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行星滚柱丝杠——有了高端部件,才有高端产品

2020-09-18 10:10:10

1、行星滚柱丝杠技术优势

行星滚柱丝杠是一种新型的直线运动单元,其作用是将伺服电机的旋转运动转变成伺服机构输出轴的直线运动,并把电机扭矩转换为伺服机构所需的驱动力,推动负载运动以满足伺服机构输出特性的要求。行星滚柱丝杠主要由丝杠、滚柱和螺母等部件组成。由于其具有大推力、高精度、高频响、高效率、长寿命等等突出优点,被广泛应用于航空航天、武器装备等军事领域和数控机床、工程机械等民用领域,将逐步取代滚珠丝杠成为直线伺服系统的零部件。

与传统的滚动功能部件滚珠丝杠相比,行星滚柱丝杠具有以下优点:

(1) 滚柱丝杠接触半径更大,按赫兹接触理论,其承载能力更大;当所有滚柱同时参与啮合时,接触点更多。所以与滚珠丝杠相比,在相同丝杠直径下承载能力提高6倍、相同负载下比滚珠丝杠节省1/3空间、寿命提高14倍、工作环境温度范围提高2倍,提升了刚度和抗冲击能力。

(2) 滚柱丝杠用滚柱的滚动摩擦代替滑动摩擦,与滚珠丝杠传动效率相当,润滑良好的情况下效率可达90%以上。

(3) 滚柱相对于螺母没有轴向运动,能够提供更高旋转速度和加速度,转速可达16000r/min,直线速度2m/s,加速度3g滚珠丝杠很难达到上述指标。

(4) 行星滚柱丝杠的导程与滚柱丝杠的节距成函数关系,导程可以小于0.5mm,而且导程可以设计为整数或小数,不需要减速齿轮来配比。

(5) 采用行星机构控制滚柱运动,不需要滚动件循环装置,且高速运转时产生的振动噪声较小。

(6) 可在恶劣环境下使用,滚动柱两端的直齿与安装在螺母内的内齿圈啮合,可以保证整个丝杠副的正常运转。

(7) 拆卸及维护方便,拆卸时可不拆下滚柱,直接将螺母旋出。

2、行星滚柱丝杠的应用现状分析

行星滚柱丝杠最早由瑞典人Carl Bruno Strandgren于1942年发明,该项技术自发明至今已经在国外逐步发展成为了较为成熟的系列产品,在军工和民用多个领域得到了推广应用。近些年,随着机械装备向高速、高精度、高可靠性和小型化的发展需求的日益增强,行星滚柱丝杠再一次受到了国内外相关行业的广泛关注。

国外已有多家公司具备制造多种结构形式行星滚柱丝杠的能力,如德国LTK,瑞士Rollvis,英国Power Jacks、瑞典SKF、美国Moog和Exlar以及日本NSK等。其中瑞士Rollvis是世界上著名的行星滚柱丝杠专业生产厂家,经过30年的发展,该公司产品市场占有率近40%,广泛应用于航空航天、机床、武器装备、机器人等行业,其产品的规格和种类较多,丝杠直径从3.5mm到150mm,导程从1mm到30mm,速度最高达到2m/s,在300mm的行程范围内定位精度可达6μm。此外,德国的LTK、瑞典的SKF和日本的NSK近年来也致力于行星滚柱丝杠的生产和研制,并推出了各自的产品型号。LIM-TEC公司的EXLAR电动伺服缸将行星滚柱丝杠与电机转子有机结合,将行星滚柱丝杠均布在主丝杠周围,装入空心转子中,保证与转子的同步,做成一体化伺服执行构件。

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国外将行星滚柱丝杠在航天、航空和武器装备等领域的多个场合进行了成功应用,如美国的战斗机F-35B上的起落架的电动作动器(EMA-Electromechanical Actuator)核心传动部件采用的就是行星滚柱丝杠,法国生产的客机A380的起落架也应用了行星滚柱丝杠,这两种机型上的行星滚柱丝杠分别由美国的MOOG公司和法国的GAS公司提供全程技术和服务支持。除此之外,还有美国鱼鹰战斗机和武装直升机上的悬挂发射装置均采用行星滚柱丝杠作为直线传动件。由于行星滚柱丝杠具有推力大、体积小、精度高的优点,美国也将其应用于导弹舵机的执行机构中。

