TWI398586B - 滾珠螺桿之熱變形調和螺桿 - Google Patents

Description

滾珠螺桿之熱變形調和螺桿

本發明係與滾珠螺桿有關，特別是指一種能預拉滾珠螺桿之熱變形調和螺桿。

按滾珠螺桿已廣泛地被應用於各種高精度的機台，隨著高精度機台的需求愈高，滾珠螺桿的各項精度要求也愈高，然而，由於該滾珠螺桿在高速運轉作業下，其螺桿會因發熱而使溫度上昇，因而產生螺桿的熱變形之現象，而螺桿的熱變形即會導致機台定位的漂移(俗稱為機台熱變位)，而使機台的定位精度不佳。

為減少該螺桿溫昇所導致的熱變形對機台所造成的影響，目前已有的因應螺桿之熱變形的改善方法有以下三種方式：

其一是預先熱機。在機台運作量產前，先快速空運轉一段時間(稱為熱機)後再進行量產，如此可以預先使螺桿的溫度上昇，後續螺桿溫度的再改變量就會比較少，以減少(或避免)加工過程中螺桿持續溫度上昇而產生熱變形而造成工件的尺寸誤差。但是，目前大家都在節能減碳，空運轉是耗時耗電而且不環保的，特別是滾珠螺桿的摩擦係數很低，在螺帽不受外力下，螺桿溫度上昇的速度並不快，而螺桿要達到穩定溫度所需的時間很長，因此，此方式特別耗時耗電，並不經濟。

其二是使用光學尺或磁性尺補正。由於該光學尺或磁性尺的成本高，且當機台的行程較長時，光學尺或磁性尺的製造困難度劇增，使光學尺或磁性尺的成本隨機台長度以指數式的增加，因此，此方式勢必造成大型機台的製造成本過高。

其三是對螺桿預先加予一個預拉力的設計。此方法雖然有減少熱變形影響機台精度的效果，但是目前的設計並不完善，在初始加工的過程中，螺桿隨著溫度的上升仍持續有熱變形產生，並且機台的定位仍會持續不斷的漂移，在開機後的半小時甚至一小時間內，工件雖比不預拉且不熱機的情形穩定，但尺寸仍會不斷的變化。目前的預拉方式只能減少螺桿熱變形對機台影響，並不能完全或幾近完全消除螺桿的熱變形影響。

因此螺桿的熱變形問題目前仍是機械領域的重要問題之一，實有加以研究改善及精進的需要。

本發明的目的在於提供一種滾珠螺桿之熱變形調和螺桿，其主要係減少該螺桿溫昇時螺旋部因為溫昇的變形，避免影響該滾珠螺桿運作時的精度。

緣是，為了達成前述目的，本發明所提供之一種滾珠螺桿之熱變形調和螺桿，適用組裝在具有一固定軸承座與一預拉軸承座的床台上，該螺桿為一能預拉之螺桿，並包含具有一固定端部、一反向於該固定端部的預拉端部以及一位於該固定端部與該預拉端部之間的螺旋部，該固定端 部係樞設於該固定軸承座，該預拉端部具有一預拉段，該預拉段係樞設於該預拉軸承座，且該預拉段的截面積大於該螺旋部的截面積。據此，該螺旋部於預拉後的拉伸應變大於該預拉段的拉伸應變，使螺桿在螺桿溫昇的過程中，螺旋部的熱應變增加量接近於其拉伸應變減小量，最佳時等於其拉伸應變減小量，而使螺旋部的總變形量(即熱應變加上拉伸應變)幾近不變，使機台減少或避免熱變位問題。更佳，其中該預拉段外徑大於該螺旋部外徑，以使該螺旋部於預拉後的拉伸應變大於該預拉段的拉伸應變，且具有較大的差異，以配合螺旋部溫昇明顯大於預拉段溫昇的情況。

較佳的，該固定端部區分為一固定段與一固定陽螺紋段，該固定段套設有軸承而樞設於該固定軸承座，該固定陽螺紋段螺設有一鎖定螺帽。

較佳的，該固定端部的外徑係小於該螺旋部的外徑。

較佳的，該預拉端部設有一預拉陽螺紋段，該預拉陽螺紋段螺設有一預拉螺帽。較佳的，該螺旋部具有一滾動溝，且供一螺帽可位移地套設，該螺帽具有一與該滾動溝形成一負荷路徑的滾動槽，且於該負荷路徑內設有複數個可滾動的滾動元件。

