Among CNC machinery tools, the key functional components are important carriers of unit technology in which scroll functional component greatly enhances the promotion of the green manufacturing. The writer will analyze three aspects including design, art and selection, and this issue is about design.
制造业作为国民经济的支柱产业，在传统的工业化模式中消耗了大量不可再生的自然资源和能源，成为环境污染的主要源头。据统计，中国因环境污染所造成的损失约占GDP的10%，而在所有污染环境的排放物中大约有70%源於制造业，制造业的能源消耗占总能耗的60%左右。在地球资源不断枯竭、环境状况日益恶化的今天，树立科学发展观，走可持续发展之路，已成为新型工业化和低碳经济时代的基本理念和唯一选择，制造业实施低能耗、低物耗、低污染、低排放已成为不可推卸的社会责任。
新一代的数控机床及其核心功能部件必须把高效率、高精度、高可靠性、资源和能源的高利用率以及低排放作为追求的目标，而绿色制造（Green-Manufacturing）、智能制造（Intelligent Manufacturing）和绿色生态数控机床（Green Eco-CNC/MT）已成为高端数控机床的重要标志和市场竞争的新亮点。
众所周知，在数控机床中，核心功能部件作为单元技术的载体，其“功能”通过主机的集成组合与CNC控制，从而达到总体性能和精度的要求。其实，滚动功能部件（滚珠丝杠副、滚动直线导轨副等）从本质上分析，就具有“省能”“长寿命”等特征，再通过三维CAD绿色设计，可放大“绿色功能”，成为数控机床绿色制造的有力推手，让绿色智能数控机床熠熠生辉。
解决预紧状态下的流畅性是提高产品性能的关键
滚动摩擦是各类滚动功能部件的最基本特征，由低摩擦系数（μ=0.0025~0.0035）所派生出高传动效率（η逆>85%，η正>95%），和高速特性（don≧12~20万）。但是，它与滚动轴承有很大差异，其受力和运动状态更为复杂，并非纯滚动。滚动体需要借助於“循环返向装置”才能完成往复不断的循环滚动。因此，要从滚道、滚动链、循环返向装置三个环节通过优化设计来解决“流畅性”的问题。海外知名品牌，都在这个基础领域狠下功夫使产品性能大幅提高。
滚道形状和主参数
滚动体在滚道中的工作状态随载荷大小、运动速度和方向的变化而变化，对滚道形状和主参数优化设计的目的就是通过三维实体建模，运用有限元分析在各种工况下的受力和变形规律、研究滚动摩擦机理，从而获得最佳滚道截形，滚道曲率rs .rn、接触角α、适应度 等主参数，最後达到降低摩擦耗损，提高能效，满足流畅性的要求。
循环返向装置
图1 端部导流轴向返回型反向装置
滚动链
为了避免在循环滚动过程中滚动体之间的相互摩擦、碰撞和挤压，可采用间隔滚动链，即采用[D+D+D]，滚动体直径DW一大一小的排列。还可采用钢球与陶瓷球间隔混合排列，即[Steel+Si3N4+Steel+Si3N4]的排列方式。近年，具有自润、降噪、减摩功能的滚动体隔离链（见图2）已成为绿色环保的时尚结构。
图2 具有自润、降噪、减摩功能的滚珠隔离链
轻量化成为高速、高能效的追求目标
作为能耗大的数控机床，减小运动部件的体积和质量是降低驱动功率的重要措施，尤其是对於高速数控机床，所以运动部件必须满足最小运动质量的要求，以达到所需的加（减）速度指标。作为运动部件的滚珠丝杠副和滚动直线导轨副，已经或正在采取以下措施：
滚珠丝杠、滚珠螺母组件、滚动导轨、滚动滑块通过优化设计在满足刚度强度的前提下，“减肥”和空心化，并选用优质钢材和强化处理。例如THK公司推出的中空轻型SSR系列滚动直线导轨与同规格比较，减重40%。而滚动体的轻量化包括：Si3N4陶瓷球（材质密度3.2g/cm3，是钢球的40%）；高强度空心钢球（见图3）；空心滚子和球形滚子。当采用Si3N4陶瓷球，其离心力比钢球减小50%以上，可大大改善高速滚珠丝杠副的动态特性并减小能耗。
图3 Si3N4陶瓷球，空心钢球和球形滚子