国内对行星滚柱丝杠的设计及研制尚处于起步阶段。西北工业大学、华中科技大学、北京航空航天大学和南京理工大学的相关学者针对行星滚柱丝杠副的设计、性能分析和结构优化等进行了一定的研究。航天一院18所、汉中宏峰机械厂和扬州众孚传动科技有限公司对部分结构形式的产品进行了试制。但是国内研制的行星滚柱丝杠种类和型号少,不能批量化生产,产品的一致性差,且研制的产品性能比国外的产品差距较大。哈尔滨工业大学团队设计的行星滚柱丝杠解决了上述国内产品的缺陷,设计理论基础研究完善,设计与加工能有机结合。是目前国内一家能解决行星滚柱丝杠精准设计的团队。

3、行星滚柱丝杠应用领域

(1)装备领域中的典型应用

行星滚柱丝杠在航天飞行器姿态控制、导弹发射架姿态控制、坦克炮杆随动系统和起落架收放等方面的应用。英国国防部(Ministry of Defence)及皇家海军海军研制了用于水面舰船及潜艇控制的某电动装置。操纵机构采用折返式连接形式,体积小,布置方便。通过在某型护卫舰上进行试验和测试,证明其具有噪声低、可靠性高、维护简单和耗能少等优点。美国F35B战斗机起落架为电动作动器起落架,由美国MOOG公司供全套系统。电动作动器的机械传动系统核心元件采用的是行星滚柱丝杠。行星滚柱丝杠具有高轴向承载能力、很强的冲击能力、高速度、寿命长、体积小等卓越优点,所以在军品领域被广泛应用。

(2)民用领域中的典型应用

在通用自动化设备方面,行星滚柱丝杠电动缸也有广泛应用。例如,在地毯网布编制设备中,利用行星滚柱丝杠电动缸易于精确位置控制的特点,完成灵活多变的图案设计及编制加工。在能源及控制行业中,行星滚柱丝杠电动缸常用于调节阀控制和辅助设备举升等应用场合。在测试仿真及娱乐设备行业中,典型应用包括动感座椅、产品测试、模拟器及娱乐等。汽车工业方面,主要是以引进美国EXLAR产品为主,应用在压装、装配和焊接等生产线上;丰田公司已经将行星滚柱丝杠应用到汽车ABS系统替代原有液压系统ABS简化了系统,同时提高了系统的可靠性。除了上述应用场合之外,行星滚柱丝杠在数控机床、食品包装、医疗器械、特种机械、精密注塑机、石油化工业等方面应用广泛,其中美国的Moog和Exlar已将行星滚柱丝杠用于EMA的执行机构,欧洲在1000t大型电动注塑机上应用行星滚柱丝杠效果良好。

4、技术先进性和创新性

(1)建立了行星滚柱丝的数学理论模型,从基础理论、传动啮合原理入手,进行行星滚柱丝杠的系列产品设计及优化获得理论性突破。其具有大推力、高精度、高频响、高效率、长寿命等优点,弥补国内空白。同时可以针对航天、航空、军工对产品的要求,进行有针对的设计。

(2)行星滚柱丝杠属于精密线性传动装置,进行了机械加工工艺、设备设计,突破了螺纹加工精度及与齿轮精确相位关系技术难点。进行专用装配工艺及设备的开发,解决了“精密螺纹行星机构”复杂结构的装配技术难点。

(3)形成了精密螺纹行星机构进行力学传动过程中的摩擦、润滑、热分析的理论体系。系统的建立了其在大推力下接触、摩擦的模型,针对的解决了其中润滑问题。

团队具有多年在摩擦、润滑方面的技术团队,解决精密行星滚柱丝杠的润滑难题,成功的解决了行星滚柱丝杠在高速旋转过程中的发热问题。团队有进行振动领域研究多年的教授专家,针对性的解决了行星滚柱丝杠的振动问题,保证了行星滚柱丝杠传递运动的平稳性。


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