专利名称：纳米级滚珠丝杠的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种纳米级滚珠丝杠。
背景技术：
1.滚珠丝杠(ball screw)滚珠丝杠副自1874年在美国获得专利至今已有100多年历史，在我国也有40多年的研制和生产历史。它的功能已从最初的“敏捷省能传动”(上世纪40～50年代)到“精密定位”(70年代～)，再从“大导程快速驱动”(80年代～)到“精密高速驱动”(90年代～)，在这过程中产品不断升级换代得到一次次质的飞跃。提高滚珠丝杠副的制造精度和定位精度始终是制造企业的不懈追求。上世纪60年代我国精密机床联合攻关为精密机床螺纹磨削技术奠定了坚实基础。北京机床研究所在上世纪80年代研制成功的螺纹磨削激光反馈导程误差自动校正技术以及80年代末期完成的大导程滚珠丝杠副“七·五”攻关，为提高大导程角内外圆弧螺纹的磨削精度找到有效工艺途径。“九·五”期间汉江机床有限公司研制成功的SK7432型2m全封闭CNC丝杠磨床、HJ031型CNC滚珠螺母磨床、SK7450型5m大型CNC丝杠磨床，为精密高速滚珠丝杠副的发展提供了关键工艺装备。我国与先进工业国家螺纹磨削技术水平的差距正日益趋近，滚珠丝杠副在CNC伺服进给系统中提高定位精度的校正技术也不断完善。
精密高速滚珠丝杠副作为“滚动化”的机械传动装置，虽然有许多优于一般传动装置的特性，但它的定位精度、驱动速度、加(减)速度有一个物理极限。为此，国内外有关制造厂不断采取措施，提高滚珠丝杠的高速性能。主要措施有(1)适当加大滚珠丝杠的转速、导程和螺纹头数，滚珠丝杠副的直线运动速度为丝杠导程与丝杠转速的乘积。提高丝杠转速对加大直线运动速度有利，但提高转速会加剧丝杠副的温升、热变形、振动和噪声，因此，丝杠转速的提高有一定的限制。(2)改进结构，提高滚珠运动的流畅性改进滚珠循环反向装置；改进滚珠螺母的结构；采用“空心强冷”技术(就是把恒温冷却液通入空心丝杠的孔中，对滚珠丝杠进行强制冷却，保持滚珠丝杠副温度的恒定。这个措施对提高中、大型滚珠丝杠高速性能和工作精度很有效)；可采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式。(3)进一步提高滚珠丝杠的制造质量。高速滚珠丝杠是一类特高精度的机械传动元件，不但要精心设计，更要精心制造。从原材料的选用、热处理方法、机械加工到装配，都要十分讲究。精加工和装配一般都在恒温车间进行，采用各种高精度的加工和测试设备(如高精度数控螺纹磨床、激光反馈螺纹磨床、滚珠丝杠副综合行程误差测量仪、予紧转矩测量仪等)进行制造，还可运用误差补偿技术进一步提高滚珠丝杠副的工作精度。
如今要实现高速进给可采用滚珠丝杠；直线电机；并联虚拟轴机构。总的说来，滚珠丝杠经高速化改进后，可继续用于中、低档的高速机床。高档的和中高档的高速加工中心和超高速机床，应该首选直线电机，它和电主轴一起，全面实现高速数控机床的“零传动”。用并联虚拟轴机构作为高速数控机床的新型进给系统，涉及整台机床布局的根本变革，问题比较复杂，只能逐步推进。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种纳米级滚珠丝杠。
纳米级滚珠丝杠依次具有纳米级驱动部件、丝杠、滚珠圆柱螺母，并由支撑座固定，在纳米级驱动部件上设有半导体制冷器、驱动面，纳米级驱动部件由驱动装置驱动。
本实用新型的优点1)一级、二级进给一体化。一级进给完成粗进给，快速接近运动目标，二级进给由纳米级驱动部件完成，控制进给量达到10nm精度，500kg的驱动力。二者可分步动作，也可同时动作。
2)散热与补偿一体化。在超精密加工领域，由热变形引起的误差占总的加工误差40％～70％，滚珠丝杠运转时产生大量的热量，纳米级驱动部件的创新思想在于改变传统方法中对热变形的被动补偿为主动进给，正是基于这一思想，驱动部件的原理是由热源或冷源功率的变化来控制变形体达到纳米级的进给。采用此结构的滚珠丝杠使纳米级驱动部件和滚珠丝杠融为一体，一级进给时通过半导体制冷器对丝杠降温，即可以提高一级进给的精度又可以减少丝杠传动时产生的热量对环境温度的影响，二级进给时，通过半导体制冷器功率的微弱变化使丝杠的长度纳米级增长或缩短。
3)对环境影响较小。因采用二级进给机构，第二级为纳米级，进给量较小，又因滚珠丝杠相对较长，所以只需微弱改变半导体制冷器的功率，就可以实现纳米级进给。
4)结构简单、安装方便。对于现有的滚珠丝杠应用场合不需要作结构性的修改即可使用。
图1是纳米级滚珠丝杠的三维结构图；图2是一端驱动的滚珠丝杠的三维结构图；图3是二级进给驱动装置构成框图；图4是应用于磨床结构原理简图；图中纳米级驱动部件1、丝杠2、滚珠圆柱螺母3、半导体制冷器5、工作台7、床身8、地面9、立柱10、导轨11、磨头体12、砂轮13、待加工零件14、隔热器件15；具体实施方式
