螺母与丝杠表面被加工成凹圆弧形成螺纹滚道，滚道之间放入滚珠形成滚珠丝杠副部件，滚珠在螺母内沿着螺旋滚道滚动并通过返向器在螺母内循环，带动螺母沿丝杠轴向运动。滚珠丝杠副一般由丝杠、螺母、滚珠与返向器4大部分组成，如所示。　　早在19世纪40年代，滚珠丝杠副被应用到汽车行业中，其被制造成转向机构成为真正的商品，由此拉开了滚珠丝杠副产品商业化的帷幕。因为滚珠丝杠得天独厚的传动特性，从20世纪开始，世界各国争相开始了滚珠丝杠副传动

2、的研究与应用。以美国、英国、日本与意大利为首的发达国家，先后建立了滚珠丝杠副的专业化生产工厂。经过多年的发展，形成了原材料供应、材料加工、高精度与高精密磨削、测试检验等完整的生产链。1965年滚珠丝杠副在数控机床上应用成功，促进了机械制造行业的飞速进步，缩短了产品加工周期，降低了成本。因此，对滚珠丝杠副的理论与实践研究是国家进一步工业化发展的重要途径。　　国外对滚珠丝杠的研究与应用起步较早。鉴于滚珠丝杠副的重要作用，国内各大高校先后开始了对滚珠丝杠副的科学研究。近年来，对于滚珠丝杠副的理论研究、试验测试、技术攻关

3、和产品创新换代也取得了明显的成果，使我国的滚珠丝杠副产品开始进入国际市场。加入ISO组织，开创了滚珠丝杠的新兴发展局面。在工艺中应用不同淬火方案，例如开槽淬火、中频淬火与离子氮化等新兴技术，同时开发出冷轧、空心、微型滚珠丝杠，以及特殊材料的滚珠丝杠副，这不仅满足普通数控机床需求，还使滚珠丝杠得以进军航天、军工、高铁和船舶等高精尖行业。　　2滚珠丝杠副研究现状　　随着滚珠丝杠副向高速高精化发展，对滚珠丝杠副的动力学性能要求必然提高，这就需要对滚珠丝杠副的振动噪声、磨损及控制方法进行研究，其研究现状如下。　　2.1振

4、动及噪声研究　　日本学者Igarashi等认为低频振动主要来自于滚珠撞击返向器时的球通频率及倍频，但其研究对象只局限于单返向器外循环滚珠丝杠副。中国台湾学者苏栢贤对滚珠丝杠副进行研究，由于其实验中滚珠丝杠副最高转速为1000r/min，因此得到的结论只局限于中低转速;在此工作基础上，同一课题组的王建文对滚珠丝杠副低频振动的机理展开了深入的研究，得出了与Igarashi等人相同的结论，此外他还提出滚珠承载数目的变化导致的刚性变化也是滚珠丝杠副低频振动的之一。山东大学的张佐营等寻找了滚珠丝杠副噪声的振动源，通过实验发

5、现径向振动频谱较轴向振动频谱复杂得多，轴向振动峰值不随转速变化为固有频率的振动，他认为噪声主要由径向振动引起，而径向振动是由波纹度所激励，同时他还研究了润滑脂对滚珠丝杠副噪声的影响。为德国斯图加特大学研制的滚珠丝杠副多功能测试平台。　　2.2磨损研究　　对滚珠丝杠进行磨损分析是建立在滚珠丝杠副摩擦模型的基础上，目前最主流的分析模型是由Greenson提出的假定接触表面由半球体构成的随机模型。Pullen和IMO)系统状态空间模型插值的方法，用于LPV系统的建模。Zavari等将该插值方法拓展到以单一线缆长度为调度

6、参数的桥式起重机的控制中，设计了增益调度的多H∞控制器。为加拿大滑铁卢大学的滚珠丝杠副进给系统试验台。　　3发展趋势　　目前滚珠丝杠副产品的系列化产品已经逐步开始量产与标准化，已成功研制出P1～P3等级的精密滚珠丝杠副并投入使用，且生产成本大幅降低。近几年来，滚珠丝杠不仅仅应用于机械工业，在国防工业部门的应用也得到了突破，如雷达、导弹和空中加油机等等。随着近年来全球经济和科技的发展，滚珠丝杠副逐渐向高速、高精和重载方向发展。　　3.1高速化　　滚珠丝杠副的高速化，随之必然会产生滚珠丝杠副温升、变形、振

7、动、噪声等负面效应，同时还会存在共振的危险，因此其转速的提高是受到一定限制的。在滚珠丝杠副转速不变的前提下，加大导程，可以实现提高直线进给速度的目标，但是导程过大，却对精度不利。综合速度与精度，导程的上限在滚珠丝杠直径的1/2左右为宜。工业的飞速发展，使滚珠丝杠副高速化成为一种趋势，目前定位线速度已经可以达到150m/min，加速度达到1.5g～2.0g。NSK公司的实验滚珠丝杠副已经成功实现200m/min的线速度。　　3.2高精化　　滚珠丝杠副精度由进给和轴向两个定位精度组成，一般通过淬硬与精磨对精度进行保证

8、。由于滚珠丝杠副拥有摩擦阻力小、传动平稳、温升变化极小的优势，滚珠丝杠副刚度与定位精度起点较高，因此改进困难。目前影响滚珠丝杠副精度的主要原因是检测仪器与设备的落后，先进的检测设备是批量化生产的品质保证，也是获得用户信赖的唯一途径，因此提高检测设备的先进程度是滚珠丝杠副高精度的重要保证。　　3.3重载化　　滚珠丝杠副的承载能力是数控机床能在钢铁、冶金、大型发电、重型军装、