滾珠絲杠自1874年在美國獲得專利至今已有100多年歷史，在我國也有40年的研制和生產歷史。它的功能已從最初的“敏捷省能傳動”(上世紀40～50年代)到“精密定位”(70年代～)，再從“大導程快速驅動”(80年代～)到“精密高速驅動”(90年代～)，在這過程中產品不斷升級換代得到一次質的飛躍。
      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。筆者認為:驅動線速度達到60mm/min以上，加(減)速度在0.5～1.5g，精度達到國家標準GB/T18587.1～3(eqv ISO3408)中的②級、①級或更高，性能指標達到設計要求者，就可稱之為精密高速滾珠絲杠副。
      傳統意義的精密滾珠絲杠副，只要求定位精度不要求速度。而導程角f>9°～17°的大導程和超大導程滾珠絲杠副，它雖然可實現100m/min以上的高速驅動，但由于精度只能達到國家標準3級以下，因此只能用在不要求精密定位的一般機械上。

1 精密高速滾珠絲杠的發展動態

      當前，數控機床的高速化不斷推動精密高速滾珠絲杠的發展。
      最早將“空心強冷”技術用于精密高速滾珠絲杠副的日本NSK公司，1998年推出用于高速數控機床的NZC、NZF和NDF系列高速滾珠絲杠副產品，直徑Ø36～55mm，導程16～30mm，d0n值150000，最高線速度100m/min，加速度1.3g，雙頭螺紋。為了增強絲杠軸的抗振能力，該公司發明了在中空絲杠孔內配置“內藏減振阻尼器”的專利技術，使臨界轉速Nc和d0n值進一步提高，用較簡便的辦法實現低成本提速，而且把行程范圍擴大到4m以上，可實現長行程高速驅動。據介紹該公司在試驗室已能使d0n值達到200000。我國臺灣PMI銀泰科技公司在空心強冷技術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(臺灣專利107485)，其特點是改變冷卻液在絲杠體內的循環方式，達到更好的制冷效果，而且結構簡單，當線速度為100m/min時可使溫度變化控制在1℃內。該公司在CIMT'2001上展出FSW、FDW系列雙頭、多頭高速滾珠絲杠產品及噪聲測量裝置，該產品d0n值130000～140000，線速度100～120m/min，噪聲73dB(A)(80m/min時)，76dB(A)(100m/min時)。日本MaKino公司開發的電子冷卻器控制系統可適時監控滾珠絲杠的溫升，使其保持在允許范圍內。
為了提高d0n值，改進滾珠循環返向裝置和滾珠鏈的流暢性成為人們關注的焦點。

三種滾珠鏈工作時受力狀態的比較圖

 

(a) 采用三維型導珠管，沿內螺紋的導程角f方向插入滾珠螺母體內并與滾道相切(而不是相交)，三維導珠管順利導引滾珠流暢地出入循環返向裝置，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，還能潤滑滾動體、延長工作壽命。右圖為三種滾珠鏈工作受力狀態之比較。采取上述兩項措施使動態轉矩更趨平滑，噪聲降低5～8dB(A)。日本TNK的SBN系列，NSK公司的SI系列，臺灣PMI的E型滾珠回流系統等均采取了上述措施。SBN系列直徑Ø32～50mm，導程10～20mm，d0n值130000，0>78m/min，加速度1g。

(c) 為了擺脫循環返向三種滾珠鏈工作時受力裝置對d0n值的制約，近年狀態的比較圖出現了無返向裝置的滾珠絲杠副。例如在滾珠螺母內配置封閉槽的滾珠螺旋傳動裝置和“GHF滾動環螺副裝置”(我國專利CN1210950A)，以及帶圓柱形保持架的滾珠絲杠——螺母傳動裝置(德國專利DE3308149)等。這類結構尚處于研發期，它更適用于高速、輕載的場合。
      提高滾珠絲杠的制造精度和定位精度始終是制造企業的不懈追求。上世紀60年代我國精密機床聯合攻關為精密機床螺紋磨削技術奠定了堅實基礎。北京機床研究所在上世紀80年代研制成功的螺紋磨削激光反饋導程誤差自動校正技術以及80年代末期完成的大導程滾珠絲杠副“七·五”攻關，為提高大導程角內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展提供了關鍵工藝裝備。我國與先進工業國家螺紋磨削技術水平的差距正日益趨近。滾珠絲杠副在CNC伺服進給系統中提高定位精度的校正技術也不斷完善。
      小慣量滾珠螺母主傳動技術趨于成熟并商品化。德國INA公司與Karlsruhe大學合作研制成功滾珠螺母高速旋轉驅動裝置，由于絲杠固定不轉，避開了細長絲杠高速旋轉帶來的問題，驅動速度可達120m/min，加速度3g。該傳動裝置用于并聯機床的P關節，可避免并聯機構由于自身重量輕、阻尼小而帶來絲杠高速旋轉時的振動。德國“Rexroth-Star”公司2年前推出MHS40 drive Unit空心軸電動機滾珠絲杠副，直徑Ø40mm，導程5、10、12、16、20、40mm共六種規格。其特點是空心AC伺服的轉子與滾珠螺母剛性連接，在固定的絲杠上的n=3000r/min轉速旋轉同時進行高速直線驅動，Vmax=120m/min，借助位置反饋系統可獲得高的定位精度。這種機電一體化產品大大簡化了機械結構，具有慣量小、速度快、行程范圍大等優點，已在高速加工中心上應用，具有較好的性能價格比。日本NSK公司已推出小慣量螺母旋轉NDT系列產品，直徑Ø32～50mm，導程20～50mm，轉動慣量減小12%～21%，d0n值100000。在CCMT2002(上海)中國數控機床展覽會上，臺灣HIWIN上銀科技公司推出螺母旋轉式RI系列高速滾珠絲杠副，包括(名義直徑×導程)16mm×16mm、20mm×20mm、25mm×25mm、32mm×32mm、40mm×40mm五個規格。
      既節能又環保，貫徹ISO14001國際環境標準受到重視。21世紀的制造業，在向自動化、智能化、高速化發展的同時，必須把節能和環保放在重要位置。國外不少企業為了解決高速運轉時潤滑劑的霧化、蒸發對環境的污染及廢油的回收問題，積極開展潤滑、密封、防塵、防腐等方面的研究，NSK、THK、HIWIN、PMI等公司都先后推出防塵、自潤滑、免維護新技術。例如:THK公司推出采用高含油率、高密度纖維網的“QZ自潤滑裝置”，NSK公司推出“NSK-K1”潤滑裝置等。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展會上推出的“Cool type1”精密高速滾珠絲杠新產品，d0n值高達200000。

