絲杠預拉伸對機床進給軸的影響分析*

孫名佳　劉　闊　朱鐵軍　吳玉亮

(①沈陽機床(集團)有限責任公司高檔數控機床國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110142；②吉林大學機械科學與工程學院，吉林 長春 130025)

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絲杠預拉伸對機床進給軸的影響分析*

孫名佳①劉闊②朱鐵軍①吳玉亮①

(①沈陽機床(集團)有限責任公司高檔數控機床國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110142；②吉林大學機械科學與工程學院，吉林 長春 130025)

鑒于目前常見的絲杠預拉伸工藝缺乏科學試驗數據的狀況，在分析了已有文獻研究不足的基礎上，在數控車床上進行了詳細的誤差和溫升測試。在不同的預拉伸狀態下，分別測試了進給軸定位誤差、熱誤差和關鍵點溫升。分析了預拉伸對進給軸定位誤差、熱誤差以及關鍵點溫升的影響，給出了分析結果，為數控機床絲杠的裝配提供了重要參考。

數控車床；進給軸；預拉伸；熱誤差

國產數控機床的加工精度穩定性與國外高檔數控機床相比有很大的差距。影響機床加工精度穩定性的因素有機床溫升、刀具磨損、結構剛度等。其中，由于溫升導致的機床熱誤差是影響機床精度穩定性的重要原因。文獻顯示，熱誤差約占機床總誤差的40%～70%。

目前減小機床熱誤差的方法主要有兩種：誤差防止法和誤差補償法。誤差防止法是通過設計、制造、環境控制等手段消除或減小機床的熱誤差，如采用絲杠預拉伸、冷卻方式、熱對稱結構設計等。誤差補償法是人為給定機床一個與熱誤差相反的誤差，達到消除或減小熱誤差的目的。兩種方法均有一定的優缺點。

在本文中，將重點研究絲杠預拉伸對機床精度和溫升的影響。江平對絲桿軸承預緊和絲桿預拉伸技術進行了研究，給出了其結構形式、裝配要求和技術參數，保證其運動精度的穩定。張政潑對雙端支承絲杠的受力與變形進行了分析，推導了合理的計算方法。張亮亮闡述了實現絲杠預拉伸的方法及步驟，給出了確定絲杠預拉伸量和軸承預緊量的方法。周志紅等采用了一種預拉伸結構，使絲杠在溫度升高的情況下滿足了工作要求。王文竹等建立了滾珠絲杠副的傳動系統模型并進行了有限元分析，根據溫度場結果計算絲杠的預拉伸力。孫彥旭等論述了預拉伸精密滾珠絲杠的安裝方式和拉伸量的計算和測量。

通過對文獻的研究發現，目前對絲杠預拉伸的研究主要以理論計算和仿真分析兩方面為主，有些附以簡單的測試數據，缺乏科學完善的測試驗證。而且，對預拉伸對進給軸定位誤差的影響分析較多，缺乏預拉伸對進給軸熱誤差和溫升的影響分析。因此，本文將針對某數控車床的Z軸進行測試，分析預拉伸對進給軸定位誤差、熱誤差以及關鍵點溫升的影響，為絲杠的預拉伸提供科學的數據及分析結果。

1　不同預拉伸狀態的試驗

試驗在數控車床T3.3的Z軸上進行。Z軸為半閉環控制方式，最大進給速度為30m/min，絲杠采用電動機端固定、另一端預緊的方式。圖1為被測的數控車床T3.3。

試驗包括兩部分：預拉伸對定位誤差的影響測試和預拉伸對熱誤差和溫升的影響測試。在預拉伸對定位誤差的影響測試中，調整絲杠的預緊螺母，如圖2所示，在不同預拉伸狀態下分別測試Z軸的定位誤差。在預拉伸對熱誤差和溫升的影響測試中，調整絲杠的預緊螺母，在不同預拉伸狀態下分別測試Z軸的熱誤差和溫升。

1.1預拉伸對定位誤差的影響測試

(1)將絲杠的預緊螺母松開，并將預緊螺母在當前的角度設置為0°。

(2)采用激光干涉儀測試Z軸的定位誤差。

(3)將絲杠的預緊螺母沿緊固方向轉動，分別在120°、150°、180°下測試Z軸的定位誤差。

1.2預拉伸對熱誤差和溫升的影響測試

(1)首先，在Z軸絲杠螺母、電動機端軸承座、預緊端軸承座、Z軸附近的床身上分別布置溫度傳感器，溫度傳感器的精度為0.1C(5～45C)。

(2)然后，將絲杠的預緊螺母松開，并將螺母的當前角度設置為0°。

(3)對機床進行熱誤差和溫升測試。具體方法為：①首先測試Z軸在初始狀態的定位誤差，同時記錄溫度值；②讓Z軸以10 000mm/min的速度全行程往復運動一段時間；③Z軸停止運動，測試其定位誤差，同時記錄溫度值；④重復步驟②和③，直到Z軸達到熱平衡。⑤讓Z軸停止運動并進行自然降溫，每隔一段時間測試一次機床的定位誤差，同時記錄溫度值。

