滾珠絲杠自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～），再從大導(dǎo)程快速驅(qū)動(dòng)（80年代～）到精密高速驅(qū)動(dòng)（90年代～），在這過程中產(chǎn)品不斷升級(jí)換代得到一次質(zhì)的飛躍。
什么是精密高速滾珠絲杠副，到目前為止還沒有正式的定義。筆者認(rèn)為:驅(qū)動(dòng)線速度達(dá)到60mm/min以上，加（減）速度在0.5～1.5g，精度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18587.1～3（eqvISO3408）中的②級(jí)、①級(jí)或更高，性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求者，就可稱之為精密高速滾珠絲杠副。
傳統(tǒng)意義的精密滾珠絲杠副，只要求定位精度不要求速度。而導(dǎo)程角f>9°～17°的大導(dǎo)程和超大導(dǎo)程滾珠絲杠副，它雖然可實(shí)現(xiàn)100m/min以上的高速驅(qū)動(dòng)，但由于精度只能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)以下，因此只能用在不要求精密定位的一般機(jī)械上。
1精密高速滾珠絲杠的發(fā)展動(dòng)態(tài)
當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床的高速化不斷推動(dòng)精密高速滾珠絲杠的發(fā)展。
最早將空心強(qiáng)冷技術(shù)用于精密高速滾珠絲杠副的日本NSK公司，1998年推出用于高速數(shù)控機(jī)床的NZC、NZF和NDF系列高速滾珠絲杠副產(chǎn)品，直徑Ø36～55mm，導(dǎo)程16～30mm，d0n值150000，最高線速度100m/min，加速度1.3g，雙頭螺紋。為了增強(qiáng)絲杠軸的抗振能力，該公司發(fā)明了在中空絲杠孔內(nèi)配置內(nèi)藏減振阻尼器的專利技術(shù)，使臨界轉(zhuǎn)速Nc和d0n值進(jìn)一步提高，用較簡(jiǎn)便的辦法實(shí)現(xiàn)低成本提速，而且把行程范圍擴(kuò)大到4m以上，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程高速驅(qū)動(dòng)。據(jù)介紹該公司在試驗(yàn)室已能使d0n值達(dá)到200000。我國(guó)臺(tái)灣PMI銀泰科技公司在空心強(qiáng)冷技術(shù)方面采取在一端封閉的空心絲杠中插入冷卻油管的專利技術(shù)（臺(tái)灣專利107485），其特點(diǎn)是改變冷卻液在絲杠體內(nèi)的循環(huán)方式，達(dá)到更好的制冷效果，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)線速度為100m/min時(shí)可使溫度變化控制在1℃內(nèi)。該公司在CIMT'2001上展出FSW、FDW系列雙頭、多頭高速滾珠絲杠產(chǎn)品及噪聲測(cè)量裝置，該產(chǎn)品d0n值130000～140000，線速度100～120m/min，噪聲73dB（A）（80m/min時(shí)），76dB（A）（100m/min時(shí)）。日本MaKino公司開發(fā)的電子冷卻器控制系統(tǒng)可適時(shí)監(jiān)控滾珠絲杠的溫升，使其保持在允許范圍內(nèi)。
為了提高d0n值，改進(jìn)滾珠循環(huán)返向裝置和滾珠鏈的流暢性成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
精密高速滾珠絲杠的發(fā)展及其應(yīng)用
（a）采用三維型導(dǎo)珠管，沿內(nèi)螺紋的導(dǎo)程角f方向插入滾珠螺母體內(nèi)并與滾道相切（而不是相交），三維導(dǎo)珠管順利導(dǎo)引滾珠流暢地出入循環(huán)返向裝置，使布氏撞擊耗損明顯減小，摩擦力矩平滑、噪聲低。
（b）在滾珠鏈各相鄰滾珠之間加入用特殊樹脂制造的滾珠隔圈，它避免了相鄰滾珠之間的摩擦、擠壓和碰撞，還能潤(rùn)滑滾動(dòng)體、延長(zhǎng)工作壽命。右圖為三種滾珠鏈工作受力狀態(tài)之比較。采取上述兩項(xiàng)措施使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩更趨平滑，噪聲降低5～8dB（A）。日本TNK的SBN系列，NSK公司的SI系列，臺(tái)灣PMI的E型滾珠回流系統(tǒng)等均采取了上述措施。SBN系列直徑Ø32～50mm，導(dǎo)程10～20mm，d0n值130000，0>78m/min，加速度1g。
