滾珠絲杠副設(shè)計及相關(guān)技術(shù)研究【含7張cad圖紙+文檔全套資料】

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 一種新穎簡單，成本低四自由度角索引校準(zhǔn)的精密轉(zhuǎn)臺技術(shù) W. Jywe a,, C.J. Chenb , W.H. Hsieha , P.D. Linb , H.H. Jwoa , T.Y. Yanga 摘要：標(biāo)定一個角旋轉(zhuǎn)工作臺，無論是高精度的標(biāo)準(zhǔn)還是相關(guān)的光學(xué)激光干涉儀一般使用成本都非常高。本文建立了一個新穎，簡單，低成本的技術(shù)來校準(zhǔn)4度-的自由度（自由度）誤差 由使用一個可以旋轉(zhuǎn)一整圈360°（三角位置誤差和一個線性位置誤差）一個參考回轉(zhuǎn)工作臺，一個1維（1D）光柵和兩個2二維（2D）的位置感應(yīng)探測器（PSD）的。利用這種技術(shù)，沒有使用高度準(zhǔn)確參考轉(zhuǎn)盤，但是測試是具有良好的重復(fù)性。經(jīng)過兩個大圈的測試，無論是目標(biāo)轉(zhuǎn)臺的四自由度誤差和參考轉(zhuǎn)盤可以測得。系統(tǒng)校準(zhǔn)，穩(wěn)定性測試，系統(tǒng)測試驗證和完整圓的測試的完成。該系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性小于2弧秒，而位移穩(wěn)定性小于1.2毫米。 2007埃爾塞維爾有限公司保留所有權(quán)利。 關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)表校準(zhǔn)，全循環(huán)試驗;光柵;位置傳感探測器; 4自由度測量;誤差分離 1.簡介 回轉(zhuǎn)工作臺是經(jīng)常用于有關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的機床，三坐標(biāo)測量機和組裝線。 因此，轉(zhuǎn)盤校準(zhǔn)非常重要。該轉(zhuǎn)盤校準(zhǔn)要求角度測量儀，與傳統(tǒng)儀器是旋轉(zhuǎn)編碼器，激光干涉儀的自準(zhǔn)直儀測量精確程度。一個旋轉(zhuǎn)編碼器是常用的索引中測量工具，例如：一對多軸轉(zhuǎn)臺機床，機器人的關(guān)節(jié)，機器主軸工具和滾珠絲杠索引。然而，旋轉(zhuǎn)編碼器只對誤差的測量適當(dāng)。激光干涉儀經(jīng)常被用來衡量一個小角，但它只能測試過程中獲取一個索引誤差。一個自準(zhǔn)直儀是經(jīng)常用于測量小角度，它可以應(yīng)用到兩個二維（平面）測角（俯仰誤差和仰角誤差），但其測量范圍小，而且它要求有一個標(biāo)準(zhǔn)的多棱鏡。旋轉(zhuǎn)臺有6個自由度誤差（三線性位置誤差和3個角位置 誤差），但是傳統(tǒng)儀器只能測量任一維（1D）誤差或2D的誤差。該一個轉(zhuǎn)盤完整的校準(zhǔn)過程需要360°自由度測量一大圈，但此測量技術(shù)測量時大多數(shù)測量系統(tǒng)范圍小于 10°。因此，激光測量范圍干涉儀和自準(zhǔn)直儀的測量范圍時不夠的，而且他們非常昂貴。傳統(tǒng)的校準(zhǔn)技術(shù)在轉(zhuǎn)盤校準(zhǔn)時需要一個完整的圓360°一個參考轉(zhuǎn)盤，它必須具有較高的準(zhǔn)確度和高重復(fù)性。作者引用旋轉(zhuǎn)表的誤差相對測量結(jié)果便可以被忽略。 該儀器通常被記錄一次，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的參考轉(zhuǎn)盤逆時針旋轉(zhuǎn)。一般來說，一個旋轉(zhuǎn)360°表一整圈校準(zhǔn)記錄需要36此，即測量系統(tǒng)采樣周期10°。如果經(jīng)過一個更完整的測試實施，那么校準(zhǔn)過程將需要更長的時間。 一般來說，旋轉(zhuǎn)表包括的誤差，擺動誤差和偏心率。但是傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)表校準(zhǔn)技術(shù)（激光干涉儀或自動準(zhǔn)直器）只校準(zhǔn)索引誤差和擺動指數(shù)誤差。然而，高精確度旋轉(zhuǎn)表必須校準(zhǔn)的更多細(xì)節(jié)。通過完整的旋轉(zhuǎn)表校準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)臺的誤差可以補償。在本文中，旋轉(zhuǎn)表中的誤差六自由度定義，即三個線性位置誤差和三個角位置誤差。 近年來，測角技術(shù)已是重點的干涉方法。 1992年，黃 等。建立了小角度測量系統(tǒng)這是基于在一個玻璃內(nèi)部邊界反射效果和菲涅耳定律。在黃的制度，分辨率為0.2弧秒，測量范圍為 3弧秒。1996年，小麗等人。建立了一個二維小旋轉(zhuǎn)角度測量系統(tǒng)，使用兩種不同并行干擾模式（畫中畫），這些正交對方。對小麗的體系標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.6弧秒。在接下來的一年小麗等。改進他們的系統(tǒng)，以便其分辨率為0.2弧秒，測量范圍為±30弧分。