專利名稱：納米級滾珠絲杠及其驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米級滾珠絲杠及其驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
滾珠絲杠副自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”(上世紀40～50年代)到“精密定位”(70年代～)，再從“大導(dǎo)程快速驅(qū)動”(80年代～)到“精密高速驅(qū)動”(90年代～)，在這過程中產(chǎn)品不斷升級換代得到一次次質(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60年代我國精密機床聯(lián)合攻關(guān)為精密機床螺紋磨削技術(shù)奠定了堅實基礎(chǔ)。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(dǎo)程誤差自動校正技術(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。我國與先進工業(yè)國家螺紋磨削技術(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“滾動化”的機械傳動裝置，雖然有許多優(yōu)于一般傳動裝置的特性，但它的定位精度、驅(qū)動速度、加(減)速度有一個物理極限。為此，國內(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動速度為絲杠導(dǎo)程與絲杠轉(zhuǎn)速的乘積。提高絲杠轉(zhuǎn)速對加大直線運動速度有利，但提高轉(zhuǎn)速會加劇絲杠副的溫升、熱變形、振動和噪聲，因此，絲杠轉(zhuǎn)速的提高有一定的限制。(2)改進結(jié)構(gòu)，提高滾珠運動的流暢性改進滾珠循環(huán)反向裝置；改進滾珠螺母的結(jié)構(gòu)；采用“空心強冷”技術(shù)(就是把恒溫冷卻液通入空心絲杠的孔中，對滾珠絲杠進行強制冷卻，保持滾珠絲杠副溫度的恒定。這個措施對提高中、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)的傳動方式。(3)進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械傳動元件，不但要精心設(shè)計，更要精心制造。從原材料的選用、熱處理方法、機械加工到裝配，都要十分講究。精加工和裝配一般都在恒溫車間進行，采用各種高精度的加工和測試設(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量儀、予緊轉(zhuǎn)矩測量儀等)進行制造，還可運用誤差補償技術(shù)進一步提高滾珠絲杠副的工作精度。
如今要實現(xiàn)高速進給可采用滾珠絲杠；直線電機；并聯(lián)虛擬軸機構(gòu)?？偟恼f來，滾珠絲杠經(jīng)高速化改進后，可繼續(xù)用于中、低檔的高速機床。高檔的和中高檔的高速加工中心和超高速機床，應(yīng)該首選直線電機，它和電主軸一起，全面實現(xiàn)高速數(shù)控機床的“零傳動”。用并聯(lián)虛擬軸機構(gòu)作為高速數(shù)控機床的新型進給系統(tǒng)，涉及整臺機床布局的根本變革，問題比較復(fù)雜，只能逐步推進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種納米級滾珠絲杠及其驅(qū)動方法。
納米級滾珠絲杠依次具有納米級驅(qū)動部件、絲杠、滾珠圓柱螺母，并由支撐座固定，在納米級驅(qū)動部件上設(shè)有半導(dǎo)體制冷器、驅(qū)動面，納米級驅(qū)動部件由驅(qū)動裝置驅(qū)動。
納米級滾珠絲杠的驅(qū)動方法一級進給由滾珠絲杠完成，同時通過半導(dǎo)體制冷器對絲杠降溫，即可以提高一級進給的精度又可以減少絲杠傳動時產(chǎn)生的熱量對環(huán)境溫度的影響，二級進給由納米級驅(qū)動部件完成，通過半導(dǎo)體制冷器功率的微弱變化使絲杠的長度納米級增長或縮短，控制進給量達到10nm精度的方法。
本發(fā)明的優(yōu)點1)一級、二級進給一體化。一級進給完成粗進給，快速接近運動目標，二級進給由納米級驅(qū)動部件完成，控制進給量達到10nm精度，500kg的驅(qū)動力。二者可分步動作，也可同時動作。
2)散熱與補償一體化。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％，滾珠絲杠運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生大量的熱量，納米級驅(qū)動部件的創(chuàng)新思想在于改變傳統(tǒng)方法中對熱變形的被動補償為主動進給，正是基于這一思想，驅(qū)動部件的原理是由熱源或冷源功率的變化來控制變形體達到納米級的進給。采用此結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠使納米級驅(qū)動部件和滾珠絲杠融為一體，一級進給時通過半導(dǎo)體制冷器對絲杠降溫，即可以提高一級進給的精度又可以減少絲杠傳動時產(chǎn)生的熱量對環(huán)境溫度的影響，二級進給時，通過半導(dǎo)體制冷器功率的微弱變化使絲杠的長度納米級增長或縮短。
3)對環(huán)境影響較小。因采用二級進給機構(gòu)，第二級為納米級，進給量較小，又因滾珠絲杠相對較長，所以只需微弱改變半導(dǎo)體制冷器的功率，就可以實現(xiàn)納米級進給。
4)結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便。對于現(xiàn)有的滾珠絲杠應(yīng)用場合不需要作結(jié)構(gòu)性的修改即可使用。


圖1是納米級滾珠絲杠的三維結(jié)構(gòu)圖；圖2是一端驅(qū)動的滾珠絲杠的三維結(jié)構(gòu)圖；圖3是二級進給驅(qū)動裝置構(gòu)成框圖；圖4是應(yīng)用于磨床結(jié)構(gòu)原理簡圖；圖中納米級驅(qū)動部件1、絲杠2、滾珠圓柱螺母3、半導(dǎo)體制冷器5、工作臺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。