（c）為了擺脫循環(huán)返向三種滾珠鏈工作時(shí)受力裝置對(duì)d0n值的制約，近年?duì)顟B(tài)的比較圖出現(xiàn)了無返向裝置的滾珠絲杠副。例如在滾珠螺母內(nèi)配置封閉槽的滾珠螺旋傳動(dòng)裝置和GHF滾動(dòng)環(huán)螺副裝置（我國(guó)專利CN1210950A），以及帶圓柱形保持架的滾珠絲杠——螺母?jìng)鲃?dòng)裝置（德國(guó)專利DE3308149）等。這類結(jié)構(gòu)尚處于研發(fā)期，它更適用于高速、輕載的場(chǎng)合。
提高滾珠絲杠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。
小慣量滾珠螺母主傳動(dòng)技術(shù)趨于成熟并商品化。德國(guó)INA公司與Karlsruhe大學(xué)合作研制成功滾珠螺母高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，由于絲杠固定不轉(zhuǎn)，避開了細(xì)長(zhǎng)絲杠高速旋轉(zhuǎn)帶來的問題，驅(qū)動(dòng)速度可達(dá)120m/min，加速度3g。該傳動(dòng)裝置用于并聯(lián)機(jī)床的P關(guān)節(jié)，可避免并聯(lián)機(jī)構(gòu)由于自身重量輕、阻尼小而帶來絲杠高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)。德國(guó)Rexroth-Star公司2年前推出MHS40driveUnit空心軸電動(dòng)機(jī)滾珠絲杠副，直徑Ø40mm，導(dǎo)程5、10、12、16、20、40mm共六種規(guī)格。其特點(diǎn)是空心AC伺服的轉(zhuǎn)子與滾珠螺母剛性連接，在固定的絲杠上的n=3000r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行高速直線驅(qū)動(dòng)，Vmax=120m/min，借助位置反饋系統(tǒng)可獲得高的定位精度。這種機(jī)電一體化產(chǎn)品大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有慣量小、速度快、行程范圍大等優(yōu)點(diǎn)，已在高速加工中心上應(yīng)用，具有較好的性能價(jià)格比。日本NSK公司已推出小慣量螺母旋轉(zhuǎn)NDT系列產(chǎn)品，直徑Ø32～50mm，導(dǎo)程20～50mm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小12%～21%，d0n值100000。在CCMT2002（上海）中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)上，臺(tái)灣HIWIN上銀科技公司推出螺母旋轉(zhuǎn)式RI系列高速滾珠絲杠副，包括（名義直徑×導(dǎo)程）16mm×16mm、20mm×20mm、25mm×25mm、32mm×32mm、40mm×40mm五個(gè)規(guī)格。
既節(jié)能又環(huán)保，貫徹ISO14001國(guó)際環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)受到重視。21世紀(jì)的制造業(yè)，在向自動(dòng)化、智能化、高速化發(fā)展的同時(shí)，必須把節(jié)能和環(huán)保放在重要位置。國(guó)外不少企業(yè)為了解決高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)潤(rùn)滑劑的霧化、蒸發(fā)對(duì)環(huán)境的污染及廢油的回收問題，積極開展?jié)櫥⒚芊狻⒎缐m、防腐等方面的研究，NSK、THK、HIWIN、PMI等公司都先后推出防塵、自潤(rùn)滑、免維護(hù)新技術(shù)。例如:THK公司推出采用高含油率、高密度纖維網(wǎng)的QZ自潤(rùn)滑裝置，NSK公司推出NSK-K1潤(rùn)滑裝置等。而HIWIN公司2年前就獲得ISO14001證書，緊隨同行綠色制造的步伐，在EMO2001展會(huì)上推出的Cooltype1精密高速滾珠絲杠新產(chǎn)品，d0n值高達(dá)200000。
