專利名稱：納米級(jí)滾珠絲杠的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種納米級(jí)滾珠絲杠。
背景技術(shù)：
1.滾珠絲杠(ball screw)滾珠絲杠副自1874年在美國(guó)獲得專利至今已有100多年歷史，在我國(guó)也有40多年的研制和生產(chǎn)歷史。它的功能已從最初的“敏捷省能傳動(dòng)”(上世紀(jì)40～50年代)到“精密定位”(70年代～)，再?gòu)摹按髮?dǎo)程快速驅(qū)動(dòng)”(80年代～)到“精密高速驅(qū)動(dòng)”(90年代～)，在這過(guò)程中產(chǎn)品不斷升級(jí)換代得到一次次質(zhì)的飛躍。提高滾珠絲杠副的制造精度和定位精度始終是制造企業(yè)的不懈追求。上世紀(jì)60年代我國(guó)精密機(jī)床聯(lián)合攻關(guān)為精密機(jī)床螺紋磨削技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。北京機(jī)床研究所在上世紀(jì)80年代研制成功的螺紋磨削激光反饋導(dǎo)程誤差自動(dòng)校正技術(shù)以及80年代末期完成的大導(dǎo)程滾珠絲杠副“七·五”攻關(guān)，為提高大導(dǎo)程角內(nèi)外圓弧螺紋的磨削精度找到有效工藝途徑。“九·五”期間漢江機(jī)床有限公司研制成功的SK7432型2m全封閉CNC絲杠磨床、HJ031型CNC滾珠螺母磨床、SK7450型5m大型CNC絲杠磨床，為精密高速滾珠絲杠副的發(fā)展提供了關(guān)鍵工藝裝備。我國(guó)與先進(jìn)工業(yè)國(guó)家螺紋磨削技術(shù)水平的差距正日益趨近，滾珠絲杠副在CNC伺服進(jìn)給系統(tǒng)中提高定位精度的校正技術(shù)也不斷完善。
精密高速滾珠絲杠副作為“滾動(dòng)化”的機(jī)械傳動(dòng)裝置，雖然有許多優(yōu)于一般傳動(dòng)裝置的特性，但它的定位精度、驅(qū)動(dòng)速度、加(減)速度有一個(gè)物理極限。為此，國(guó)內(nèi)外有關(guān)制造廠不斷采取措施，提高滾珠絲杠的高速性能。主要措施有(1)適當(dāng)加大滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速、導(dǎo)程和螺紋頭數(shù)，滾珠絲杠副的直線運(yùn)動(dòng)速度為絲杠導(dǎo)程與絲杠轉(zhuǎn)速的乘積。提高絲杠轉(zhuǎn)速對(duì)加大直線運(yùn)動(dòng)速度有利，但提高轉(zhuǎn)速會(huì)加劇絲杠副的溫升、熱變形、振動(dòng)和噪聲，因此，絲杠轉(zhuǎn)速的提高有一定的限制。(2)改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提高滾珠運(yùn)動(dòng)的流暢性改進(jìn)滾珠循環(huán)反向裝置；改進(jìn)滾珠螺母的結(jié)構(gòu)；采用“空心強(qiáng)冷”技術(shù)(就是把恒溫冷卻液通入空心絲杠的孔中，對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，保持滾珠絲杠副溫度的恒定。這個(gè)措施對(duì)提高中、大型滾珠絲杠高速性能和工作精度很有效)；可采用絲杠固定、螺母旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式。(3)進(jìn)一步提高滾珠絲杠的制造質(zhì)量。高速滾珠絲杠是一類特高精度的機(jī)械傳動(dòng)元件，不但要精心設(shè)計(jì)，更要精心制造。從原材料的選用、熱處理方法、機(jī)械加工到裝配，都要十分講究。精加工和裝配一般都在恒溫車間進(jìn)行，采用各種高精度的加工和測(cè)試設(shè)備(如高精度數(shù)控螺紋磨床、激光反饋螺紋磨床、滾珠絲杠副綜合行程誤差測(cè)量?jī)x、予緊轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x等)進(jìn)行制造，還可運(yùn)用誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)一步提高滾珠絲杠副的工作精度。
如今要實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給可采用滾珠絲杠；直線電機(jī)；并聯(lián)虛擬軸機(jī)構(gòu)?？偟恼f(shuō)來(lái)，滾珠絲杠經(jīng)高速化改進(jìn)后，可繼續(xù)用于中、低檔的高速機(jī)床。高檔的和中高檔的高速加工中心和超高速機(jī)床，應(yīng)該首選直線電機(jī)，它和電主軸一起，全面實(shí)現(xiàn)高速數(shù)控機(jī)床的“零傳動(dòng)”。用并聯(lián)虛擬軸機(jī)構(gòu)作為高速數(shù)控機(jī)床的新型進(jìn)給系統(tǒng)，涉及整臺(tái)機(jī)床布局的根本變革，問(wèn)題比較復(fù)雜，只能逐步推進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種納米級(jí)滾珠絲杠。
納米級(jí)滾珠絲杠依次具有納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件、絲杠、滾珠圓柱螺母，并由支撐座固定，在納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件上設(shè)有半導(dǎo)體制冷器、驅(qū)動(dòng)面，納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)1)一級(jí)、二級(jí)進(jìn)給一體化。一級(jí)進(jìn)給完成粗進(jìn)給，快速接近運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，二級(jí)進(jìn)給由納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件完成，控制進(jìn)給量達(dá)到10nm精度，500kg的驅(qū)動(dòng)力。二者可分步動(dòng)作，也可同時(shí)動(dòng)作。