另外，使用本發明之熱變形調和螺桿可構成一種熱變形調和滾珠螺桿，包含： 一螺桿，為一能預拉之螺桿，並包含一固定端部、一反向於該固定端部的預拉端部以及一位於該固定端部與該預拉端部之間的螺旋部，該固定端部的外徑係小於該螺旋部的外徑，且該固定端部區分為一固定段與一固定陽螺紋段，該預拉端部區分為一預拉段與一預拉陽螺紋段，且該預拉段的截面積大於該螺旋部的截面積；一螺帽，其套設於該螺桿的螺紋段；複數滾珠，其設於該螺桿的螺旋部與該螺帽之間。

有關本發明為達成上述目的，所採用之技術、手段及其他之功效，茲舉一較佳可行實施例並配合圖式詳細說明如後。

為了解決螺桿的熱變位問題，首先對於螺桿預拉狀況下的變形情形，分析如下：預拉是在機台組裝時，從螺桿的軸向施以一拉力以拉伸螺桿，使螺桿軸在靜態下存在一個預先的拉伸應力，同時也產生一拉伸應變，在螺桿使用後產生溫昇時，前述的拉伸應變轉換為熱應變，並且降低拉伸應力。此過程即是利用“螺桿總應變等於拉伸應變加上熱應變”的原理，而使用一個預先的拉伸應變來抵銷熱應變的做法。

參閱第1、2圖，第1圖為螺桿預拉前的示意圖，而第2圖為螺桿預拉後的示意圖，其中該螺桿11為一能預拉之螺桿11，該螺桿11的固定端部111係樞設於固定軸承座12， 令該螺桿11的螺旋部113兩端點分別為A點與B點。由於A點和固定軸承座12之固定軸承121鄰接而被限制於固定軸承座12上，其相對於固定軸承座12不動，故可看成是一個相對於機台不移動的固定點，B點由於未被固定，故可能會有移動；另外，該螺桿11的預拉端部112係樞設於該預拉軸承座13上。請參閱第1圖及第2圖的B點，在螺桿預拉的過程中，B點向左側移動而更接近於預拉軸承座13，預拉端部112受到預拉螺帽15的拉力，而預拉螺帽15被預拉軸承座13及預拉軸承131的限制而不能向右移動，只要在仍有預拉力的情況下，預拉螺帽15即會相對於機台不動。因此，在有預拉的條件下預拉螺帽15相對於機台不動，而螺桿11的預拉端部112和預拉螺帽15螺合的區域可視為相對於機台不動。

承上述的分析，為了說明上的方便，定義在預拉後(第2圖)該預拉端部112上介於預拉螺帽15和預拉軸承131間的點為C點，則C點在有預拉的條件下相對於機台不動(假設固定軸承座12及預拉軸承座13都不移動)。因此，A點與C點間的距離在溫昇的過程中將維持不變，即兩端點B點與C點間的距離改變量及兩端點A點與B點間的距離改變量之總和，在螺桿溫度改變的過程中將可維持不變。

首先，比較預拉力所導致的拉伸應變。就拉伸應變而言，由於第1圖中之該螺旋部113的外徑D1係大於該預拉 端部112的外徑D2，且兩者為相同材質，彈性模數相同。因此，當該螺桿11受一預拉力時，由於該螺旋部113及該預拉端部112之B點與C點間所受的預拉力都相同，故螺旋部113上的應力及應變都小於該預拉端部112之B點與C點間的應力及應變，即：e(PAB)<e(PBC)。其中e(PAB)表示該螺旋部113(A點與B點間)受預拉力的應變，e(PBC)表示該預拉端部112上B點與C點間受預拉力的應變。

就熱應變而言，由於該螺桿11的材料熱傳係數高，而其表面是和空氣接觸，並且常有一層油膜絕緣，使其經由螺桿11本身的熱傳導的導熱速度係明顯高於螺桿11表面的熱對流導熱速度，因此，該螺桿11的螺旋部113與預拉端部112溫度變化不大；而且，由於該螺旋部113上之螺帽14會發熱，而熱量會傳到螺旋部113，故該螺旋部113的溫昇勢必高於該預拉端部112。因此，該螺旋部113的熱應變大於該預拉端部112，即：e(TAB)>e(TBC)。其中e(TAB)表示該螺旋部113溫升時的熱應變，e(TBC)表示該預拉端部112溫升時的熱應變。

