車床橫向滾珠絲杠裝置的結構改進設計

徐 燕

(天水星火機床有限責任公司，甘肅天水741024)

1 橫向滾珠絲杠裝置介紹

橫向滾珠絲杠裝置即刀架的橫向移動是由伺服電動機驅動滾珠絲杠副來實現的。滾珠絲杠裝置采用“固定-固定”安裝方式，絲杠分度圓直徑40 mm，螺距5 mm，精度等級為5級。絲杠左、右兩端各有一套滾珠絲杠專用的60°角接觸球軸承背對背組配來支承。圖1為橫向滾珠絲杠裝置示意圖，經過調整與預緊及預緊拉伸使滾珠絲杠具有很高的精度和軸向剛度。圖2為本裝置的三維展示。

2 滾珠絲杠的調整與預緊拉伸[1]

2.1 安裝與調整

在滾珠絲杠的安裝過程中，為了保證橫向進給的精度要求，必須對絲杠進行適時調整，通常要檢查床鞍上滑板用導軌基面，用油石將床鞍與滑板導軌結合面打磨平整、光滑，不允許有高點，因為安裝面精度直接影響安裝后的整體精度。

檢查導軌，將帶有標記的基準導軌塊安裝在床鞍導軌基準面一側，即靠近主軸的一側，為保證基準導軌安裝直線度，采用平尺和千分尺，將基準導軌靠緊基面并將兩端頭用螺釘輕微固定，平尺與導軌平行放置，用量塊或精密量具進行測量，保證平尺兩端頭到導軌兩端距離相等，沿平尺移動千分表，讀出每個安裝孔的讀數，通過現場反復磨滑板與絲母座間的調整墊來保證直線度在0.01 mm內，然后從遠端到近端依次擰緊螺釘，再用千分表檢查移動直線度。

2.2 預緊拉伸檢測及方法

滾珠絲杠的精度直接影響數控機床的定位精度和重復定位精度，在滾珠絲杠精度參數中，其導程誤差對機床定位精度影響最明顯，所以除了導程精度還要考慮消除絲杠的軸向間隙；其次，滾珠絲杠屬細長類零件，刀架的縱、橫向移動靠它來完成，絲杠撓度也是影響精度的一個重要因素。對于絲杠裝置而言，減小摩擦，消除間隙比較容易實現，但要提高傳動剛度卻有兩個困難。一是增大傳動零件的幾何尺寸雖能提高剛度，然而也加大了轉動慣量，這對諧振不利。再一點，一般傳動件負載不同時，系統諧振頻率不為常數，這給閉環系統的調試工作帶來極大的困難。因此，現代數控機床廣泛采用施加預緊拉伸來提高傳動剛度。

(1)滾珠絲杠預緊拉伸的作用。①補償絲杠熱變形；②提高絲杠的拉壓剛度；③提高軸承的軸向剛度；④提高軸承座的軸向剛度。

(2)預緊拉伸檢測及方法:在絲杠裝置的裝配過程中，需要在絲杠預拉伸時隨時檢測絲杠相對導軌的平行度來完成兩端支撐的固定。圖3為絲杠預拉伸檢測示意圖，滑塊在床鞍導軌上移動，通過兩支百分表分別觀察千分表指針在絲杠上母線、側母線上的跳動情況。按照GBT 25659.1-2010-T《簡式數控臥式車床第1部分:精度檢驗》[2]，將床鞍導軌基準側的兩個專用滑塊連在一起，將磁性表座吸在兩個滑塊中間，裝上千分表，移動滑塊對絲杠的上母線、側母線打表，調整絲杠。整個裝置是先將左端固定，然后調整右端，通過擰絲杠裝置右端螺母壓碟簧，預拉緊絲杠(圖1a、c)，使千分表指針隨滑塊在絲杠每300 mm上移動的跳動值不大于0.015 mm，說明預緊拉伸到位，可固定右端。

3 問題分析

(1)滾珠絲杠屬細長件，其在橫向裝置中兩端固定，中間受力，故容易產生撓度，在滾珠絲杠的裝配過程中，要求對絲杠采取預緊拉伸來消除熱伸長和撓度影響，相對床鞍導軌的直線度滿足要求后固定好絲杠兩端，使絲杠副具有較高的定位精度和重復定位精度。