2與直線電動(dòng)機(jī)方式的比較與選擇
精密高速滾珠絲杠作為滾動(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，按目前的技術(shù)水平，最高驅(qū)動(dòng)速度≤120m/min，最大加速度<3g，制造精度1級(jí)（ISO3408），而且行程有限。
自從1993年漢諾威歐洲機(jī)床展覽會(huì)（EMO）上德國(guó)Ex-Cell-O公司首次推出采用直線電動(dòng)機(jī)的XHC240臥式加工中心以來，采用直線電動(dòng)機(jī)的高速數(shù)控機(jī)床的數(shù)量逐年增加。業(yè)內(nèi)人士指出:直線電動(dòng)機(jī)作為一種機(jī)電系統(tǒng)，將機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，電氣控制復(fù)雜化，是符合現(xiàn)代機(jī)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)的。
于是，在高速、超高速線性伺服進(jìn)給系統(tǒng)中出現(xiàn)兩種截然不同、滿足不同檔次需要的驅(qū)動(dòng)方式。
不同使用對(duì)象的高速數(shù)控機(jī)床，按照所要求的合理的進(jìn)給速度、加（減）速度、定位精度以及工作條件、生產(chǎn)批量、性能價(jià)格比等因素選擇不同的驅(qū)動(dòng)方式。
近年來在工程界刊物上，有不少論述數(shù)控機(jī)床高速化及其關(guān)鍵技術(shù)的文章在對(duì)直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行介紹時(shí)，往往只拿普通滾珠絲杠副來比較，說:一般滾珠絲杠的最高速度為20～30m/min，加速度為0.1～0.3g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高速加工的要求，很難有太大的改進(jìn)等。筆者認(rèn)為這樣的比較不很客觀，由此引伸出來的取代論斷也是值得商榷的，恐怕需要若干年代的實(shí)踐檢驗(yàn)才能作出更正確的判斷。
直線電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的，但在設(shè)計(jì)選用時(shí)需要認(rèn)真分析以下問題:在軸向推力相同的情況下應(yīng)對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)方式的傳動(dòng)效率和功率消耗作比較：直線電動(dòng)機(jī)的法向磁力大約是軸向推力的10倍，它對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌以及周邊環(huán)境帶來多大影響，如何消除這些影響：切削力變化時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能否妥善解決：與之配套的電主軸、防護(hù)裝置、快速換刀系統(tǒng)、冷卻裝置、刀具壽命等是否能同步解決：投入和產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)評(píng)估等等。
進(jìn)入21世紀(jì)伊始，在地球資源有限、環(huán)境惡化已不容忽視的今天，可持續(xù)發(fā)展將是人類社會(huì)進(jìn)步的唯一選擇。根據(jù)我國(guó)國(guó)情，機(jī)械工業(yè)在向自動(dòng)化、智能化、高速化發(fā)展中必須把節(jié)能、環(huán)保、降低成本放在同等位置來考慮。近年國(guó)外不少學(xué)者研究了直線電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和最佳使場(chǎng)合。這樣的研究是十分必要的，有助于用戶合理選用。
