绿色滚动功能部件在伺服进给系统中助推数控机床绿色制造

38 绿色滚动功能部件在伺服进给系统中助推数控机床绿色制造黄祖尧摘 要 : 用绿色科技理念指导滚动功能部件产品的设计 ， 以节能降耗提高能效作为创新目标的新一代绿色滚动功能部件 ， 必将在绿色数控机床的线性伺服驱动系统中熠熠生辉 。关键词 : 滚动功能部件 流畅性 轻量化 均载设计 转动惯量 功能集成中图分类号 : G35311 文献标识码 : AGreen rolling components boost in the servo feed system ofNC machine tools green intelligent manufacturingHUANG ZuyaoAbstract: Green technology concept is used to guide the design of rolling components， and a new generation of thegreen rolling componentsgoal is to reduce the energy consumption and to inprove the energy efficiency，it will be shine the servo feed system of NC machine toolKeywords: Green Rolling Components; Fluency; Light Weight; Load Balancing Design; Rotary Intertia; FunctionIntegration制造业是国民经济的支柱产业 ， 在地球资源不断枯竭 、环境状况日益恶化的今天 ， 树立科学发展观 ， 走可持续发展之路 ， 已成为新型工业化和低碳经济时代的基本理念和唯一选择 ， 制造业实施低能耗 、低物耗 、低污染 、低排放已成为不可推卸的社会责任 。研究表明 : 产品的性能有 70% 80% 是由产品的设计阶段所决定的 ， 而绿色设计对节能 、降耗 、环保的贡献率可达70%以上 。在低碳经济时代 ， 滚动功能部件的研发 、创新和产品设计都应以生态环境意识和绿色科技理论作为指导准则 。新一代的数控机床及其核心功能部件必须把高效率 、高精度 、高可靠性 、资源和能源的高利用率以及低能耗 、低排放作为追求的目标 ， 而绿色制造 ( GreenManufacturing) 、智能制造 ( Intelligent Manufacturing) 将是未来制造业发展的走向 ， 并成为高端数控机床的重要标志和市场竞争的新亮点 。众所周知 ， 在数控机床中 ， 核心功能部件作为单元技术的载体 ， 其 “功能 ”通过主机的集成组合与 CNC控制 ， 从而达到总体性能和精度的要求 。其实 ， 滚动功能部件 ( 滚珠丝杠副 、滚动直线导轨副 ) 从本质上分析 ， 它们就具有 “高效率 ”、“省能 ”、“长寿命 ”等特性 ， 再通过三维 CAD 绿色设计 ， 可放大 “绿色功能 ”，成为数控机床绿色制造的有力推手 ， 让绿色智能数控机床熠熠生辉 。1 提高流畅性是提升产品性能的关键滚动摩擦是各类滚动功能部件的最基本特征 ， 由小摩擦系数 ( = 0. 002 5 0. 003 5) 所派生出高传动效率 ( 85% ( 逆 ) ， 95% ( 正 ) ) 和高速特性 ( d0n( 12 20) 104mmr/min) 。但是 ， 它与滚动轴承却有很大差异 ， 其受力和运动状态更为复杂 ， 并非纯滚动 。滚动体需要借助于 “循环返向装置 ”完成周而复始往复不断的循环滚动 。