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探索滚珠丝杠副市场的多元化前景 |
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作者：北京机床研究所 黄祖尧 来源：MM现代制造 |
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“滚珠丝杠副（Ball Screw，以下简称BS)是由滚珠丝杠、滚珠螺母（组件）和滚珠组成的部件。它可以将旋转运动变为直线运动，或者将直线运动（推力）转变为旋转运动”。（国家标准GB/T17587）。BS不但是各类数控装备的核心功能部件，而且还是机械工业领域中资本密集型和技术密集型的重要通用零部件。在线性传动家族中（普通滑动丝杠副、静压丝杠副、油缸传动、齿轮—齿条、直线电动机等），BS是应用面很广、产业化程度较高的产品。
早在100多年前就出现了滚珠螺旋传动的专利发明，但真正在工业中的应用是从20世纪30～40年代开始的，美国最早将BS用于汽车转向机构。事实上，包括BS在内的关键功能部件的产业化水平和市场普及率，可以从一个侧面反映国家的现代化工业水平。
在装备制造业的各个领域，根据主机使用性能和工况条件，采用BS时应对其功能有所侧重、有所取舍。
１. 用于各类精密机床、数控机床（装备）的μm级精密坐标定位
一直以来，在各种数控机床的线性伺服驱动系统中，精密BS总处于主流产品的地位。其实早在20世纪70年代，日本NSK、三井精机就将精密螺纹磨床的母丝杠置换成C0级（日本标准）高精度滚珠丝杠副，使机床的加工精度提高了一个数量级。在纳米级分辨率的超精密定位中，有不少CNC超精加工机床（大约占1/3）采用P0级高精度BS，借助双重驱动机构或闭环控制可实现10nm的超精密定位。值得注意的是：高精度螺纹滚压技术和装备的发展，使冷轧滚珠丝杠副（RBS）的精度已经能够稳定达到P5～P3级，使精密RBS悄然进入数控机床（装备）领域。
2. BS的高dn值和卓越的高速特征有力推动数控机床（装备）实现高速化
精密高速滚珠丝杠副目前主要用于Ｖmax＝50～100m/min、加速度0.8～1.0g、行程范围＜3m的高速加工中心和高速数控机床，它既完成高速推进又实现精密定位。而大导程（φ＝9°～17°）、超大导程（φ≥32°）滚珠丝杠副则用于完成快速驱动的场合。例如，CNC高速冲压机床、工业机器人、CN自动绘图机、造波水槽的快速驱动装置、地面模拟训练设备、天体卫星望远镜的快速控制机构等。采用BS实现高速化，具有能耗小、成本低、性价比高的优势。
3. BS的同步驱动功能使其在许多机械装备中得到巧妙应用
例如，空港对接登机桥、大型舞台升降机构、电动注塑机双轴同步驱动系统、材料试验机、龙门式数控装备等。在波音747飞机两主翼的后侧，各有一排活动襟翼，当飞机起飞和下降时用来调节迎风角的襟翼控制系统，配置有2×8的套空心高强度滚珠丝杠副，它们在同一指令下同步完成迎风角的控制。近年，日本“森精机”公司最先提出用于数控机床的重心驱动技术（DCG），就是采用双伺服电机双BS同步驱动，使作用于进给系统的驱动合力通过移动部件的质量中心，从而排除了偏心力矩的影响，抑制了高加减速度时的振动，提高了伺服进给系统的刚性、运动的速度和平稳性，使加工表面质量和轮廓精度得到提高（图1）。为了满足双驱动的同步性要求，所配置的“双胞胎BS”的导程精度（尤其是误差曲线的线性和方向性）、中径尺寸的一致性、预紧力和力矩的变动量、丝杠-螺母的材质和硬度等，都必须具备很高的“同一性”。
图1 双滚珠丝杠副用于DCG的立式加工中心
4. 在航空、航天领域的应用
用于航空、航天领域的机械零部件要求具有高可靠性、轻量化以及高度的环境适应性，而BS对特殊恶劣环境的适应能力使它在这个领域大展宏图。美、英、法、德等国用于这个领域的BS产品大约占市场份额的30％左右（包括定期强制更换的备件）。由于需求量大，对产品的质量和可靠性要求很高，大都有专门的工厂生产，其所用材料、工艺及装备、特殊检测手段都与一般BS有很大区别，生产过程和产品质量都要经过航空航天质检部门的严格认证。