具體實施例方式
納米級滾珠絲杠依次具有納米級驅(qū)動部件1、絲杠2、滾珠圓柱螺母3，并由支撐座4固定，在納米級驅(qū)動部件1上設(shè)有半導(dǎo)體制冷器5、驅(qū)動面6，納米級驅(qū)動部件1由驅(qū)動裝置驅(qū)動。驅(qū)動裝置由微處理器、電源、進給量設(shè)定裝置、顯示、打印機、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、進給量設(shè)定裝置、顯示、打印機、半導(dǎo)體功率放大器相接，半導(dǎo)體功率放大器與半導(dǎo)體制冷器、絲杠相接。
1.納米級驅(qū)動部件試驗前進行了關(guān)鍵技術(shù)的理論驗證由于金屬材料普遍具有較大的抗壓強度，所以應(yīng)用于試驗的納米級驅(qū)動部件可由不同的金屬材料充當，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到控制進給量的目的。在實驗室施加大的驅(qū)動力裝置采用杠桿原理設(shè)計，可以施加50kg、100kg、150kg、200kg、250kg、500kg等不同的進給力。
驅(qū)動部件金屬材料為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，試驗方案框架由基于變形體的納米級驅(qū)動部件、加力裝置、高精度電感測頭、WS16PC-VH采樣接口卡、檢測及控制計算機、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)組成。高精度電感測頭分辨率為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，螺紋長度1500m，絲杠總長度2500mm，其中納米級驅(qū)動部件橫截面為正方形(40×40mm)，其對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)省工時和費用)。
試驗在恒溫室的隔振臺上進行，采用基于單值模型算法的雙模態(tài)控制策略進行控制，通過大量的試驗結(jié)果驗證了在溫度變化1.2℃時可以控制進給量的精度為10nm。
綜上，采用基于單值模型算法的雙模態(tài)控制策略進行控制，對圖1和圖2所示的兩種結(jié)構(gòu)進行了大量的試驗，均得到了納米級的控制效果?？偨Y(jié)出該結(jié)構(gòu)的特點(1)在加熱開始階段都有較長的延遲時間，存在明顯的滯后現(xiàn)象，因此納米級驅(qū)動部件工作時應(yīng)該避免在這一階段；(2)驅(qū)動部件的響應(yīng)速度較慢，因此為提高進給效率采用二級進給方案；(3)工作階段的延遲時間大大縮短，這是能夠達到具有大進給力的納米級進給精度的原因之一。正是基于以上三點決定了本發(fā)明在要求具有大進給力的納米級定位精度而響應(yīng)速度要求不高的準靜態(tài)驅(qū)動裝置中有廣闊的應(yīng)用前景。
3.應(yīng)用實例將此滾珠絲杠應(yīng)用于平面磨床來完成Z方向的進給，納米級驅(qū)動部件可以在變形體溫度場達到平衡之后工作，此時工作等待時間相對較長；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。
工作過程將工件固定在工件臺上，由滾珠絲杠的一級進給帶動磨頭體快速接近工件，當砂輪快要接近工件時，停止一級進給，啟動納米級驅(qū)動部件，達到的納米定位精度。最后加工。
(概念區(qū)分)變形體的定義在納米級驅(qū)動部件試驗階段，變形體就是試驗件。一體化后滾珠絲杠針對第一級進給稱為滾珠絲杠，而針對第二級進給稱之為變形體，半導(dǎo)體制冷器通過對整個滾珠絲杠的加熱和制冷使絲杠納米級伸長或縮短。
權(quán)利要求
1.一種納米級滾珠絲杠，其特征在于它依次具有納米級驅(qū)動部件(1)、絲杠(2)、滾珠圓柱螺母(3)，并由支撐座(4)固定，在納米級驅(qū)動部件(1)上設(shè)有半導(dǎo)體制冷器(5)、驅(qū)動面(6)，納米級驅(qū)動部件(1)由驅(qū)動裝置驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米級滾珠絲杠，其特征在于所說的驅(qū)動裝置由微處理器、電源、進給量設(shè)定裝置、顯示、打印機、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、進給量設(shè)定裝置、顯示、打印機、半導(dǎo)體功率放大器相接，半導(dǎo)體功率放大器與半導(dǎo)體制冷器、絲杠相接。
3.一種納米級滾珠絲杠的驅(qū)動方法，其特征在于一級進給由滾珠絲杠完成，同時通過半導(dǎo)體制冷器對絲杠降溫，二級進給由納米級驅(qū)動部件完成，通過半導(dǎo)體制冷器功率的微弱變化使絲杠的長度納米級增長或縮短，控制進給量達到10nm精度的方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米級滾珠絲杠及其驅(qū)動方法。它依次具有納米級驅(qū)動部件、絲杠、滾珠圓柱螺母，并由支撐座固定，在納米級驅(qū)動部件上設(shè)有半導(dǎo)體制冷器、驅(qū)動面，納米級驅(qū)動部件由驅(qū)動裝置驅(qū)動。納米級滾珠絲杠的驅(qū)動方法是一級進給由滾珠絲杠完成，同時通過半導(dǎo)體制冷器對絲杠降溫，即可以提高一級進給的精度又可以減少絲杠傳動時產(chǎn)生的熱量對環(huán)境溫度的影響，二級進給由納米級驅(qū)動部件完成，通過半導(dǎo)體制冷器功率的微弱變化使絲杠的長度納米級增長或縮短，控制進給量達到10nm精度的方法。本發(fā)明較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)滾珠絲杠最大優(yōu)點就在于可以達到10nm的定位精度，驅(qū)動力可以達到500kg，結(jié)構(gòu)簡單，安裝簡便。
文檔編號F16H25/20GK1525085SQ03151119
公開日2004年9月1日 申請日期2003年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月16日
發(fā)明者胡旭曉, 臺憲青, 李家賡 申請人:浙江大學