纳米级滚珠丝杠依次具有纳米级驱动部件1、丝杠2、滚珠圆柱螺母3，并由支撑座4固定，在纳米级驱动部件1上设有半导体制冷器5、驱动面6，纳米级驱动部件1由驱动装置驱动。驱动装置由微处理器、电源、进给量设定装置、显示、打印机、半导体功率放大器、半导体制冷器和丝杠组成，其中微处理器分别与电源、进给量设定装置、显示、打印机、半导体功率放大器相接，半导体制冷器与丝杠相接。
1.纳米级驱动部件试验前进行了关键技术的理论验证由于金属材料普遍具有较大的抗压强度，所以应用于试验的纳米级驱动部件可由不同的金属材料充当，热源为半导体制冷器，只需改变电压就可以改变其加热和制冷以达到控制进给量的目的。在实验室施加大的驱动力装置采用杠杆原理设计，可以施加50kg、100kg、150kg、200kg、250kg、500kg等不同的进给力。
驱动部件金属材料为45#，热容量c＝486，热导率λ＝45，密度ρ＝7753，热交换系数α＝100，线膨胀系数αt＝0.00001159，试验方案框架由基于变形体的纳米级驱动部件、加力装置、高精度电感测头、WS16PC-VH采样接口卡、检测及控制计算机、驱动系统、执行机构组成。高精度电感测头分辨率为2nm，量程为80μm。
2.一体化滚珠丝杠滚珠丝杠副的制造直径80mm，导程10mm，精度0.05mm/300mm，螺纹长度1500m，丝杠总长度2500mm，其中纳米级驱动部件横截面为正方形(40×40mm)，其对称中心与丝杠的中心重合，如图1所示。滚珠丝杠的材料为cf-53调质硬度钢，表面硬度达HRC58-62，轴心处及滚珠丝杠两端经调质处理；滚珠螺母的材料为16MnCr5，返向器为内循环方式。(丝杠和螺母可以选择其它材料)双螺母采用销钉预紧或垫片预紧。图2为一端驱动的结构图，其中半导体制冷器是圆形。
滚珠丝杠的加工工艺方案一，车—铣—淬火—粗磨—精磨；方案二，轧—铣—淬火—磨(适合大批量，节省工时和费用)。
试验在恒温室的隔振台上进行，采用基于单值模型算法的双模态控制策略进行控制，通过大量的试验结果验证了在温度变化1.2℃时可以控制进给量的精度为10nm。
综上，采用基于单值模型算法的双模态控制策略进行控制，对图1和图2所示的两种结构进行了大量的试验，均得到了纳米级的控制效果。总结出该结构的特点(1)在加热开始阶段都有较长的延迟时间，存在明显的滞后现象，因此纳米级驱动部件工作时应该避免在这一阶段；(2)驱动部件的响应速度较慢，因此为提高进给效率采用二级进给方案；(3)工作阶段的延迟时间大大缩短，这是能够达到具有大进给力的纳米级进给精度的原因之一。正是基于以上三点决定了本实用新型在要求具有大进给力的纳米级定位精度而响应速度要求不高的准静态驱动装置中有广阔的应用前景。
3.应用实例将此滚珠丝杠应用于平面磨床来完成Z方向的进给，纳米级驱动部件可以在变形体温度场达到平衡之后工作，此时工作等待时间相对较长；也可工作在未平衡阶段，图4为应用于平面磨床的结构原理简图。
工作原理仍然保证原有磨床的工作原理，只是用新型滚珠丝杠取代了原有的滚珠丝杠。
工作过程将工件固定在工件台上，由滚珠丝杠的一级进给带动磨头体快速接近工件，当砂轮快要接近工件时，停止一级进给，启动纳米级驱动部件，达到的纳米定位精度。最后加工。
(概念区分)变形体的定义在纳米级驱动部件试验阶段，变形体就是试验件。一体化后滚珠丝杠针对第一级进给称为滚珠丝杠，而针对第二级进给称之为变形体，半导体制冷器通过对整个滚珠丝杠的加热和制冷使丝杠纳米级伸长或缩短。
权利要求1.一种纳米级滚珠丝杠，其特征在于它依次具有纳米级驱动部件(1)、丝杠(2)、滚珠圆柱螺母(3)，并由支撑座(4)固定，在纳米级驱动部件(1)上设有半导体制冷器(5)、驱动面(6)，纳米级驱动部件(1)由驱动装置驱动。
2.根据权利要求1所述的一种纳米级滚珠丝杠，具特征在于所说的驱动装置由微处理器、电源、进给量设定装置、显示、打印机、半导体功率放大器、半导体制冷器和丝杠组成，其中微处理器分别与电源、进给量设定装置、显示、打印机、半导体功率放大器相接，半导体制冷器与丝杠相接。
专利摘要本实用新型公开了一种纳米级滚珠丝杠。它依次具有纳米级驱动部件、丝杠、滚珠圆柱螺母，并由支撑座固定，在纳米级驱动部件上设有半导体制冷器、驱动面，纳米级驱动部件由驱动装置驱动。纳米级滚珠丝杠的驱动方法是一级进给由滚珠丝杠完成，同时通过半导体制冷器对丝杠降温，既可以提高一级进给的精度又可以减少丝杠传动时产生的热量对环境温度的影响，二级进给由纳米级驱动部件完成，通过半导体制冷器功率的微弱变化使丝杠的长度纳米级增长或缩短，控制进给量达到10nm精度的方法。本实用新型较传统结构滚珠丝杠最大优点就在于可以达到10nm的定位精度，驱动力可以达到500kg，结构简单，安装简便。
文档编号F16H25/20GK2651520SQ20032010900
公开日2004年10月27日 申请日期2003年10月15日 优先权日2003年10月15日
发明者胡旭晓, 李家赓 申请人:浙江大学