因此 ， 需要从滚道 、滚动链 、循环返向装置三个环节通过优化设计来解决 “流畅性 ”的问题 。海外知名品牌的企业 ， 都在这个基础领域狠下功夫使产品性能大幅提高 。11 滚道形状和主参数滚动体在滚道中的工作状态随载荷大小 、运动速度和方向的变化而发生变化 ， 对滚道形状和主参数优化设计的目的就是通过三维实体建模 ， 运用有限元分析在各种工况下的受力和变形规律 、研究滚动摩擦机理 ， 从而获得最佳滚道截形 、滚道曲率 rsrn、接触角、适应度 fr等主参数 ， 达到降低摩擦耗损 ， 提高能效 ，满足流畅性的要求 。12 循环返向装置 39 滚动体在进出返向装置的瞬间 ， 其受力状态 、滚动方式 ， 运动方向均发生变化 ， 并重复出现 Brinell 效应 ，即布氏撞击耗损 。以滚珠丝杠副为例 ， 无论什么循环方式 ， 通过三维 CAD 设计 ， 应用有限元软件分析返向过程中的最大应力变化 ， 并遵循 “滚动体的运动轨迹始终与丝杠副的螺旋线 ( 包括中径 Dpw， 螺旋升角 )保持相切对接 ( 而不是相交对接 ) 状态 ”的原则 ， 就可以最大限度降低布氏撞击耗损 ， 达到提高流畅性的目的 。图 1 为端部导流轴向返向的典型结构 。对于插管式外循环而言 ， 除遵循 “相切 ”原则之外 ， 增加 “管壁 ”和 “管舌 ”强度 ， 提高管道的曲率和管孔的圆度亦尤为重要 。13 滚动链为了避免在循环滚动过程中滚动体之间的相互摩擦 、碰撞和挤压 ， 可采用间隔滚动链 ， 即采用 D+w+ Dw+w， 滚动体直径 Dw一大一小的排列 。还可采用钢球与陶瓷球间隔混合排列 ， 即 Steel + Si3N4+ Steel + Si3N4 的排列方式 。近年 ， 具有自润 、降噪 、减摩功能的滚动体隔离链 ( 见图 2) 已成为绿色环保的时尚结构 。2 轻量化成为高速 、高能效的追求目标低能耗促进产品结构的轻量化 。作为能耗较大的数控机床 ， 减小运动部件的体积和质量是降低驱动功率的重要措施 ， 而对于高速数控机床 ， 所有运动部件必须满足最小运动惯量的要求 ， 以达到所需的加 ( 减 ) 速度指标 。轻量化包括运动部件结构的简化 ， 布局的优化和材质的改进等 。满足强度和刚度要求的轻质材料和它的制造技术是轻量化设计关注的焦点 。作为运动部件的滚珠丝杠副和滚动直线导轨副 ， 已经或正在采取以下措施 :滚珠丝杠 、滚珠螺母组件 、滚动导轨 、滚动滑块通过优化设计在满足刚度强度的前提下 ， “减肥 ”和空心化 ， 并选用优质钢材和强化处理 。例如 THK 公司推出中空轻型 SSR 系列滚动直线导轨与同规格比较 ， 减重 40%。该公司把碳纤维用于重载滚珠丝杠副的反向装置 ， 既增加了强度又减轻了质量 。而滚动体的轻量化包括 : Si3N4陶瓷球 ( 材质密度 3. 2 g/cm3， 是钢球的 40%) 、高强度空心钢球 ( 见图 3) 、空心滚子等 。当采用 Si3N4陶瓷球 ， 其离心力比钢球减小 50% 以上 ， 可大大改善高速滚珠丝杠副的动态特性并减小能耗 。据对空心圆柱滚子轴承的研究表明 ， 当对 “空心度 ”进行优化设计的空心滚柱比实心滚柱的离心力减小 40%， dn 值提高 2 倍 ， 因存在预应力并有一定柔性 ，使空心滚子受载更均匀 ， 刚度和回转精度得到提高 。无论是实心滚柱或空心滚柱 ， 为避免出现 “边缘效应 ”和 “偏置载荷 ”并使滚柱受力均匀 ， 推荐采用 “对数母线型滚柱 ”， 它有利于减小摩擦耗损 ， 提高流畅性 。虽然空心滚珠在机床上很少用 ， 但在航空航天等领域节能效果非常明显 ， 据介绍 ， 在大力神军用运输机内货仓的滚动输送面板中 ， 大约有 40 000 个空心大钢球 ， 总重量减轻 1 814 kg， 每年节省航空燃油 1. 