(4)將絲杠的預緊螺母沿緊固方向轉動，分別在120°、150°、180°下測試Z軸的熱誤差和溫升。

需要說明的是，在采用激光干涉儀進行測試時，“材料溫度補償”應該被設置為20C，以取消軟件的溫度補償功能，得到機床在特定溫度下真實的誤差，而不是折合到20C的誤差。

2　試驗結果及分析

2.1預拉伸對定位誤差的影響測試結果

圖3展示了不同預拉伸狀態的定位誤差測試結果。

從圖3可以看出，預拉伸量越大，定位誤差越偏向正值。這是由于Z軸為半閉環控制方式，預拉伸導致絲杠的螺距變大。當數控系統控制伺服電動機轉動相同的圈數時，螺母在絲杠上移動的距離變長，從而導致定位誤差偏向正值。

2.2預拉伸對熱誤差和溫升的影響測試結果

圖4和圖5分別展示了0°預緊狀態的熱誤差曲線和溫度曲線。從圖5可以看出，由于進給軸的往復運動，絲杠螺母、電動機端軸承座、預緊端軸承座的溫升比床身溫升要高。從圖4可以看出，在升溫階段，Z軸的熱誤差一直變大，其中，在最大位置的熱誤差達到43.7μm；在自然降溫階段，Z軸的熱誤差變小。

采用相同的方式，在預緊螺母120°、150°、180°下進行測試。表1給出了各種預緊角度下的關鍵點溫升和最大熱誤差值。

表1　試驗數據表

根據表1的數據，圖6和圖7給出了不同預緊狀態的最大熱誤差對比圖和關鍵點溫升對比圖。

從圖6可以看出，預拉伸越大，機床的最大熱誤差越小，機床的精度穩定性越好。但是需要說明，預拉伸量并不是越大越好，過大的預拉伸量會導致軸承座溫升過高，磨損加劇甚至燒壞軸承。從圖7可以看出，預拉伸越大，軸承座的溫升越大，這是因為預拉伸增大導致軸承的軸承負載增加，摩擦熱量增加導致軸承座溫度升高。在不同預拉伸狀態下，螺母的溫升變化不大，這是因為絲杠的拉伸量仍然比較小，對螺母和絲杠配合的影響很小。

3　結語

在數控車床上進行了不同預拉伸狀態的定位誤差、熱誤差和關鍵點溫升測試。對測試結果進行了整理和分析，給出了預拉伸對進給軸的影響分析結果，為數控機床的進給軸絲杠預拉伸提供了重要參考。

[1]江平. 數控機床絲桿預拉伸技術研究. 機電技術，2010 (5): 43-45.

[2]張政潑. 關于雙端支承絲杠系預拉伸力的探討. 制造技術與機床，1999 (4):19-20.

[3]張亮亮. 絲杠預拉伸的實現. 航空精密制造技術，2009，45(2)：58-59.

[4]周志紅，文懷興，楊東生. 滾珠絲杠安裝方式的研究. 制造技術與機床，2007 (8)：140-141.

[5]王文竹，王丹，孫志禮，等. 滾珠絲杠傳動系統的溫度場分析. 機械設計與制造，2010 (11)：162-164.

[6]孫彥旭，劉春聯. 滾珠絲杠副的預拉伸安裝探究. 現代制造技術與裝備，2013 (2)：36-38.

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Analysisofscrewprestretchingtofeedshaftofmachinetools

SUNMingjia①,LIUKuo②,ZHUTiejun①,WUYuliang①

(①StateKeyLaboratory,ShenyangMachineTool(Group)Co.,Ltd.,Shenyang110142,CHN；②CollegeofMechanicalScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130025,CHN)

Consideringthatthecommonlyusedscrewprestretchingtechniquelacksofscientifictestdata,andonthebaseofanalyzingthedisadvantagesofexistingresearch,detailedtestsaredoneonaCNClathe.Underdifferentprestretchingconditions,thepositioningerrors,thermalerrorsandkeypoints'temperaturesoffeedshaftaretested.Theinfluenceofprestretchingtothepositioningerrors,thermalerrorsandkeypoints'temperaturesoffeedshaftareanalyzed.Theanalyzedresultsarepresentedandprovideanimportantreferencefortheassemblyofleadscrewofmachinetools.

CNClathe;feedshaft;prestretching;thermalerror

TG659

A

孫名佳，男，1985年生，碩士，研究方向為數控機床的性能測試及優化技術。

(編輯汪藝)(2015-08-05)

160213

*科技重大專項(2013ZX04011011)