细长滚珠丝杠辅助支撑系统的应用

近年来，成形精密数控机床的层出不穷令业界瞩目，而高速滚珠丝杠作为数控机床的主要传动部件，不可否认的仍有一些题目需要解决：安装直线度题目（挠度题目）、长丝杠的转动惯量题目、运动噪音题目等。

增大丝杠直径及加大装配时的预紧力固然能解决丝杠的挠度题目及在运转过程中所产生的颤抖题目，但随之带来的是，增大丝杠直径必然使丝杠的转动惯量急剧变大，以致无法与驱动电机及减速器相匹配；加大装配预紧力又将会降低丝杠副及丝杠两端精密轴承的使用寿命，且运动噪音也随之增大，其运动精度也将受到严重影响。

为解决以上题目，杭州机床团体研究开发了一套集机电液於一体的滚珠丝杠双柔性辅助支撑系统。该系统主要用於细长丝杠的在线支撑，采用弹簧柔性支撑液压快速驱动支撑座向下运动，以使往复运动的螺母顺利通过的形式。其功能是减小细长丝杠静止或运动时的挠度，以保证机床工作状态时的动态精度，同时也降低了运动噪音，进步丝杠的使用寿命。而且，这款滚珠丝杠双柔性辅助支撑系统具有液压电气失灵报警和机械保护功能及较好的安全可靠性，保证支撑座具有较长使用寿命。可以说，此项技术的研发既弥补了国际同类结构的缺陷，也填补了国内空缺。

图1 丝杠辅助支撑机构

丝杠辅助支撑系统功能结构简介

图1显示出上述丝杠辅助支撑机构的外观，该系统的功能结构概貌参见图2。

图2 丝杠辅助支撑系统功能结构简图

当一根7米长的滚珠丝杠通过两端轴承座固定，其静止时的最大挠度已为50mm，而在快速旋转运动时的挠度则更大。因此，我们将在螺母的两端位置各给丝杠增加一套辅助支撑，静止时将丝杠支撑到挠度为零的位置，工作时滚珠丝杠则是通过伺服电机驱动来实现螺母沿丝杠作快速往复直线运动的。当螺母运动到接近支撑位置时，其整个支撑部件必须快速向下运动，待让螺母座安全通过之後即刻弹起支撑住丝杠，使其在运动过程中保持零挠度状态。

辅助支撑座的向下运动是通过液压系统装置将液压压力油通进液压油腔，强迫活塞杆带动支撑座快速向下运动，以保证螺母座的顺利通过，待螺母通过後支撑弹簧即自动将支撑座缓慢向上弹起，以保证丝杠不受冲击被柔性托起。

设计时，根据螺母往复运动速度得出螺母运动的匹配时间及液压的信号采集来控制支撑座快速上下运动。

失灵保护装置作用不容小觑

此辅助支撑座系统设计有失灵保护装置，当电器感应开关或液压继电器出现故障或失灵时，整个支撑座就不能通过液压控制其向下运动。此时可通过安装在螺母座两侧的导板用机械方式强迫支撑座向下运动，导板通过底部斜面与支撑座两侧滑轮相压，从而强迫支撑座向下运动。待螺母座通过後，整个支撑座再由弹簧沿着导板底部斜面向上顶起，即用机械方式完成支撑座上下运动，保证螺母座安全通过。

由於该机床螺母的工作状态是不中断的往复运动，且运动速度又快，导板与导板支撑轮间可能会产生很大的冲击力。为减小冲击，在导轨及支撑座上特别设计有缓冲接触结构，但尽管如此，若频繁使用机械式导板下压的方式则会影响支撑座及弹簧的使用寿命。因此，整套装置还设置了油压监控和继电器失灵报警信号，便於操纵者及时得到相关信息，方便维修。

在辅助支撑座系统的设计过程中，设计者充分考虑了其使用性能及使用寿命，比如其弹簧设计使用寿命便足足达1,000,000次。而且，通过对支撑力的精确计算，保证了丝杆运动及静止时的挠度接近於零挠度，支撑座与丝杆的接触采用转动接触，辅助支撑座系统的精巧设计则有效保证了接触缓冲，避免接触时的冲击现象对运动副所造成的损伤。

一言概之，所有的精巧设计保证了丝杆运动的动态精度，减小了摩擦，在有效降低运动噪音的同时还进步了使用寿命。该系统中的密封结构采用微自复及可靠密封，即使长期使用之後仍能保持良好密封。

这套集机电液於一体的滚珠丝杠双辅助支撑系统充分考虑了性能及使用安全可靠性，应用中表现出了其良好的使用性能，达到了设计意图。目前该系统已随机床在用户处正常运作，无任何故障反馈，进一步佐证了其安全性和可靠性。