是以，該螺桿11螺旋部113在螺桿11溫度上昇的過程中的總應變為e(TAB)-e(PAB)；該螺桿11預拉端部112的總應變為e(TBC)-e(PBC)，由於e(PAB)<e(PBC)且e(TAB)>e(TBC)，因此，e(TAB)-e(PAB)>e(TBC)-e(PBC)，據此，該螺桿11雖有預拉，但是在溫昇後該 螺桿11的螺旋部113仍然一定會膨脹而產生熱變位，最終影響該滾珠螺桿運作時的精度。

參閱第3圖，本發明實施例所提供的一種滾珠螺桿之熱變形調和螺桿，適用組裝在具有一固定軸承座31與一預拉軸承座32的床台30上，該螺桿40為一能預拉之螺桿40，並包含具有一固定端部41、一反向於該固定端部41的預拉端部42以及一位於該固定端部41與該預拉端部42之間的螺旋部43，其中：該固定端部41，其係位於該螺桿40的一端，且該固定端部41的外徑D3係小於該螺旋部43的外徑D4，此是為了方便軸承51的組裝；該固定端部41區分為一固定段411與一固定陽螺紋段412，該固定段411套設有二第一軸承51而樞設於該固定軸承座31，該固定陽螺紋段412螺設有一鎖定螺帽52，且該鎖定螺帽52靠抵於靠近該固定軸承座31外側的第一軸承51的外側面，以供鎖定。

該預拉端部42，其係位於該螺桿40的另一端，該螺桿40的預拉端部42區分為一預拉段421與一預拉陽螺紋段422，該預拉段421的截面積大於該螺旋部43的截面積，該預拉段421套設有一第二軸承53而樞設於該預拉軸承座32，該預拉陽螺紋段422螺設有一預拉螺帽54，且該預拉螺帽54靠抵於該第二軸承53的外側面，以供預拉。其中，該預拉陽螺紋段422的外徑可以和預拉段421相同， 如第3圖所示；也可設計成小於預拉段421外徑，如第4圖所示，以配合使預拉螺帽54靠抵於該第二軸承53的內環而不干涉第二軸承53的外環。

該螺旋部43具有一滾動溝431，且供一螺帽55可位移地套設，該螺帽55具有一與該滾動溝431形成一負荷路徑的滾動槽551，且於該負荷路徑內設有複數個可滾動的滾動元件56，以減少該螺帽55相對於該螺桿40運動的摩擦阻力。

以上所述即為本發明實施例各主要構件之結構及其組態說明。

至於本發明的設計原理及功效做以下的說明。

由於該螺桿40無論如何的設計改變，因為該螺桿40的螺旋部43係與螺帽55相互摩擦，且該螺帽55的熱會傳到該螺旋部43，使得該螺旋部43的溫昇恆高於該預拉段421，因此，該螺旋部43的熱應變大於該預拉段421的熱應變係為一無法改變的設計，是以，本發明特別將該預拉段421的截面積設計成大於該螺旋部43的截面積，使得當該螺桿40受一預拉力時，該螺旋部43的拉伸應變大於該預拉段421的拉伸應變，也因此在螺桿40溫昇時該螺旋部43所減少的拉伸應變會大於該預拉段421所減少的拉伸應變；換言之，當螺桿40溫昇時，該螺旋部43所增加的熱應變雖大於該預拉段421的熱應變，但是該螺旋部43在溫昇過程中 所減少的拉伸應變也大於該預拉段421，故使螺旋部43的總應變可維持不變。因此，本發明得以減少該螺桿40溫昇時該螺旋部43的熱變位，避免影響該滾珠螺桿運作時的精度。

值得一提的是，從材料力學的原理，該預拉段421截面積大於該螺旋部43截面積的設計中，其中該螺旋部43截面積的計算必須扣除該滾動溝431的區域，如第5圖所示。而其中該預拉段421外徑大於該螺旋部43外徑，以使該螺旋部43於預拉後的拉伸應變大於該預拉段421的拉伸應變，且具有較大的差異，以配合螺旋部43溫昇明顯大於預拉段421溫昇的情況。

綜上所述，本發明應用熱應變及拉伸應變的平衡及熱傳導的分析，而改善螺桿的熱變形問題，以上之實施例及圖示僅為本發明的較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化與修飾，皆應屬本發明專利涵蓋的範圍內。