2)散熱與補(bǔ)償一體化。在超精密加工領(lǐng)域，由熱變形引起的誤差占總的加工誤差40％～70％，滾珠絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件的創(chuàng)新思想在于改變傳統(tǒng)方法中對(duì)熱變形的被動(dòng)補(bǔ)償為主動(dòng)進(jìn)給，正是基于這一思想，驅(qū)動(dòng)部件的原理是由熱源或冷源功率的變化來(lái)控制變形體達(dá)到納米級(jí)的進(jìn)給。采用此結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠使納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件和滾珠絲杠融為一體，一級(jí)進(jìn)給時(shí)通過(guò)半導(dǎo)體制冷器對(duì)絲杠降溫，即可以提高一級(jí)進(jìn)給的精度又可以減少絲杠傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)環(huán)境溫度的影響，二級(jí)進(jìn)給時(shí)，通過(guò)半導(dǎo)體制冷器功率的微弱變化使絲杠的長(zhǎng)度納米級(jí)增長(zhǎng)或縮短。
3)對(duì)環(huán)境影響較小。因采用二級(jí)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，第二級(jí)為納米級(jí)，進(jìn)給量較小，又因滾珠絲杠相對(duì)較長(zhǎng)，所以只需微弱改變半導(dǎo)體制冷器的功率，就可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)進(jìn)給。
4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便。對(duì)于現(xiàn)有的滾珠絲杠應(yīng)用場(chǎng)合不需要作結(jié)構(gòu)性的修改即可使用。


圖1是納米級(jí)滾珠絲杠的三維結(jié)構(gòu)圖；圖2是一端驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠的三維結(jié)構(gòu)圖；圖3是二級(jí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成框圖；圖4是應(yīng)用于磨床結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖；圖中納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件1、絲杠2、滾珠圓柱螺母3、半導(dǎo)體制冷器5、工作臺(tái)7、床身8、地面9、立柱10、導(dǎo)軌11、磨頭體12、砂輪13、待加工零件14、隔熱器件15；具體實(shí)施方式
納米級(jí)滾珠絲杠依次具有納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件1、絲杠2、滾珠圓柱螺母3，并由支撐座4固定，在納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件1上設(shè)有半導(dǎo)體制冷器5、驅(qū)動(dòng)面6，納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件1由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置由微處理器、電源、進(jìn)給量設(shè)定裝置、顯示、打印機(jī)、半導(dǎo)體功率放大器、半導(dǎo)體制冷器和絲杠組成，其中微處理器分別與電源、進(jìn)給量設(shè)定裝置、顯示、打印機(jī)、半導(dǎo)體功率放大器相接，半導(dǎo)體制冷器與絲杠相接。
1.納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件試驗(yàn)前進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的理論驗(yàn)證由于金屬材料普遍具有較大的抗壓強(qiáng)度，所以應(yīng)用于試驗(yàn)的納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件可由不同的金屬材料充當(dāng)，熱源為半導(dǎo)體制冷器，只需改變電壓就可以改變其加熱和制冷以達(dá)到控制進(jìn)給量的目的。在實(shí)驗(yàn)室施加大的驅(qū)動(dòng)力裝置采用杠桿原理設(shè)計(jì)，可以施加50kg、100kg、150kg、200kg、250kg、500kg等不同的進(jìn)給力。
驅(qū)動(dòng)部件金屬材料為45#，熱容量c＝486，熱導(dǎo)率λ＝45，密度ρ＝7753，熱交換系數(shù)α＝100，線膨脹系數(shù)αt＝0.00001159，試驗(yàn)方案框架由基于變形體的納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件、加力裝置、高精度電感測(cè)頭、WS16PC-VH采樣接口卡、檢測(cè)及控制計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。高精度電感測(cè)頭分辨率為2nm，量程為80μm。
2.一體化滾珠絲杠滾珠絲杠副的制造直徑80mm，導(dǎo)程10mm，精度0.05mm/300mm，螺紋長(zhǎng)度1500m，絲杠總長(zhǎng)度2500mm，其中納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件橫截面為正方形(40×40mm)，其對(duì)稱中心與絲杠的中心重合，如圖1所示。滾珠絲杠的材料為cf-53調(diào)質(zhì)硬度鋼，表面硬度達(dá)HRC58-62，軸心處及滾珠絲杠兩端經(jīng)調(diào)質(zhì)處理；滾珠螺母的材料為16MnCr5，返向器為內(nèi)循環(huán)方式。(絲杠和螺母可以選擇其它材料)雙螺母采用銷釘預(yù)緊或墊片預(yù)緊。圖2為一端驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖，其中半導(dǎo)體制冷器是圓形。
滾珠絲杠的加工工藝方案一，車—銑—淬火—粗磨—精磨；方案二，軋—銑—淬火—磨(適合大批量，節(jié)省工時(shí)和費(fèi)用)。
試驗(yàn)在恒溫室的隔振臺(tái)上進(jìn)行，采用基于單值模型算法的雙模態(tài)控制策略進(jìn)行控制，通過(guò)大量的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了在溫度變化1.2℃時(shí)可以控制進(jìn)給量的精度為10nm。