近年，随着飞机的大型化、高性能化及高速化，对BS的应用有增无减。除前述襟翼的同步驱动外，BS还用于喷气发动机的推力换向、燃烧喷咀位置调节、涡轮发动机透平叶片变角操纵装置、尾翼操纵等，在直升机上用于转翼俯仰控制伸缩的驱动器，军用飞机的机载雷达倾斜装置、导弹发射装置、飞行员驾座应急弹射装置等，在航天装备中，BS用于火箭发动机喷咀控制用驱动器、空间站实验操纵器、阿波罗飞行模拟器，气象及资源卫星的遥控系统等。
5. 在核反应堆及其他恶劣环境中的应用
核电作为清洁能源在总发电量中所占的比例正在上升。在某些核电站中（例如，A—BWR沸腾水轻水反应堆）特殊制造的BS被用于控制棒驱动系统、危急状态时的急停装置、压力管检测系统等。这类产品多为空心伸缩式结构，它们是在150～350℃的高温、无润滑和核辐射的环境中运行，所有零件均采用耐高温、耐辐射的高强度优质合金钢制造，其冷热工艺也有别于一般产品，产品质量和可靠性要求极严格。除核电站外，滚柱丝杠和行星式滚柱丝杠还用于核潜艇、核动力航母等装备。
6. 在重型机床、重型机械和钢铁冶金装备中的应用
在机床行业中的大型重载CNC龙门镗铣床、大型CNC车床、大型立/卧加工中心、CNC大型轧辊磨床、大型曲轴磨床等。在钢铁冶金装备中的转炉行走装置；连续铸造浇包提升装置；铸型振动装置；热轧加热炉、整边机、矫平机、垛板机、钢板剪切设备；薄板酸洗、冷轧、剪切、纵切、电解清理；钢管和线材生产设备；冶金检验与测量装置等。在塑料成形机械中，近年出现以“电”代“油”的趋势，CNC电动注塑成形机因其具有节能（约省电1/3～1/4）、节水（省水70%～80%）、定位精度高、易于实现CNC控制、降噪、不污染环境等优点，受到业界的关注和青睐，产量逐年上升（图2）。专用于CNC电动注塑成形机的高速、高负荷滚珠丝杠副，经过“均载设计”并在产品结构、参数和制造技术上做了重大改进以适应电动注塑成形的工况要求。例如，NSK公司推出了HTF、HTF-SRC、HTF-SRD高负荷系列产品。其中HTF20032-7.5(?200×32)规格的额定动负荷Ca高达6840kN。
图2 用于全电动注塑机各部位的高负荷滚珠丝杠副
在航空航天领域的“超声速风洞”实验装置中，采用100多套大径重载滚珠丝杠副（?100～150）用高达12.2万kg的负荷对风洞壁（不锈钢板）按气流设计要求实施精确定位。此外，在大型电站、海港及空港设备、大型雷达装备等领域，都对大型、重载BS有需求。早年，世界上曾出现?300、长16m，自重9.5t的超长、重载“巨无霸”BS产品。
7. 在“高铁”等交通运输装备领域的应用
汽车工业作为国民经济的支柱产业，带动了相关产业的发展。滚珠螺旋式转向机构在汽车中用得很早、很广泛、产量很大，由于它的受力状况比较复杂，对BS的反向间隙、疲劳寿命、操作的稳定性、安全性要求很高。在汽车产业链中有专业厂大批量配套生产。由于车辆的增加，大城市的停车场已出现立体化的趋势，立体停车车库的车位升降机构已采用BS来完成对轿车的提升传送。
国家投巨资用于城铁、高铁及轨道机车的发展，我国已迈入“高铁时代”。BS除了用于铁道专用CNC机床外，动车组、地铁列车和安全门的自动开启关闭装置；铁道轨距自动跟躁监测系统；机车底盘定期维修用大型抬举装置；高速列车轨道转辙装置等都直接采用BS产品。无论是大导程或重载荷的BS都对寿命、安全可靠性有严格要求。
在造船工业中，某些轮船的可变倾角螺旋桨叶片的控制、大型造船基地的某些装备也都采用BS承担驱动功能。
8. 在电子设备、仪器仪表、医疗机械及微型机械中的应用
在电子设备中包括：计算机磁盘存储器、磁鼓记忆装置、纸带进给读出器、印刷电路衬底钻孔机、视频和声频设备、液晶设备、半导体装备的微进给装置等。在仪器仪表方面包括；X射线测量仪的微进给装置、反光镜进给机构、扫描显微镜的行程调节等。医疗器械中的微型医疗机械和微型机械手指、γ刀设备等。此外，在纳米技术及装备、卫星、导弹等领域都对微型BS有日益增长的需求。高效、轻快、省力的微型BS借助于小功率伺服电机完成轻载微小进给。根据微型滚珠丝杠副结构特征和制造技术的差异，国外有专门生产这类产品的企业。世界上最小的微型滚珠丝杠是?3×0.5（球径?0.3）。
9. 驱动方式的多样性使BS在线性传动领域熠熠生辉
除常见的丝杠旋转主驱动外，还有：
⑴滚珠螺母旋转主驱动。（图3）在长行程重载CNC机床（装备）中，近年流行“滚珠螺母在固定不动的大长丝杠上，一边旋转一边作轴向运动”的驱动方式。
图3 滚珠螺母主驱动用于长行程的CNC装备（Rexroth）