《習知》

11‧‧‧螺桿

111‧‧‧固定端部

112‧‧‧預拉端部

113‧‧‧螺旋部

12‧‧‧固定軸承座

121‧‧‧固定軸承

13‧‧‧預拉軸承座

131‧‧‧預拉軸承

14‧‧‧螺帽

15‧‧‧預拉螺帽

D1‧‧‧外徑

D2‧‧‧外徑

《本發明》

30‧‧‧床台

31‧‧‧固定軸承座

32‧‧‧預拉軸承座

40‧‧‧螺桿

41‧‧‧固定端部

411‧‧‧固定段

412‧‧‧固定陽螺紋段

42‧‧‧預拉端部

421‧‧‧預拉段

422‧‧‧預拉陽螺紋段

43‧‧‧螺旋部

431‧‧‧滾動溝

51‧‧‧第一軸承

52‧‧‧鎖定螺帽

53‧‧‧第二軸承

54‧‧‧預拉螺帽

55‧‧‧螺帽

551‧‧‧滾動槽

56‧‧‧滾動元件

D3‧‧‧外徑

D4‧‧‧外徑

第1圖 係為滾珠螺桿組設於床台上螺桿預拉前的狀態圖。

第2圖 係為滾珠螺桿組設於床台上螺桿預拉後的狀態圖。

第3圖 係為本發明之螺桿組設於床台上之示意圖。

第4圖 係為本發明之螺桿組設於床台上另一實施例之示意 圖。

第5圖 係第3圖之線段5-5剖面的剖面圖。

30‧‧‧床台

31‧‧‧固定軸承座

32‧‧‧預拉軸承座

40‧‧‧螺桿

41‧‧‧固定端部

411‧‧‧固定段

412‧‧‧固定陽螺紋段

42‧‧‧預拉端部

421‧‧‧預拉段

422‧‧‧預拉陽螺紋段

43‧‧‧螺旋部

431‧‧‧滾動溝

51‧‧‧第一軸承

52‧‧‧鎖定螺帽

53‧‧‧第二軸承

54‧‧‧預拉螺帽

55‧‧‧螺帽

551‧‧‧滾動槽

56‧‧‧滾動元件

D3‧‧‧外徑

D4‧‧‧外徑

Claims (9)

1. 一種滾珠螺桿之熱變形調和螺桿，適用組裝在具有一固定軸承座與一預拉軸承座的床台上，該螺桿為一能預拉之螺桿，並包含一固定端部、一反向於該固定端部的預拉端部以及一位於該固定端部與該預拉端部之間的螺旋部，該固定端部係樞設於該固定軸承座，該預拉端部具有一預拉段，該預拉段係樞設於該預拉軸承座，且該預拉段的截面積大於該螺旋部的截面積。
2. 如申請專利範圍第1項所述之滾珠螺桿之熱變形調和螺桿，其中該螺旋部於預拉後的拉伸應變大於該預拉段的拉伸應變。
3. 如申請專利範圍第2項所述之滾珠螺桿之熱變形調和螺桿，其中該螺桿在溫昇的過程中，螺旋部的熱應變增加量接近於其拉伸應變減小量，而使螺旋部的總變形量幾近不變，使機台減少熱變位問題。
4. 如申請專利範圍第1項所述之滾珠螺桿之熱變形調和螺桿，其中該固定端部區分為一固定段與一固定陽螺紋段，該固定段套設有軸承而樞設於該固定軸承座，該固定陽螺紋段螺設有一鎖定螺帽。
5. 如申請專利範圍第1項所述之滾珠螺桿之熱變形調和螺桿，其中該預拉端部具有一預拉陽螺紋段，該預拉陽螺紋段螺設有一預拉螺帽。
6. 如申請專利範圍第5項所述之滾珠螺桿之熱變形調和螺桿，其中該預拉陽螺紋段外徑小於預拉段外徑。
7. 如申請專利範圍第5項所述之滾珠螺桿之熱變形調和螺桿，其中該預拉陽螺紋段外徑等於預拉段外徑。
8. 如申請專利範圍第1項所述之滾珠螺桿之熱變形調和螺桿，其中該螺旋部具有一滾動溝，且供一螺帽套設，該螺帽具有一與該滾動溝形成一負荷路徑的滾動槽，且於該負荷路徑內設有複數個可滾動的滾動元件。
9. 一種熱變形調和滾珠螺桿，包含：一螺桿，為一能預拉之螺桿，並包含一固定端部、一反向於該固定端部的預拉端部以及一位於該固定端部與該預拉端部之間的螺旋部，該固定端部的外徑係小於該螺旋部的外徑，且該固定端部區分為一固定段與一固定陽螺紋段，該預拉端部區分為一預拉段與一預拉陽螺紋段，且該預拉段的截面積大於該螺旋部的截面積；一螺帽，其套設於該螺桿的螺紋段；複數滾珠，其設於該螺桿的螺旋部與該螺帽之間。