根据对空心圆柱滚子轴承的研究表明，当对“空心度”进行优化设计的空心滚柱比实心滚柱的离心力减小40%时，DN值提高2倍，由於存在预应力并有一定柔性，也使空心滚子受载更均匀，使刚度和回转精度得到提高。球形滚子（图3右）是对称於滚珠的球心在两端非接触区各切除15%（共30%）成为滚珠与滚柱的混合体—球面滚柱，它应按滚柱的运动状态设计保持器。无论是实心滚柱或空心滚柱，为避免出现“边缘效应”和“偏置载荷”并使滚柱受力均匀，推荐采用“对数母线型滚柱”，它有利於减小摩擦耗损，提高流畅性。空心滚珠在机床上很少用，但在航空航天领域节能效果非常明显，据介绍，在大力神军用运输机内货仓的滚动输送面板中，大约有40,000个空心钢球，总重量减轻4,000b，每年省航空燃油28,800USgal。
虽然空心滚动体的制造难度很大，成本也高，在中国轴承行业中也尚未广泛应用，但给我们研发精密高速和高性能绿色滚动功能部件提供了可以借鉴的解决方案。nextpage
双冷技术抑制热变形，减小热误差，缩短数控机床待机时间
在数控机床中，针对各种热源对机床热变形的影响，常常需要对几何误差和热误差实施误差补偿。对於采用滚珠丝杠驱动的伺服进给系统，传统抑制热变形的对策包括：对两端固定支承的丝杠轴实施予拉伸；根据设定的进给速度，用增大导程P h来降低丝杠轴的转速；对空心滚珠丝杠实施循环强制冷却等。
图4 滚珠螺母冷却新产品（NSK，等）
当对丝杠轴和滚珠螺母组件的热态进行分析可以发现：丝杠轴是属於随滚珠螺母位移变化的移动热源，而滚珠螺母内部在传动中自始至终都处於产生摩擦热的状态，是散热条件差的连续热源。基於这种判断，日本NSK公司推出HMD系列滚珠螺母冷却新产品（图4）。据介绍，最高线速度可达120m/min，冷却系统对螺母予紧力不产生影响，比之丝杠冷却，使工作台的温升降低3°C左右，能更好地实现高等精度要求。中国台湾HIWIN及南京工艺装备公司也先後成功研制这类新产品。
中国台湾HIWIN公司，通过有限元分析，研究最佳热传导制冷方案，提出“恒温式”滚珠丝杠副的设计理念——空心滚珠丝杠与滚珠螺母的双冷技术。众所周知，在数控机床加工中，通常都是先空运转，在达到热平衡後才开始加工，即“暖机时间”。据统计，机床空载功率的损耗约占整个机床功率消耗的10~15%，据相关的实验研究表明，采用双冷式恒温滚珠丝杠副，数控机床暖机的时间可节省70min（见图5）。
图5 双冷技术缩短暖机时间（HIWIN）
低转动质量的省能驱动
在长行程的大型重载数控机床或高速数控机床中追求转动惯量最小化，而转动惯量与旋转体直径的平方、旋转体的总长以及质量成正比。近年，不少知名企业研制的滚珠螺母旋转主传动的伺服驱动方式就是低转动惯量的省能驱动。其特点是：
（1）伺服进给系统的转动惯量大幅降低。丝杠直径越大、越长，降低的效果越明显。
（2）丝杠不旋转，支承方式和间距对临界转速Ncr的制约就不存在，有利於实现长行程的高速传动。
（3）因长丝杠支承刚性和精度的提高，震动、噪声下降，使伺服进给系统的动态特性得到改善。
（4）一个坐标轴可同时完成几个工作台的多种复合驱动，扩大了主机的功能。
（5）当中空冷却时，固定的丝杠比旋转的丝杠更容易实现。
滚珠螺母旋转传动是滚珠丝杠副在绿色制造中的重要创新，它既节能环保又拓宽了应用领域，是对直线电机、齿轮—齿条传动、滚珠蜗母条传动的挑战。
图6 滚珠螺母旋转主传动—同步带轮间接驱动组合单元（南京艺工）
滚珠螺母旋转主传动的第一代产品是伺服电机通过同步带轮（或齿轮）动螺母旋转（见图6）。近年又出现机电一体化直驱型的第二代产品—伺服直驱旋转螺母组合单元，包括三种类型：
（A）由空心伺服电机直接驱动滚珠螺母旋转（轴向固定），借助滚珠螺旋运动使滚珠丝杠作轴向往复运动（图7）。主要用於行程不大、载荷适中的加工中心、PKM并联机床、航空航天、医疗器械、检测仪器等的抓举和坐标定位功能。例如：“神八”、“神九”与“天宫”对接，就采用了三角平合并联结构，该结构由三对（6套）滚柱螺母旋转的中空大导程滚珠丝杠副组成，在正向推出时，螺母旋转，丝杠同步产生轴向推力，在逆向缓冲时，完成丝杠副的逆传动。
（B）在圆周和轴向都固定的行程大丝杠，由空心伺服电机直接驱动滚珠螺母在丝杠上旋转，并带动工作合作轴向运动。（见图8）该产品是南京工艺装备公司承担“数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项的攻关成果。比之第一代产品具有结构紧凑、高精度、高速度、低振动、低噪音、低能耗的突出特点，还同时兼有润滑、防尘、冷却的辅助功能。这是中国滚动功能部件行业向高端进军的突破，迈向绿色智造的新台阶。和第一代产品相比，这种直驱型新产品在技术方面的难度更大。在商品化之前尚有若干技术关键有待攻克。nextpage