09 105L。虽然空心滚动体的制造难度较大 ， 成本也高 ， 在我国轴承行业中还尚未广泛应用 ， 但都给我们研发精密高速和高性能绿色滚动功能部件提供了可以借鉴的解决方案 。3 均载设计可挖掘产品潜能及延长使用寿命众所周知 ， “螺纹 ”具有传动 、联结和紧固的功能 ，由于内外螺纹的螺旋线误差 、齿形误差以及不同的受力状态 ， 外加载荷在螺纹的各圈中并非均衡分布 。用于传递动力的滚珠丝杠副 ( 滚珠螺旋传动装置 ) ， 特别是重载滚珠丝杠副 ， 如何使其载荷比较均衡地分布在各圈的承载滚动体上 ， 成为业内关注的重心 。在上世纪 80 年代 ， 海外学者 ( 例如 : 井沢実 、稻叶善治 、宫口和男 、二宫瑞穗等 ) 先后对高负荷工况下的滚珠丝杠副运用光弹理论等方法试验研究不同受力状态下的载荷均化问题 ， 其成果用于指导生产 ， 取得一 40 定效果 。所谓 “均载设计 ”， 就是通过对产品 ( 滚珠丝杠副 )受力状态的理论分析和试验 ， 优化产品设计 ， 把外加负荷较平均地分摊到每个受载滚动体上 ， 力争做到 “无零载 ”， “无过载 ”的均衡动力传递 。借鉴海外的研究成果 ， 经过综合分析判断 ， 笔者认为在均载设计中 ， 必须注意解决以下问题 ( 其中某些问题常常被忽视 ) :( 1) 对于高负荷的重载滚珠丝杠副 ， 设计要求丝杠和螺母的螺旋线误差 ， 以及误差的 “走向 ”应力求趋于一致 ， 内外齿形误差应 “吻合 ”。对于双头 ( 或多头 )螺纹 ， 需严格控制内外螺纹各条螺纹线之间的 “分度误差 ”。( 2) 要求每个螺母 ( 或者导轨副的 “滑块 ”) 内的滚动体 ( 滚珠 、滚柱 ) 其直径误差的一致性达到最佳化 。在滚动链中严禁大误差的滚动体混入 。“批直径变动量 ”超过允许值 ， 将导致 “零载 ”或 “过载 ”。( 3) 在滚珠螺母体的周围和轴向合理配置 “反向器 ”， 以满足均载设计的要求 ( 见图 4a、4b) 。( 4) 施加在滚珠丝杠 、滚珠螺母的载荷 ， 其作用力的中心应通过丝杠副的轴心 。为此 ， 对丝杠 ( 或螺母 )的支承轴颈的同轴度应提出严格要求 。数控机床上的丝杠和螺母支撑座 ， 三者的中心位置 ， 应精调到 “三点同轴 ”的状态 ， 避免因偏心导致丝杆副承受 “偏置载荷 ”。( 5) 基于 Hertz 弹性变性理论 ， 在结构设计时应尽可能使滚珠螺母和丝杠轴的有效断面积接近 。在设计滚珠螺母的安装方式和受力方向时 ， 应使滚珠螺母与丝杠轴处于同时受拉伸或受压缩的状态 ， 使两者弹性变形的方向趋于一致 ， 以利于载荷的均化 ( 见图 4a) 。图 4 是经过实验研究分析后 ， 推荐滚珠螺母安装受力方式和返向器的配置方案 。这是针对于电动注塑机用高载荷滚珠丝杠副的实例 。对用于大重型数控机床的重载滚珠丝杠副 ， 同样具有借鉴价值 。均载设计对于高负荷的重载滚珠丝杠副 ( 包括滚动直线导轨副 ) 是挖掘产品承载潜能 、延长价格昂贵的大型 、重载滚动功能部件使用寿命 、提高产品能效的绿色设计 。4 双冷技术的效用在数控机床中 ， 针对各种热源对机床热变形的影响 ， 常需要对几何误差和热误差实施误差补偿 。对于采用滚珠丝杠驱动的伺服进给系统 ， 传统抑制热变形的对策包括 : 对两端固定支承的丝杠轴实施预拉伸 ;根据设定的进给速度 ， 用增大导程 Ph来降低丝杠轴的转速 ; 对空心滚珠丝杠实施循环强制冷却等 。对丝杠轴和滚珠螺母组件的热态分析可以发现 : 丝杠轴是属于随滚珠螺母位移变化的移动热源 ， 而滚珠螺母内部在传动的自始至终都处于产生摩擦热的状态 ， 是散热条件差的连续热源 。