⑵机电一体化直驱型。空心AC电机的转子与滚珠螺母刚性联结，直接驱动被轴向固定的滚珠螺母旋转，推动丝杠轴向往复运动。德国INA、Rexroth和日本THK都研制成功这类产品，在PKM并联机床和加工中心等装备上得到成功应用。
⑶“Spindasyn”复合驱动装置。（德国“AMK Arnold Mueller”公司研发）。在一根同时有左旋和右旋纹的滚珠丝杠上，串联一对空心伺服电机，它们的转子分别与左旋和右旋的滚珠螺母刚性联结，当同时改变两个AC电机的旋转方向和速度，就能巧妙完成“旋转运动”与“直线运动”的叠加组合。
⑷〔油缸+BS〕千斤顶；油缸中的活塞与滚珠螺母做成一体，活塞推动螺母轴向运动，“逆传动”使丝杠旋转，从而“放大”轴向推力。这种装置用于非常狭小空间（例如船舱内）内对重物的抬举和移位。还有一种（减速电机+蜗轮副+BS）千斤顶，又称螺旋升降机，它用较小的动力完成很大的推力（最大可达300kN），为防止逆转配置了自锁机构。
⑸线性制动器（Linear Actuator）又称工业线性执行器，它是BS的派生产品，是以“电”代“油”的电动伸缩缸，当与其他结构搭配就可产生多种复合运动，例如：卫星信号接收装置的自动跟踪定位。
需要特别提醒：由于BS不能自锁，当用于升降机构时，必须配置安全可靠的“自锁装置”。
在滚动功能部件的所有产品中，滚珠丝杠副是发展历史最长，产品功能最全，产量最大、应用面最广泛的核心功能部件，透过对BS功能的剖析，显示了这个关键功能部件的生命力。在21世纪低碳经济时代作为资源节约型和环境友好型的BS产品，有其广阔的市场前景。但是在我国仍有诸多领域的市场，尚待开发。
基于BS具有滚动摩擦副的物理特性和机械结构特征，BS其他线性传动装置比较的功能归纳：
①传动效率高、具有节能省力、增力功能。BS的摩擦系数为0.003～0.005，当导程角φ>20°30'时，传动效率η〉90%,且正效率与逆效率基本相同,传动灵活轻快,用较小的力矩就可产生较大推力。与滑动丝杠比可节省动力1/2～3/4。
②高刚度零间隙传动和轴向精密定位功能。对P型（定位型）BS施以预加负荷Fpr（Preload）后,传动无间隙、无“爬行”、无“滞后”，运动灵活平稳，轴向刚度高，能准确执行CNC指令，实现μm级精密定位。
③高dn值、高速化功能。dn值(d—公称直径mm，n—转速r/min)是轴承的重要特征参数，而BS传承了轴承的速度特性，近年随着科学技术的发展，BS已突破临界转速nc的制约, dn值已从7万上升到15万，最高达20万以上，使BS实现经济提速。Vmax＝120～150m/min（240m/min）。
④按照同一指令实现双轴、多轴同步驱动的功能。所谓“同步驱动”是指在双轴、多轴转动中的BS能完成同时起动、起动后持续平稳地同步运行，其速度和位移量准确一致。
⑤高负荷大推力功能。目前BS的最大直径为?160～300，整体最大长度超过10m，额定动载荷Ca＞300kN，这使其在大型、重载机械装备的线性驱动系统中独领风骚。
⑥绿色环保、长寿命、可再制造功能。在确保产品质量、正确安装和正常运转的前提下，额定寿命L10=106转，比滑动丝杠寿命高6～10倍。当采用“自润免维修”技术还能延长寿命，减少维修次数。对于正常磨耗或因局部过载而损坏的部分零件，可实施“再制造”，使资源得到充分利用。而BS的节能、省电功能更凸显绿色产品的低碳特征。
⑦基于BS的逆传动（Backdriving）和不自锁特性，使其具备驱动方式多样化功能。借助于改变设计结构和参数（例如：改变导程Ph的大小、螺纹旋向、螺纹头数等），可实现直线运动和旋转运动的多种组合；既可以把旋转运动转化为直线驱动，也可把直线推力转化为旋转力矩；既可丝杠旋转主驱动，也可螺母旋转主驱动。
⑧对特殊、恶劣环境的适应功能。当采用特殊材料和特殊制造技术，特种BS能在低温（-50℃）、高温（400℃）、高压、真空、核辐射、有粉尘和腐蚀介质、无润滑等特殊环境下正常运行。
必须指出：BS的上述功能并非唾手可得，更不能误解为只要从市场上买来BS产品都具有上述功能。制造企业通过对产品进行优化设计才能使功能利用率最高，使其功能得到延伸和复合化。而低水平制造的克隆产品，其功能利用率就很低。高档BS产品与低档BS产品的重要区别就在于功能利用率。(end)
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(5/12/2010) |
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