从一开始,一台精密机床就需要安装有精密、耐用的主轴,而且应配有功能强盛和操纵灵活的控制器来控制复杂的程序。但是如何使主轴的运动或工件的运动达到如斯高的精度和重复精度呢?
显然,的底座应该非常结子和不乱,而另一个枢纽因素则是直线运动元件的选用,例如导轨和滚珠丝杠的选用。直线导轨,顾名思义,其功能是控制3轴直线运动。而且,它们也应具备高负荷特性以及低摩擦机能,从而使其在高速运动状态下,不发生粘滞打滑现象,这一长处是硬轨无法取代的。
几十年前,机床采用滑动导轨导向,由丝杠进行传动。这种元件的摩擦力相对较高(根据不同的螺距、不同的润滑特点和不同的螺纹形状,丝杠的效率约为60 %)。通过丝杠,将旋转运动转化为直线运动,而丝杠则通过联轴节与直流电机(在这之前,采用直流步进电机)相连接,给机床的主轴提供传动力。控制器将程序指令转换成相应的三坐标运动或多轴运动。因为那时候的速度和精度相称低(一般快速横向运动为100到200in/min ,要求重复精度为0.001in,1 in=0.0254m,下同),因此那类摩擦系数较高的元件还可接受。
几年前,有些机床制造商公布他们机床所使用的直线电机快速移动速度已经超过了2000 in/min。直线传动电机是一种直接传动的装置,采用线圈通过{yj}磁铁时产生磁感应的原理制造而成。因为线圈中的电流大小和相位随时发生变化,而线圈与磁铁作相对运动,相互之间不发生接触,因而传动元件之间不产生任何摩擦力,因此能产生高速和加xx应。尽管它们的机械结构相对比较简朴(它们代替了滚珠丝杠、联轴器、支承和螺母块),但直线传动电机的价格仍旧非常昂贵,特别是大型直线传动电机,在某些应用领域中,需要承受很高的外应力。这些大型直线传动电机也会产生巨大的热量。
因此,对于大多数机床制造商来说,仍旧留存选择精密滚珠丝杠作为机床的传动元件,他们发现选用滚珠丝杠仍旧是{zh0}的解决方法,由于其精度高、效率高、移动速度快、刚性好、使用寿命长,而且价格公道。滚珠丝杠采用不同的外形和结构-单螺母、双螺母、滚珠管式轮回运行、滚珠偏转式轮回运行、单起动螺纹、双起动螺纹等等。
在典型的Haas机床上,丝杠(通过一钢制圆盘式联轴节与固定的电机连接)旋转,螺母顺轴向下运动。当丝杠滚动时,螺母在轴上向前或向后运动,而滚珠不管如何必需在螺母内(在轴螺纹与螺母螺纹之间)轮回运行。
滚珠在螺母内轮回运行时,其外部通过一滚珠回路管道、或内部通过滚珠偏转器,将滚珠导入螺纹滚道。滚珠回路管道的设计比较简朴、直径较大、易于出产,一般价格较便宜。带有滚珠偏转器的螺母,结构比较紧凑,运行较平稳、顺畅,运行速度较高。
在这两种情况下,(轴向)负荷均由滚珠承受。一般来说,这些首先受材料疲惫强度影响而磨损。滚珠丝杠的设计不能承受很大的侧向或径向负荷(这些负荷应该由导轨承受),由于一般来说,导轨在任何方向上都能承受相等的负荷。
按照定义,螺纹节距是指一个螺纹与相邻螺纹之间的间隔,而丝杠螺距则是指丝杠旋转一周后螺母向前运动的间隔。对于单一的起动螺纹而言,节距即是螺距。较低的节距(例如:5、6 mm或8 mm)在保持效率、负荷能力、速度、旋转和电机扭矩方面具有很好的综合机能。要进步各轴的速度,{dy}步通常是进步节距,其条件是假定电机有足够的扭矩防止机械优胜性强度的降低,以及编码器要有足够的分辨率。较高的节距(例如:10、15 mm和20 mm)现在使用较普遍,由于速度的要求进步了,而且电机、放大器和编码器技术更提高前辈了。对于Haas的大型龙门机床而言,其丝杠采用了极大的螺距(40 mm和50 mm),因此速度甚至可以达到更高。由于与VMC或HMC机床比拟,其负荷要轻得多,没有必要利用较小螺距的机械优胜性。
为了不断地出产高精度零件,机床需要有很高的重复定位精度。这就是说机床必需采用刚性很好的、可随意操纵的元件。在轮回运行的导轨中,xx随意性相对比较轻易:只要选用精密的滚珠(或滚柱)就可以达到所需刚性。然而,在加强刚性的同时,很高的预负荷反而会影响其疲惫寿命。因此,很多机床制造商都选用中等预负荷,这样将较高的刚性与一定的可接受使用寿命结合在一起。
采用滚珠丝杠后,结构情况就变得较为复杂一些。50多年前,当滚珠丝杠最初问世的时候,增加组装件预负荷和xx任何误操纵的常用方法是采用两个滚珠螺母,相对连接安装,也就是采用古典式的双螺母结构配置。其效果同带有与负荷双轴承座中的负载通道相类似。后来,通过对螺母螺纹稍作偏移而采用单件设计形式也达到了同样的效果。在这两种情况下,我们都获得了所谓两点接触的效果,这就是任何双螺母结构的特点。另一方面,带有预载的单个螺母采用过量尺寸的滚珠,使丝杠和螺母螺纹之间达到4点接触,以xx误操纵。跟着滚珠螺母技术的发展,带有预载的单个螺母使用越来越普遍,它们体积较小,而且往往不那么昂贵,又可达到相似的负载能力和相称的使用寿命。就降低摩擦扭矩来说,双螺母结构仍旧有一定上风,接触点较少,运行灵活。这对于长度与直径之比大于20:1的较长丝杠而言长短常有利的。Haas的机床根据不同的应用领域和根据所要求的不同特点,这两种类型的结构都采用。
滚珠丝杠一般采用两端支承的方法,电机端采用一套双座角形接触支撑,而背端一般采用单个径向轴承支撑。丝杠采用两端支撑的方法,可以使操纵速度达到更高,并可降低振动。因为它们是属于摩擦装置,因此直线导轨和滚珠丝杠必需按期进行润滑。润滑剂可以降低聚积的热量,xx微焊接现象和防止侵蚀。{zh0}的方法是通过机床的控制装置向与导轨、丝杠、支承轴承等相连接的自动润滑系统发出信号。Haas公司在其所有的机床上都采用了这种系统,实践证实这种系统是最可靠的,远比依靠当地的技术服务职员对机床进行按期人工润滑可靠得多。
在Haas龙门式常规机床上,因为其框架采用开放式设计,机床轻易受到过多的污染,为进一步保护滚珠丝杠,丝杠上还安装了结子的组合式除污装置,其中包括:螺母外边的一个除污装置由经久耐用的塑料制成,可防止外界污染物质侵入;螺母里边的一个除污装置由毛毡制成,可吸收油污,大大降低润滑剂活动,减少维护工作量。
Haas公司在其全部机床上采用滚珠丝杠和直线导轨方面,已经取得了巨大的成功。这至少应归功于两个因素,采用传统的理性设计以及优质的零件供给。