2.3 滾珠導螺桿與螺帽

第二章 不考慮機台時之進給系統溫昇熱位移測 與分析

2.1 前言

近年來由於三 C 產業的蓬勃發展，模具加工的技術需求愈來愈 高，在「質」與「量」兩方面都需要有大量的提升，方足以因應市場 的需求。因此，國內外大廠莫不往「高速化」來發展，藉由轉速、進 給速度的來達到「快速」與「精準」的目標，因此高速化可說為近幾 年立式切削中心機技術發展的重要趨勢。然而高速加工雖可產生許多 效益，但其快速運動所產生的大量熱源及其伴隨而來的熱位移，都可 能對最終工件的精度造成相當程度的影響。因此，進給軸溫升熱位移 測試之目的在於探討三個方向的進給軸因運動所產生的熱源對立式 切削中心機精度的影響。

2.2 進給系統簡介

本研究以立式切削中心機為研究對象，針對 Y 軸於來回全行程與 搖擺式（摸擬加工狀態）兩種狀態下，進行溫升熱位移量測，並且量 測滾珠導螺桿之螺帽與軸座的溫升，比較有來回全行程與搖擺式（摸

擬加工狀態）兩種狀態的溫升熱位移之關係。另外測試滾珠導螺桿預 拉時的影響，而滾珠導螺桿預拉目的如下:

　 1.抑制滾珠導螺桿熱膨脹。

　 2.增加滾珠導螺桿軸向剛性。

　 3.防止滾珠導螺桿彎曲。

立式切削中心機進給機構機械傳動系裝置的主要元件，可包括支 撐軸承、滾珠導螺桿與螺帽、聯軸器與驅動平台，以下針對上述構成 元件的功能與需求及設計重點加以說明:

2.3 滾珠導螺桿與螺帽

滾珠導螺桿亦稱為球螺桿，導螺桿...等，其包含螺桿、螺帽、

循環系統及鋼珠。滾珠導螺桿為立式切削中心機和精密機械上最常使 用的傳動元件。滾珠導螺桿與螺帽主要是將馬達的旋轉運動轉換成運 動軸直線運動的元件，也是進給系統中影響移動件速度的主要關鍵元 件。若與傳統利用螺桿與螺帽之間滑動面接觸來傳動的方式比較，則 利用滾動點接觸的滾珠導螺桿，有較小的摩擦力可使被驅動體精確及 快速的做極小位移，其驅動力約為傳統螺桿的 1/3 左右，因此機械效 率較高。與螺桿配合的螺帽，亦可分成單螺帽與雙螺帽兩種，且在製

作過程中加有預壓，可消除軸向背隙且降低因軸向力造成的彈性位 移，亦可改善滾珠導螺桿剛性(避免失步)。為了得到高速低慣量的需 求，滾珠導螺桿的導程與導程/直徑比也都越來越大。另外。馬達轉 速也相對提高，以達需求。但相對的，轉速提高也增加了滾珠導螺桿 的溫升與熱位移，而造成定位精度不良。因此，為降低因轉速提高所 衍生的精度問題，可使用軸座冷卻軸承，利用循環的冷卻液將熱量帶 走，以抑制伺服馬達所產生的熱傳導至滾珠導螺桿而影響熱位移誤 差。

2.3.1 雙螺帽預壓方式

此預壓藉由兩螺帽間之預壓片產生（如圖 2.1 所示）。"拉伸預 壓"是由過大的預壓片有效的擠壓分開螺帽。"壓縮預壓"是由過小預 壓片，再以螺栓將兩螺帽拉在一起。

圖 2.1 以預壓片尺寸調整預壓方式

2.3.2 單螺帽預壓方式

單螺帽有兩種預壓方式其中一種稱為"過大鋼珠預壓方式"。此種方式 內容的鋼珠比珠槽空間大(過大鋼珠)使鋼珠產生 4 點接觸（如圖 2.2 所示）。另一種稱為"導程偏移預壓方式"（如圖 2.3 所示）。在螺帽節 距上有δ值的偏移。這種方式用來取代傳統雙螺帽預壓方式，並在較短 螺帽長度及較小預壓力下擁有較高剛性。然而此方式不適用於太高預壓 力。最好將預壓量設計在 5﹪動負荷以下。

圖 2.2 以鋼珠尺寸調整預壓方式

圖 2.3 以導程偏移調整預壓方式

2.4 支撐軸承

滾動軸承為支撐立式切削中心機進給系統中滾珠導螺桿最為重 要元件之一，必須要正確選擇與調整才能獲得滿意的性能。滾珠導螺 桿為一長跨距的旋轉軸，而邊界的條件決定了其挫曲負荷(Buckling Load) （如圖 2.4 所示）及臨界轉速(Critical Speed)（如圖 2.5 所示）。所以進給系統特性的好壞與軸承安裝方式有重要關係，大致 可分成如四種。其中以兩端固定的支撐方式剛性最高（如圖 2.6 所 示），亦可對滾珠導螺桿做預拉安裝以消除熱位移。若熱位移量超過 預拉值，滾珠導螺桿無法做軸向位移，如此將使支撐軸承螺桿承受更 大的負荷。因此，有部分廠商將如圖 2.7 所示的支撐方式用深溝軸承 或斜角軸承代替原有支撐端之支持方式。這樣，不但可提高剛性，亦

可對其滾珠導螺桿做預拉行為，所以滾珠導螺桿因熱位移所造成的膨 脹伸長問題亦可獲得改善，但是整體剛性值不如兩端固定的支撐方 式。

圖 2.4 軸徑和安裝距離相對於挫屈負荷之關係

圖 2.5 軸徑和安裝距離相對於臨界轉速之關係

圖 2.6 兩端固定

圖 2.7 一端固定另一端支撐

圖 2.8 兩端支撐

圖 2.9 一端固定另一端自由

2.5 聯軸器

聯軸器是將伺服馬達與滾珠導螺桿兩同軸線在直接傳動下作相 聯結的元件，使得伺服馬達可以準確將速度與位置精確的轉換於移動 件上，但由於伺服馬達與滾珠導螺桿兩中心軸線，很難真正同心或重 合。所以，以撓性聯軸器作為伺服馬達與機械(負荷)傳動的橋樑，可 以有效的吸收安裝時所產生的如偏心、偏角及軸間隙等誤差及運轉中 產生的震動，達到保護伺服馬達及機械的功能，以減少運轉時的不正 常現象。因此大多聯結裝置並無法使用剛性聯軸器聯接

，均是利用撓性聯軸器加以接合。

2.6 光學尺

光學尺是編碼器的一種，即是將量測時所得到的類比信號轉換成 數位的編碼信號。工作原理係使用一支帶透光與不透光的光柵玻璃主 尺及相同柵距光柵的玻璃副尺，以光源照射光柵玻璃主尺及玻璃標示 尺，並以光偵測模組收集光訊號，當光柵主、副尺相對移動時，通過 之光訊號產生週期性正弦波訊號，且輸出訊號週期與光柵尺之柵距相 同，再經由電子計數器數出主、副光柵相對移動的距離，即可量測立

2.7 滾珠導螺桿溫昇熱位移實驗設備

在溫度量測方面，本研究使用熱電偶(thermocouple)，其優點體 積小、容易架設且輸出為電壓訊號，故適合量測滾珠導螺桿表面之螺 帽與軸座溫度。滾珠導螺桿熱位移量測方面，本研究將採用渦電流式 位移計，渦電流式位移計解析度可達 0.1μm，故可精確的量測到滾 珠導螺桿因熱所產生的熱位移量。