基于这种判断 ， 海外不少知名企业推出滚珠螺母冷却新产品 ( 图 5) 。据介绍 ， 最高线速度可达 120 m/min， 冷却系统对螺母预紧力不产生影响 ， 比之丝杠冷却 ， 对工作台的温升要低 3 左右 ， 能更好满足高精度的要求 。我国台湾 HIWIN 公司和南京工艺装备公司也相继开发冷却螺母的产品 。日本 NSK 公司和 HIWIN 公司在较早研制成功滚珠螺母冷却产品的基础上 ， 通过有限元分析 ， 研究最佳热传导制冷方案 ， 提出 “恒温式 ”滚珠丝杠副的设计理念 空心滚珠丝杠 + 内冷滚珠螺母的双冷技术 。众所周知 ， 在数控机床加工中 ，通常都是先空运转 ， 在达到热平衡后才开始加工 ， 即“暖机时间 ”。据统计 ， 机床空载功率的损耗约占整个 41 表 1 N 传动与 S 传动之比较比较项目传动方式滚珠螺母旋转( 简称 N 传动 )滚珠丝杠旋转( 简称 S 传动 )备注传动惯量Js、JNJN较小JN=12LPg( r4n r4o)Js较大 ， 大径长行程丝杠 Js更大Js=12LPgr4oL 为旋转体长度P 为材料密度rn为螺母平均外径的 1/2ro为丝杠 、螺母中径的 1/2临界转速 Nc与驱动线速度丝杠不旋转 ， 可允许更高的转速和驱动线速度 ， 对滚珠螺母有严格的动平衡要求丝杠的临界转速 Nc受制于丝杠轴旋转时的弯曲和振动不能用 S 传动的 Nc计算公式来核算 N 传动的临界转速支承单元与支承刚度可采用大直径的推力轴承 ， 支承刚度高 。固定不动的丝杠支承单元结构简化 ， 便于安装 ， 便于预拉伸 ， 便于实现空心冷却旋转丝杠比固定丝杠支撑单元结构更复杂 ， 要求更高 ， 支承单元的刚度远低于 N 传动在 N 传动的滚珠螺母外圆可与轴承内圈合二为一驱动功率与能效N 传动的动态特性优于 S 传动 ， 噪声较小 。可用较小功率的伺服电动机 ， 节省能源 ， 能高效对长行程的大丝杠 ， S 传动比 N 传动能耗更大定量的对比尚需通过对比试验才能获得机电一体化可实现机电一体化 ， 直接驱动 。对于重载 ，长行程的 N 传动 ， 可与直线电动机比美难于实现机电一体化大推力直线电动机能耗大 ， 发热严重功能扩展可使 “正传动 ”与 “逆传动 ”巧妙结合完成复合传动 ; 可在一个坐标轴上独立实现多个工作台的线性传动 ; 细长滚珠丝杠副 N 传动可实现高速驱动细长滚珠丝杠副要实现高速传动必需采用大导程和超大导程的结构驱动电动机伺服电动机要随滚珠螺母或工作台同步运动 ， 电源线也要跟随运动伺服电动机固定不动 ， 与丝杠的联结结构较简单机床功率消耗的 10% 15%。据相关的实验研究表明 ， 采用双冷式恒温滚珠丝杠副 ， 可节省数控机床暖机时间 70 min( 见图 6) 。5 小转动惯量的省能驱动在长行程的大型重载数控机床或高速数控机床中力求转动惯量最小化 ， 而转动惯量是与旋转体直径的平方 、旋转体的总长以及质量成正比 。近年 ， 不少知名企业研制的滚珠螺母旋转传动的伺服驱动方式就是小转动惯量的省能驱动 。笔者对滚珠螺母旋转 ( 简称 N 传动 ) 和滚珠丝杠旋转 ( 简称 S 传动 ) 两种传动方式在性能和能耗等方面做了分析对比 ， 详见表 1。笔者认为 ， 滚珠螺母旋转主传动是滚珠丝杠副在绿色制造中的重要创新 ， 它既节能降耗又拓宽了这一产品的应用领域 ， 在重载和长行程领域是对直线电动机 、齿轮 齿条传动 、油缸传动 、滚动蜗母条传动的挑战 。例如 ， 汉江机床有限公司近年研发成功的 5 m 以上大型 CNC 螺纹磨床上就成功地采用了滚珠螺母旋转的传动方案 ， 不但降低了能耗 ， 提高了系统的精度和可靠性 ， 还使大型精密螺纹磨床的纵向长度缩短约50%， 降低了机床制造和使用成本 。