(2)本裝置先左端固定，右端游動，右端通過法蘭盤先對軸承進行軸向消隙，進而對絲杠進行拉伸預緊后再固定。這是常用的方法，但同規格絲杠裝置也有差異。多年實踐發現，有時當碟簧被壓縮到極限時，對絲杠的拉伸預緊還不能完全消除撓度，即沒有達到標準要求的精度值，就會影響絲杠的使用精度，這時預緊的可靠性就不保證。可見，上述結構的絲杠裝置的預緊拉伸存在一定的問題。

(3)本結構中滑板與絲母座的安裝是通過調整墊來調整的，通過多次磨調整墊，保證絲杠直線度在0.01 mm內，說明調整到位；同時，絲母座與滑板通過4個螺釘聯結，兩個圓錐銷定位。但多年實踐發現，按此結構完成安裝后，經過一兩年的使用后，橫向精度會降低，有時工件上會出現微小振紋，原結構中絲杠精度的保持性不好。分析其原因，橫向裝置是車削受力的關鍵部件，且滑板及絲母座與絲杠頻繁動作，導致錐銷定位松動、不可靠。

4 結構改進設計

4.1 絲杠預緊拉伸的改進措施

取消滾珠絲杠裝置右端碟簧，改為軸套，先安裝留有調整量的法蘭盤對軸承進行軸向間隙消隙，然后通過擰螺母至軸套實現絲杠的軸向間隙消除形成右端剛性硬拉支撐結構，實現滾珠絲杠的剛性預緊拉伸，消除滾珠絲杠的撓度。具體結構見圖4。另一方面，將導軌與滑板的滑塊結合，保證滑板與絲母座，絲母座與絲杠聯結完好，驅動滾珠絲杠使滑板移動，按照上述預緊拉伸檢測方法進行檢測，通過調右端的螺母頂緊軸套對滾珠絲杠進行預緊拉伸，邊調預緊拉伸邊觀察兩支百分表的跳動(上母線和側母線)，百分表隨滑塊在絲杠每300 mm上移動的跳動值不大于0.015 mm，必要時調整滑板與絲母座間的調整墊(見圖1b)，當百分表跳動小于0.015 mm時，說明預緊拉伸到位，可固定右端。

4.2 絲杠的精度保持性改進措施(即改進調整環節)

保證滑板與絲母座的可靠定位，原調整形式不變，對絲母座和滑板做聯接，增加定位楔塊，滑板與絲母座的安裝定位形式如圖5所示，當工作一定時間發現橫向精度不穩定或下降時，可通過擰楔塊上的螺釘來調整楔塊，使絲母座與滑板可靠定位。此定位結構，可根據現場情況隨時調整楔塊，保證絲杠的精度保持性。

5 用激光干涉儀對滾珠絲杠裝置改進前后進行試驗檢測

本絲杠裝置改進前后可以用激光干涉儀來進行檢測，檢測絲杠的定位精度和重復定位精度。具體的檢測方法如圖6所示。

激光干涉儀以激光波長為已知長度，利用邁克爾遜干涉系統測量位移的通用長度測量。具有強度高、高度方向性、空間同調性、窄帶寬和高度帶色性等特點。

6 結果分析

(1)改進前后曲線分析

通過用激光干涉儀對改進前后的橫向絲杠裝置進行定位精度和重復定位檢測，得到圖7所示曲線圖。

通過以上分析曲線可以看出，改進后的曲線平緩，反向間隙小，系統偏差明顯減小，定位精度和反向差值明顯減小。

(2)改進前后滾珠絲杠精度檢測比較

按照GBT 25659.1-2010-T《簡式數控臥式車床第1部分:精度檢驗》規定，對絲杠優化前和優化后進行精度檢測，具體見表1。

表1 X軸位置精度檢驗

從精度檢測的數值及曲線圖可以看出，改進后各項精度有一定程度的提高，說明改進有效可行。

7 結語

主要對橫向滾珠絲杠裝置進行改進設計，通過實踐經驗發現，原碟簧結構有的時候對絲杠的拉伸預緊不能完全消除軸向間隙和撓度，直接影響絲杠的使用精度，故通過改進，取消碟簧，改為軸套，實現右端預緊，剛性硬拉方式。與此同時，原結構中絲杠精度的保持性不好，工作一兩年后發現橫向滾珠絲杠精度降低，故對其進行改進設計，在滑板與絲母座間增加楔塊進行可靠定位。經過對滾珠絲杠裝置的兩個環節進行優化改進，對改進前后的滾珠絲杠進行精度檢測，改進后各項精度優于改進前，經過現場驗證改進有效可行。