綜上，采用基于單值模型算法的雙模態(tài)控制策略進(jìn)行控制，對(duì)圖1和圖2所示的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，均得到了納米級(jí)的控制效果。總結(jié)出該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(1)在加熱開(kāi)始階段都有較長(zhǎng)的延遲時(shí)間，存在明顯的滯后現(xiàn)象，因此納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件工作時(shí)應(yīng)該避免在這一階段；(2)驅(qū)動(dòng)部件的響應(yīng)速度較慢，因此為提高進(jìn)給效率采用二級(jí)進(jìn)給方案；(3)工作階段的延遲時(shí)間大大縮短，這是能夠達(dá)到具有大進(jìn)給力的納米級(jí)進(jìn)給精度的原因之一。正是基于以上三點(diǎn)決定了本實(shí)用新型在要求具有大進(jìn)給力的納米級(jí)定位精度而響應(yīng)速度要求不高的準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)裝置中有廣闊的應(yīng)用前景。
3.應(yīng)用實(shí)例將此滾珠絲杠應(yīng)用于平面磨床來(lái)完成Z方向的進(jìn)給，納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件可以在變形體溫度場(chǎng)達(dá)到平衡之后工作，此時(shí)工作等待時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；也可工作在未平衡階段，圖4為應(yīng)用于平面磨床的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖。
工作原理仍然保證原有磨床的工作原理，只是用新型滾珠絲杠取代了原有的滾珠絲杠。
工作過(guò)程將工件固定在工件臺(tái)上，由滾珠絲杠的一級(jí)進(jìn)給帶動(dòng)磨頭體快速接近工件，當(dāng)砂輪快要接近工件時(shí)，停止一級(jí)進(jìn)給，啟動(dòng)納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件，達(dá)到的納米定位精度。最后加工。
(概念區(qū)分)變形體的定義在納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件試驗(yàn)階段，變形體就是試驗(yàn)件。一體化后滾珠絲杠針對(duì)第一級(jí)進(jìn)給稱為滾珠絲杠，而針對(duì)第二級(jí)進(jìn)給稱之為變形體，半導(dǎo)體制冷器通過(guò)對(duì)整個(gè)滾珠絲杠的加熱和制冷使絲杠納米級(jí)伸長(zhǎng)或縮短。
權(quán)利要求1.一種納米級(jí)滾珠絲杠，其特征在于它依次具有納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件(1)、絲杠(2)、滾珠圓柱螺母(3)，并由支撐座(4)固定，在納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件(1)上設(shè)有半導(dǎo)體制冷器(5)、驅(qū)動(dòng)面(6)，納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件(1)由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米級(jí)滾珠絲杠，具特征在于所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)裝置由微處理器、電源、進(jìn)給量設(shè)定裝置、顯示、打印機(jī)、半導(dǎo)體功率放大器、半導(dǎo)體制冷器和絲杠組成，其中微處理器分別與電源、進(jìn)給量設(shè)定裝置、顯示、打印機(jī)、半導(dǎo)體功率放大器相接，半導(dǎo)體制冷器與絲杠相接。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種納米級(jí)滾珠絲杠。它依次具有納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件、絲杠、滾珠圓柱螺母，并由支撐座固定，在納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件上設(shè)有半導(dǎo)體制冷器、驅(qū)動(dòng)面，納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。納米級(jí)滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)方法是一級(jí)進(jìn)給由滾珠絲杠完成，同時(shí)通過(guò)半導(dǎo)體制冷器對(duì)絲杠降溫，既可以提高一級(jí)進(jìn)給的精度又可以減少絲杠傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)環(huán)境溫度的影響，二級(jí)進(jìn)給由納米級(jí)驅(qū)動(dòng)部件完成，通過(guò)半導(dǎo)體制冷器功率的微弱變化使絲杠的長(zhǎng)度納米級(jí)增長(zhǎng)或縮短，控制進(jìn)給量達(dá)到10nm精度的方法。本實(shí)用新型較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)滾珠絲杠最大優(yōu)點(diǎn)就在于可以達(dá)到10nm的定位精度，驅(qū)動(dòng)力可以達(dá)到500kg，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)F16H25/20GK2651520SQ20032010900
公開(kāi)日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2003年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月15日
發(fā)明者胡旭曉, 李家賡 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)