滚珠螺母旋转主传动的第一代产品是伺服电动机通过同步带轮 ( 或齿轮 ) 带动螺母旋转 ( 见图 7) 。近年又出现机电一体化直驱型的第二代产品 伺服直驱旋转螺母组合单元 ， 包括三种类型 :( 1) 由空心伺服电动机直接驱动轴向固定的滚珠螺母旋转 ， 借助滚珠螺旋运动带动滚珠丝杠作轴向往复运动 ( 图 8) ， 主要用于行程不大 、载荷适中的加工中心 、PKM 并联机床 、航空航天 、医疗器械 、检测仪器等的快速 42 抓举和初定位 。例如神八 、神九与天宫对接中就采用了由 3 对共 6 套滚珠螺母旋转型大导程滚珠丝杠副所组成的三角平台并联机构 。在正向推出时螺母旋转丝杠产生轴向推力 ， 在逆向缓冲时丝杠作直线运动 ， 螺母旋转 。( 2) 在圆周和轴向固定长行程的大丝杠 ， 由空心伺服电动机直接驱动滚珠螺母在丝杠上旋转 ， 并带动工作台作轴向运动 。例如 ， 德国 Kammerer 公司推出可以实现 Vmou=120 m/min、加速度 1g 的螺母主驱动的高速线性传动装置 。我国南京工艺装备公司在承担“数控机床与基础制造装备 ”国家科技重大专项的攻关中研制成功机电一体化的旋转 螺 母 组 合 单 元 ( 见 图9) 。比之第一代产品具有结构紧凑 、精度更高 、速度更快 、小振动 、低噪声 、低能耗的特点 ， 还同时兼有润滑 、防尘 、冷却的辅助功能 。这是我国滚动功能部件行业在向高端进军中技术上的突破 ，向绿色制造又迈出了一大步 。和第一代产品相比技术难度更大 ， 我国的直驱型新产品在商品化之前还有若干技术问题有待完善 。( 3) Spindasyn 双向复合驱动装置 ( 见图 10) 。在一根同时具有左旋和右旋螺纹的滚珠丝杠上 ， 空心 AC电动机的转子分别与左旋和右旋的两个滚珠螺母刚性联结 ， 当同时改变两台 AC 电动机的转速和转向 ， 就能巧妙地完成 “旋转运动 ”与 “直线运动 ”的叠加组合 ， 实现高速和微量进给 ， 使滚珠丝杠副的能效得到充分发挥 ， 并扩展了产品的功能 。6 预紧力 Fpr的 CNC 控制在滚珠丝杠副运行过程中预紧力 Fpr常出现早期松弛 ， 就必然导致伺服进给系统轴向刚度和定位精度的下降 ， 这是产品可靠性不高的最突出表现 。传统纯机械的预加负荷方式的最大缺陷是预紧力 Fpr一成不变 ， 而实际上当速度和外加载荷发生变化时 ， 特别是高速 、重载和有冲击载荷时 Fpr都会发生变化 ， 同时温度和几何精度 ( 例如 : 中径尺寸的变动 、齿形的变化等 )也会对 Fpr产生影响 。滚珠丝杠副产品出厂时若 Fpr过大 ， 会导致过度的机械摩擦与发热 ， 降低流畅性 、传动效率与寿命 ， 因此 ， 不少制造企业对 Fpr多采取 “宁小勿大 ”用牺牲 “刚度 ”来取悦 “手感灵活性 ”， 如果 “加载跑合 ”又不充分 ， 就潜伏着 “初接触刚性 ”不高的隐患 ，在这种情况下 Fpr的早期松弛就很难避免 。上世 纪 80 年 代 ， 德 国Karlsruhe 大学曾开展对滚珠丝杠副性能的试验研究 ， 提出了预紧力动态控制的解决方案 ( 图 10) ， 其采用具有纳米级分辨率的压电陶瓷作为预紧力的调节器 ， 通过 CNC控制系统发出模拟信号 ( 10 V) 随工作状态的变化 ，动态调控 Fpr值 ， 使其始终处于最佳设定状态 ， 而控制系统可在主机的 CNC 总程序中预置 Fpr子程序 。近年 ， 中国一些高校 ( 哈工大等 ) 在对滚珠丝杠副用于超精密定位的研究中 ， 也采用压电陶瓷技术来控制预紧力 Fpr。