图7 MHS40系列空心伺服电机立驱滚珠螺母旋转组合单元（Rexroth、INA等）
（C）Spindasyn双向复合驱动装置。（见图9）
在一根同时具有左旋和右旋螺纹的滚珠丝杠上，空心AC电机的转子分别与左旋和右旋的两个滚珠螺母刚性联接，当同时改变两个AC电机的转速和转向时，就能巧妙地完成“旋转运动”与“直线运动”的加组合，实现高速和微量进给，使滚珠丝杠副的能效得到充分发挥，功能得到扩展。
预紧力Fpr的CNC控制
滚珠丝杠副的预紧力Fpr若出现早期松弛，必然导致伺服进给系统轴向刚度和定位精度的下降，这是产品可靠性不高的最突出表现。传统纯机械预加负荷方式的最大缺陷是预紧力Fpr一成不变，而实际上当速度和外加载荷发生变化时，特别是高速、重载和有冲击载荷时Fpr都会发生变化，而温度和几何精度（例如：中径尺寸的变动、齿形的变化等）也会对Fpr产生影响。滚珠丝杠副产品出厂时若Fpr过大，会出现过度的机械摩擦与发热，降低流畅性、传动效率与寿命，因此，不少制造企业对Fpr多采取“宁小勿大”用牺牲“刚度”来取悦“手感灵活性”，如果“加载跑合”又不充分，就潜伏“初接触刚度”不高的隐患，在这种情况下Fpr的早期松弛就很难避免。
图8 在CCMT2012展出的直驱旋转螺母组合单元试验台
上世纪八十年代，德国Karlsruhe大学曾开展对滚珠丝杠副性能的试验研究，提出了预紧力动态控制的解决方案（见图10），该方案采用具有纳米级解析度的压电陶瓷作为预紧力的调节器，通过CNC控制系统发出类比信号（±10V）随工作状态的变化，动态调控Fpr值，使其始终处於最佳设定状态，而控制系统可在主机的CNC总程式中预置Fpr副程式。
近年，中国一些高校（哈工大学等）在对滚珠丝杠副用於超精密定位的研究中，也采用压电陶瓷技术来控制预紧力Fpr。
这种具有柔性的CNC预紧力控制装置，具有以下特点：
（1）可直接准确的获得所需Fpr值，无需通过间接测量预紧转矩Tp再换算成Fpr。
（2）在满足伺服进给系统刚度和定位精度的前提下，避免过度的摩擦损耗，有助於延长产品使用寿命和提高能效。
（3）有助於改善系统的动态特征，刀具的寿命因进给平稳得到延。
（4）当滚珠丝杠副因长时间使用出现疲劳和滚道型变时，Fpr会出现波动，小波动可动态补偿，大波动可发出警报。
图9 Spindasyn复合驱动装置（AMK Arnld Mueller）
总之，CNC预紧力控制装置是对传统预紧方式的创新。当我们研制精密高速滚珠丝杠副和微动定位超精密滚珠丝杠副的高性能产品时，这是值得借鉴的方案。
产品的复合化、模块化使“功能”集成和扩展，能效更高
带光栅测量系统的滚动直线导轨副把直线运动的精确导向与位置自动控测集成为一体；集制动、准停、防震、阻尼等功能於一体的高速精密滚动直线导轨副，改善了高速运动时的阻尼特征，使运动平稳安全可靠；滚珠丝杠副的“螺母”与滚动直线导轨副的“滑块”，两件合二为一的线性模块（单轴，双轴），该模块的质量中心与驱动丝杠轴心重使传动平稳省力；滚珠丝杠副与滚珠一体，其丝杠轴与花链轴合二为一，既可实现往复直线运动，还可传递转矩，用於FMS生产自动线、加工中心自动换刀、装配机器人等场合；高速滚动直线导轨副与直线电机一体化的高速线性驱动装置等。
图10 预紧力控制系统
以上复合化、模块化的产品，除结构紧凑、占用主机空间小、功能扩展外，还是降低能耗、物耗、提高能效的绿色产品。
产品生命周期通过再制造得到延长
对於滚珠丝杠副而言，在确保制造质量和可靠性以及正确安装、使用的前提下，其额定寿命L10=106转，比普通滑动丝杠的寿命高6~10倍。选用优质钢材、优化热处理工艺、对滚道表面进行改质强化处理和超精密加工、以及采用绿色环保的密封、自润滑技术等都能延长产品的使用寿命。
对於正常工作情况下的疲劳磨损或因过载而局部受损的部分零件，可通过维修、补充加工、更换受损件等“再制造”方法，延长产品的生命周期，并使优质合金钢材得到充分利用。
在数控机床的各类功能部件中，滚动功能部件中的很多零件都具备可维修和再制造的有利条件，从而降低数控机床的维修成本，缩短再制造周期。
大家千万不要小看维修和再制造，在低碳经济时代，它已逐渐成为一个新兴的产业。