2 與直線電動機方式的比較與選擇

 
      精密高速滾珠絲杠作為“滾動化”的機械傳動裝置，雖然有許多優于一般傳動裝置的特性，但它的定位精度、驅動速度、加(減)速度有一個物理極限，按目前的技術水平，最高驅動速度≤120m/min，最大加速度<3g，制造精度1級(ISO3408)，而且行程有限。
      自從1993年漢諾威歐洲機床展覽會(EMO)上德國Ex-Cell-O公司首次推出采用直線電動機的XHC240臥式加工中心以來，采用直線電動機的高速數控機床的數量逐年增加。業內人士指出:直線電動機作為一種機電系統，將機械結構簡化，電氣控制復雜化，是符合現代機電技術的發展趨勢的。
      于是，在高速、超高速線性伺服進給系統中出現兩種截然不同、滿足不同檔次需要的驅動方式。
      不同使用對象的高速數控機床，按照所要求的合理的進給速度、加(減)速度、定位精度以及工作條件、生產批量、性能價格比等因素選擇不同的驅動方式，見表2。

      近年來在工程界刊物上，有不少論述數控機床高速化及其關鍵技術的文章在對直線電動機進行介紹時，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，遠遠不能滿足高速加工的要求”，“很難有太大的改進”等。筆者認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踐檢驗才能作出更正確的判斷。
      直線電動機的優點是十分明顯的，但在設計選用時需要認真分析以下問題:在軸向推力相同的情況下應對兩種驅動方式的傳動效率和功率消耗作比較：直線電動機的法向磁力大約是軸向推力的10倍，它對滾動直線導軌以及周邊環境帶來多大影響，如何消除這些影響：切削力變化時閉環控制系統的穩定性能否妥善解決：與之配套的電主軸、防護裝置、快速換刀系統、冷卻裝置、刀具壽命等是否能同步解決：投入和產出的經濟評估等等。
      進入21世紀伊始，在地球資源有限、環境惡化已不容忽視的今天，可持續發展將是人類社會進步的唯一選擇。根據我國國情，機械工業在向自動化、智能化、高速化發展中必須把節能、環保、降低成本放在同等位置來考慮。近年國外不少學者研究了直線電動機的經濟性和最佳使場合。這樣的研究是十分必要的，有助于用戶合理選用。
      據國外有關專業人士指出，在數控機床中使用直線電動機的最佳場合是:“工件批量越大，所需的定位運動越多，所需要的進給速度越高，加速次數越多，就越值得采用直線電動機機床”。例如:在汽車工業、航空工業、宇航工業中對復雜型面的輕合金零件的高速切削加工中，高速、超高速數控機床用直線電動機驅動是最佳選擇。至于一般中等速度、中檔數控機床、重切削或斷續切削工作條件，選用哪種驅動方式則視加工對象、生產批量和性能價格比等因素進行總體評估后，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

      線性伺服進給系統的高速化是一個系統工程，系統中每個環節都要滿足高速傳動的要求。
      滾珠絲杠副進給系統的最大加工速度與系統的轉動慣量成反比，為了提高加速度，應對系統進行有限元分析及CAD優化設計，在滿足動、靜剛度的前提下，減少零件數量、優化零件參數并使其高強度、輕量化。
      要同時選用與精密滾珠絲杠副匹配的高速滾動直線導軌。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200m/min以上。德國INA公司的腰鼓形滾柱直線導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床上的安裝精度，它對提高臨界轉速Nc、定位精度，改善高速運轉時的平穩性，減小噪聲等都起著不可忽視的作用。絲杠兩端采用預拉伸高剛度支承結構，要嚴格保證絲杠兩端支承與滾珠螺母的中心“三點同軸”。應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安裝高速精密滾珠絲杠副，是提高伺服進給系統在高速時的穩定性，改善動態特性的有效措施。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的EV33立式高速加工中心等都采用了雙電動機雙絲杠的驅動方式。
      要在伺服進給系統中配置制動裝置、柔性緩沖器、垂向傳動時的自鎖器等。
      在選購和驗收精密高速滾珠絲杠時，要與一般大導程滾珠絲杠區別開來，并要求制造商提供訂購產品的工作速度、加速度、精度、噪聲、溫升等檢測數據。若使用Si3N4陶瓷球，應查看Si3N4陶瓷球的精度、硬度、表面粗糙度、壓饋負荷的檢驗證書。若選用空心強冷絲杠，還應查看深孔的直線度，與外圓的同軸度的檢驗結果。為了確保高速運轉時的可靠性，還應查看絲杠軸、螺母、循環返向裝置的原材料及熱處理檢驗報告。
      我國已加入WTO，經濟全球化、市場國際化使精密高速滾珠絲杠副的發展面臨機遇和挑戰。沖破國外禁賣的約束，國產精密高速滾珠絲杠副將為我國數控機床的高速化作出貢獻。