这种带有柔性的 CNC 预紧力控制装置 ， 具有以下特点 : ( 1) 可直接准确地获得所需 Fpr值 ， 无需通过间接测量预紧转矩 Tp( 国家标准中有规定 ) 再换算成Fpr; ( 2) 在满足伺服进给系统刚度和定位精度的前提下 ， 避免了过度的摩擦损耗 ， 有助于延长产品使用寿命和提高能效 ; ( 3) 有助于改善系统的动态特征 ， 刀具的寿命因进给平稳而提高 ; ( 4) 当滚珠丝杠副因长时间使用出现疲劳剥损和滚道形变 ， 此时 Fpr会出现波动 ，小波动可动态补偿 ， 大波动可发出预警 。总之 ， CNC 预紧力控制装置是对传统预紧方式的创新 。当我们研制 P1 P0级精密高速滚珠丝杠副和微动定位超精密滚珠丝杠副等高性能产品时 ， 这是值得借鉴的方案 。7 复合化 、模块化的效用带光栅测量系统的滚动直线导轨把直线运动的精 43 确导向与位置自动控测集成为一体 ， 集制动 、准停 、防振 、阻尼等功能于一体的高速精密滚动直线导轨副 ， 改善了高速运动时的阻尼特征 ， 使运动平稳安全可靠 ; 滚珠丝杠副的 “螺母 ”与滚动直线导轨副的 “滑块 ”， 两件合二为一的线性模块 ( 单轴 ， 双轴 ) ， 该模块的质量中心与驱动丝杠轴心重叠使传动平稳省力 ; 滚珠丝杠副与滚珠花键一体 ， 其丝杠轴与花键轴合二为一 ， 既可实现往复直线运动 ， 还可传递转矩 ， 用于 FMS 生产自动线 、加工中心自动换刀 、装配机器人等场合 ; 滚动直线导轨副与直线电动机一体化的高速线性驱动装置等 。以上复合化 、模块化的产品 ， 除结构紧凑 、占用主机空间小 、功能扩展外 ， 也是降低能耗 、物耗 、提高能效的绿色制造产品 。8 产品生命周期通过再制造得到延长对于滚珠丝杠副而言 ， 在确保制造质量和可靠性以及正确安装 、使用的前提下 ， 其额定寿命为 L10=106转 ， 比普通滑动丝杠的寿命高 6 10 倍 。当选用优质钢材 、优化热处理工艺 、对滚道表面进行改质强化处理和超精密加工 、以及采用绿色环保的密封 、自润滑技术等都能延长产品的使用寿命 。对于正常工作情况下的疲劳磨损或因过载而局部受损的部分零件 ， 可通过维修 、补充加工 、更换受损件等 “再制造 ”方法 ， 延长产品的生命周期 ， 并使优质合金钢材得到充分利用 。在数控机床的各类功能部件中 ， 滚动功能部件具有标准化程度高 、互换性好的特征 ， 其中的每一个零件都是可以单独出售的商品 ， 具备可维修和再制造的有利条件 ， 从而降低数控机床的关键功能部件维修成本 ，缩短再制造周期 。据了解 ， 在国外 ， 就有这类专业的维修公司或工作站 。我国许多滚动功能部件的专业制造公司 ， 也都承担了国产和进口产品的再制造维修业务 。我们不要小看维修和再制造 ， 在低碳经济时代 ， 它已逐渐成为制造业中的一个新兴产业 。科学发展观是实现科技兴国 、把几代人的机床强国梦变为实现的指导思想 。基于绿色科技的理念 ， 在加快发展数控机床和功能部件 ( 特别是用能源驱动的核心功能部件 ) 时 ， 不但要关注产品的性能 、精度和可靠性 ， 还要关注产品的能效 。而新一代绿色滚动功能部件将助推数控机床的绿色制造 。节约资源和环境保护是企业不可推卸的社会责任 。高效 、节能 、降耗 、减排的绿色制造和产品将为企业开拓市场 、增强竞争力带来新的机遇 ， 必将为社会和企业带来双赢 。绿色科技还为企业实施绿色技术改造 ， 完成产品结构调整和企业的转型升级指明了方向 。9 结语笔者从本世纪之初 ， 就开始关注滚动功能部件绿色发展之路 ， 曾多次在不同的场合以不同的方式呼吁实施绿色制造 。本文和之前的 用绿色制造提升滚动功能部件的规模化专业生产水