滚珠丝杠螺母副的故障诊断与维修

孙 鹏

（岳阳职业技术学院，湖南 岳阳 414000）

现代数控机床的各直线轴多采用滚珠丝杠螺母副传动，滚珠丝杠螺母副的传动精度直接影响到数控机床的运行精度和加工品质。滚珠丝杠螺母副的相关故障会导致数控机床出现定位精度下降，反向间隙过大，机械爬行，噪音过大，刚性不足等故障现象，影响机床的正常使用。所以，及时排除因滚珠丝杠螺母副所产生的故障，是保证数控机床正常运行及加工品质的重要环节。

1 滚珠丝杠概述

1.1 滚珠丝杠的性能

滚珠丝杠的性能要求十分严格，其要求传动可靠性高，不易磨损，可长期无故障运行，还须传动灵敏，运行精度高，不易产生爬行。同时，传动效率要高，运行平稳，一般为η=0.92~0.96，在施加预紧力后，可消除轴向间隙，在反向时无空行程。但是，其缺点是不能自锁，垂直安装时需有平衡装置。

1.2 滚珠丝杠的结构

（1）按滚珠丝杠的传动形式可分为丝杠转动传动和螺母转动传动。

丝杠转动是指：丝杠转动，螺母固定在工作台上。丝杠旋转推动螺母，螺母带动工作台做往复运动。一般我们常见的都是这种类型的安装方式。

螺母传动是指：丝杠被固定，螺母通过轴承固定在工作台上，伺服电机带动螺母旋转，螺母沿丝杠做轴向运动，进而带动工作台运动。这种传动方式一般用于丝杠较长的机床上，防止丝杠因刚性不足而产生震动和变形。

（2）按滚珠丝杠螺母结构可分为：内循环和外循环两种方式。

外循环方式的滚珠丝杠螺母由丝杠、滚珠、回珠管和螺母组成。与内循环方式的主要区别在于，螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。

内循环方式的滚珠丝杠螺母结构关键是在螺母的侧孔中装有圆柱凸轮式反向器，反向器上铣有S形回珠槽，将相邻两螺纹滚道连接起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。

1.3 滚珠丝杠的工作原理

这里我们只简述外循环滚珠丝杠的工作原理，内循环滚珠丝杠的工作原理与其类似。如图1 所示，外循环滚珠丝杠由丝杠1、滚珠2、回珠管3 和螺母4组成。在丝杠1 和螺母4 上各加工有圆弧形螺旋槽，将它们套装起来便形成了螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠2。当丝杠相对于螺母旋转时，丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时，滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。滚珠通过回珠管从一端重新回到另一端。

图1 外循环滚珠丝杠

2 滚珠丝杠主要故障及原因

因滚珠丝杠传动系统在数控机床各机构中实际运行最为频繁，各零部件经常产生机械磨损和润滑不良，因而，常常出现定位精度下降，反向间隙过大，机械爬行，轴承磨损严重，噪音过大等故障。当这些故障出现时就要我们对此做出正确的诊断，才能及时修复设备。滚珠丝杠在运行中产生的故障现象主要可以分为2 类，其具体原因如下。

2.1 反向间隙大，定位精度差，加工零件尺寸不稳定

滚珠丝杠螺母副及其支撑系统由于长时间运行产生的磨损间隙，将直接影响数控机床的传动精度和刚性。一般故障现象有：反向间隙大、定位精度不稳定等。根据磨损具体产生的位置，故障原因可细分为以下几类：

（1）滚珠丝杠支撑轴承磨损或轴承预加负荷垫圈配的不合适。

（2）滚珠丝杠双螺母副产生间隙，滚珠磨损。（3）滚珠丝杠单螺母副由于磨损产生间隙。（4）螺母法兰盘与工作台之间没有固定牢，产生间隙。

2.2 滚珠丝杠副运动不平稳，噪音过大

这种故障现象主要因一些人为原因产生，具体如下：

（1）伺服电机驱动参数未调整好。（2）丝杠丝母润滑不良。

3 检测与维修

滚珠丝杠所产生故障是多种多样的，没有固定的模式。有的故障是渐发性故障，要有一个发展的过程，随着使用时间的增加越来越严重；有的是突发性故障，一般没有明显的征兆，这种故障是各种不利因素及外界共同作用而产生的。所以通过正确的检测来确定真正的故障原因，是快速准确维修的前提。

3.1 滚珠丝杠螺母副及支撑系统间隙的检测与修理

当数控机床出现反向误差大，定位精度不稳定，过象限出现刀痕时，首先要检测丝杠系统有没有间隙。检测的方法是:用百分表配合钢球放在丝杠的一端中心孔中，测量丝杠的轴向窜动，另一块百分表测量工作台移动；正反转动丝杠，观察两块百分表上反映的数值，根据数值不同的变化确认故障部位。