據(jù)國(guó)外有關(guān)專業(yè)人士指出，在數(shù)控機(jī)床中使用直線電動(dòng)機(jī)的最佳場(chǎng)合是:工件批量越大，所需的定位運(yùn)動(dòng)越多，所需要的進(jìn)給速度越高，加速次數(shù)越多，就越值得采用直線電動(dòng)機(jī)機(jī)床。例如:在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、宇航工業(yè)中對(duì)復(fù)雜型面的輕合金零件的高速切削加工中，高速、超高速數(shù)控機(jī)床用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是最佳選擇。至于一般中等速度、中檔數(shù)控機(jī)床、重切削或斷續(xù)切削工作條件，選用哪種驅(qū)動(dòng)方式則視加工對(duì)象、生產(chǎn)批量和性能價(jià)格比等因素進(jìn)行總體評(píng)估后，才能作出最佳選擇。
3選用精密高速滾珠絲杠需要考慮的一些問題
線性伺服進(jìn)給系統(tǒng)的高速化是一個(gè)系統(tǒng)工程，系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)都要滿足高速傳動(dòng)的要求。
滾珠絲杠副進(jìn)給系統(tǒng)的最大加工速度與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成反比，為了提高加速度，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析及CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足動(dòng)、靜剛度的前提下，減少零件數(shù)量、優(yōu)化零件參數(shù)并使其高強(qiáng)度、輕量化。
要同時(shí)選用與精密滾珠絲杠副匹配的高速滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。例如日本THK公司的SHS四方等載荷系列，SNR、SNS高剛度重載荷系列，SSR超高速系列，其線速度可達(dá)200m/min以上。德國(guó)INA公司的腰鼓形滾柱直線導(dǎo)軌還可按用戶要求配置RUDS阻尼滑座，使振幅降至原來的1/30，噪聲明顯下降，滿足高速、高精度、重切削的要求。
要十分重視精密高速滾珠絲杠副在機(jī)床上的安裝精度，它對(duì)提高臨界轉(zhuǎn)速Nc、定位精度，改善高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的平穩(wěn)性，減小噪聲等都起著不可忽視的作用。絲杠兩端采用預(yù)拉伸高剛度支承結(jié)構(gòu)，要嚴(yán)格保證絲杠兩端支承與滾珠螺母的中心三點(diǎn)同軸。應(yīng)選用滾珠絲杠專用的高剛度推力角接觸軸承。
充分利用滾珠絲杠副的同步性特征，在高速加工中心中成對(duì)安裝高速精密滾珠絲杠副，是提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)在高速時(shí)的穩(wěn)定性，改善動(dòng)態(tài)特性的有效措施。例如日本牧野銑床制作所的A55E型的臥式高速加工中心和新瀉鐵工的SPN50-H0型臥式高速加工中心以及豐田工機(jī)的EV33立式高速加工中心等都采用了雙電動(dòng)機(jī)雙絲杠的驅(qū)動(dòng)方式。
要在伺服進(jìn)給系統(tǒng)中配置制動(dòng)裝置、柔性緩沖器、垂向傳動(dòng)時(shí)的自鎖器等。
在選購和驗(yàn)收精密高速滾珠絲杠時(shí)，要與一般大導(dǎo)程滾珠絲杠區(qū)別開來，并要求制造商提供訂購產(chǎn)品的工作速度、加速度、精度、噪聲、溫升等檢測(cè)數(shù)據(jù)。若使用Si3N4陶瓷球，應(yīng)查看Si3N4陶瓷球的精度、硬度、表面粗糙度、壓饋負(fù)荷的檢驗(yàn)證書。若選用空心強(qiáng)冷絲杠，還應(yīng)查看深孔的直線度，與外圓的同軸度的檢驗(yàn)結(jié)果。為了確保高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的可靠性，還應(yīng)查看絲杠軸、螺母、循環(huán)返向裝置的原材料及熱處理檢驗(yàn)報(bào)告。
我國(guó)已加入WTO，經(jīng)濟(jì)全球化、市場(chǎng)國(guó)際化使精密高速滾珠絲杠副的發(fā)展面臨機(jī)遇和挑戰(zhàn)。沖破國(guó)外禁賣的約束，國(guó)產(chǎn)精密高速滾珠絲杠副將為我國(guó)數(shù)控機(jī)床的高速化作出貢獻(xiàn)。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
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