（1）丝杠支撑轴承间隙的检测与修理

如测量丝杠的百分表在丝杠正反向转动时指针没有摆动，说明丝杠没有窜动；如百分表指针摆动，说明丝杠有窜动现象，该百分表最大与最小测量值之差就是丝杠的轴向窜动的距离。这时，我们就要检查支撑轴承的背帽是否锁紧，支撑轴承是否已磨损失效，预加负荷轴承垫圈是否合适。如果轴承没有问题，只要重新配做预加负荷垫圈就可以了。如果轴承损坏，需要把轴承更换掉，重新配做预加负荷垫圈，再把背帽背紧。丝杠轴向窜动大小主要在于支撑轴承预加负荷垫圈的精度。丝杠安装精度最理想的状态是没有正反间隙，支撑轴承还要有0.02 mm 左右的过盈。

（2）滚珠丝杠双螺母副产生间隙的检测与维修

通过检测，如果确认故障不是由于丝杠窜动引起的，那就要考虑是否是丝杠螺母副之间产生了间隙，这种情况的检测方法基本与检测丝杠窜动相同，用百分表测量与螺母相连的工作台上，正反向转动丝杠，检测出丝杠与螺母之间的最大间隙，然后进行调整。

方法如图2 所示，调整垫片4 的厚度，使左右两螺母1、2 产生轴向位移，从而消除滚珠丝杠螺母副间隙和产生预紧力。因丝杠螺母副的结构不同，所以调整方法也不同，这里不一一列举。

图2 丝杠螺母副间隙调整

（3）单螺母副的检测与维修

对于单螺母滚珠丝杠，丝杠螺母副之间的间隙是不能调整的。如检测出丝杠螺母副存在间隙，首先检查丝杠和螺母的螺纹圆弧是否已经磨损，如磨损严重，必须更换全套丝杠螺母；如检查磨损轻微，就可以更换更大直径的滚珠来修复。在修复时，首先要检测出丝杠螺母副的最大间隙，换算成滚珠直径的增加，然后选配合适的滚珠重新装配。这样的维修是比较复杂，所需时间长，要求技术水平高。

（4）螺母法兰盘与工作台连接没有固定好而产生的间隙

这个问题一般容易被人忽视，因机床长期往复运动，固定法拉盘的螺钉松动产生间隙，在检查丝杠螺母间隙时最好把该故障因素先排除，以免在修理时走弯路。

（5）滚珠丝杠螺母副运动不平稳、噪音过大等故障的维修

滚珠丝杠螺母副运动不平稳和噪音过大，大部分是由于润滑不良造成的，但有时也可能因伺服电机驱动参数未调整好造成的。

3.2 轴承、丝杠螺母副润滑不良

机床在工作中如产生噪音和振动，在检测机械传动部分没有问题后，首先，要考虑到润滑不良的问题，因为很多机床经过多年的运转，丝杠螺母自动润滑系统往往堵塞，不能自动润滑。这时，可以在轴承、螺母中加入耐高温、耐高速的润滑脂就可以解决问题，润滑脂能保证轴承、螺母正常运行数年之久。

3.3 伺服电机驱动问题

有的机床在运动中产生振动和爬行，往往检测机械部分均无问题，不管怎样调整都不能消除振动和爬行。经仔细检查，发现伺服电机驱动增益参数不适合实际运行状况。调整增益参数后，就可消除振动和爬行故障。

4 结束语

以上对于数控机床维修技术的阐述，是我们几年中近百次数控机床的调试和维修的经验总结。虽然数控机床滚珠丝杠所产生故障是多种多样的，维修方法也不尽相同，一篇短文很难尽述，但是我们仍希望把一些基本方法与思路写出来，与大家交流以期能引起人们对数控维修技术的重视，维修技术的直接目的和结果是使数控机床恢复正常运行，从而保证生产的顺利进行。

[1]王爱玲.数控机床结构及应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]王 钢.数控机床调试、使用与维护[M].北京：化学工业出版社，2006.

[3]黄 翔，李迎光.数控编程理论、技术与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2006.

[4]关 颖.数控车床[M].北京：化学工业出版社，2005.

[5]邓 奕.数控机床结构与数控编程[M]. 北京：国防工业出版社，2006.

[6]王忠锋.数控机床故障诊断及维修实例[M].北京：国防工业出版社，2005.

[7]牛志斌.数控车床故障诊断与维修技[M].巧北京：机械工业出版社，2005.