1997年，邱等人。建立了一種改進的角測量技術(shù)與分辨率0.333弧秒，測量范圍為±5.6。 在其最佳性能，系統(tǒng)的分辨率 0.288弧秒。 1998年，周，蔡[8]建立了一個角度測量技術(shù)，它是根據(jù)2005年第09全內(nèi)反射效應(yīng)和外差干涉。系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于0.3弧秒這取決于所選指數(shù)折射。 1998年，還，等。建立了測角基法在內(nèi)部的反射效果，即使用了一個直角棱鏡。他們表明，角度測量與±500弧分范圍，非線性誤差 ±0.1％，而0.1弧秒分辨率可隨時實現(xiàn)。 1999年，郭等人開發(fā)了一種光學(xué)小角度測量方法的基礎(chǔ)上表面等離子體共振（SPR）和測量分辨率0.2弧秒，達到了實驗。 2003年，葛 和麥克開發(fā)了一種在此角度測量技術(shù)分析的基礎(chǔ)上的條紋相位測量輪廓。測量范圍為±2160弧秒 并從線性偏差優(yōu)于±0.02 弧秒。 2004年，邱等人。開發(fā)了一種小角度測量使用多個總外差干涉內(nèi)部分析，而角分辨率優(yōu)于0.454弧秒在測量范圍-1.12<=X>=2.12得以在20以內(nèi)的數(shù)值。 大多數(shù)角度測量技術(shù)的研究重點在1D角度測量，干涉角度測量和2D干涉測量技術(shù)。但是，昂貴而復(fù)雜的干涉系統(tǒng)，不能被廣泛用于工業(yè)。因此，成本低，多自由度測量系統(tǒng)在轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)時是非常重要的。位置傳感探測器（位置感應(yīng)探測器）可用于測量旋轉(zhuǎn)部分誤差，回轉(zhuǎn)體零件的速度，旋轉(zhuǎn)方向扶輪的一部分角位置和誤差。 Jywe等。采用兩種位置傳感器和一個反射光柵測試轉(zhuǎn)臺的性能，但其測量范圍非常?。?11）沒有完整的圓試驗來提供整個圓的測量。然而，對于一般轉(zhuǎn)盤校準(zhǔn)的360°整圈的測試是必要的。這兩個文件描述了一個4自由度測量系統(tǒng)的建設(shè)并建立一種新的技術(shù)轉(zhuǎn)盤一圈測試。四自由度系統(tǒng)，本文提出包括一維反射光柵，一個激光二極管，四個位置傳感器及一個參考回轉(zhuǎn)工作臺。 干涉儀和自準(zhǔn)直儀是常用的轉(zhuǎn)臺測量系統(tǒng)。然而，在轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)過程中，激光干涉儀和自準(zhǔn)直儀分別需要高精確度參考轉(zhuǎn)盤和一個多棱鏡。因此，使用激光干涉儀或自準(zhǔn)直儀進行校準(zhǔn)回轉(zhuǎn)工作臺是昂貴的。此外，在提出的方法，沒有高準(zhǔn)確的參考轉(zhuǎn)盤， 但具有良好的重復(fù)性是必要的。即使索引誤差和幾何誤差參考轉(zhuǎn)盤大，他們將獲得所提出的方法。 2.四自由度測量系統(tǒng) 在這個文件中，四自由度測量系統(tǒng)包括一個參考回轉(zhuǎn)工作臺，一維光柵，一個激光二極管，傳感器，反射光柵和兩個處理器，一個A / D卡和一臺個人電腦（PC）。圖 1給出了電路圖。該參考轉(zhuǎn)盤被放置在目標(biāo)旋轉(zhuǎn)，然后一維光柵上由夾具回轉(zhuǎn)工作臺安裝表。激光二極管和位置傳感器被放在光柵的附近。從激光束激光二極管是一維光柵投影到一維光柵，然后產(chǎn)生了許多衍射光束。在這個文件中，+1和-1級衍射光束被使用，兩個傳感器被用來檢測衍射光束。一般來說定義在轉(zhuǎn)臺的六幾何誤差，即三個線性位置誤差和三個角位置誤差。在此外，還有之間的光柵和偏心軸的轉(zhuǎn)盤，這是因為Dx和Dy定義。 3.應(yīng)全面圈測試模型 大多數(shù)儀器的測量范圍為小于10°，所以一個完整的校準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤需要一種特殊的方法。在正常轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)，自準(zhǔn)直儀使用一個多邊形鏡子和激光干涉儀并且使用一個參考回轉(zhuǎn)工作臺。在這試驗中，該技術(shù)還需要一個參考旋轉(zhuǎn)表，但參考轉(zhuǎn)盤要求測試參考旋轉(zhuǎn)臺的誤差必須可重復(fù)的。1994年，林建立了一個轉(zhuǎn)盤校準(zhǔn)技術(shù)，它可以測量索引誤差為360°的整圈回轉(zhuǎn)工作臺。然而，該技術(shù)只能單次測量誤差。因此，一個改良的方法是成立于本節(jié)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的誤差參考表進行了審議，對旋轉(zhuǎn)的幾何誤差表是 其中εz是目標(biāo)指數(shù)之間的差異旋轉(zhuǎn)表和參考表，并累計在不同的校準(zhǔn)程序。這εx，εy，δx，δy 和δz不累積。因為一整圈測試需要兩個試驗中，目標(biāo)轉(zhuǎn)盤和參考轉(zhuǎn)盤重復(fù)性一定要做好，否則測量結(jié)果將不會重復(fù)。 該校準(zhǔn)技術(shù)的基本要求是，目標(biāo)下校準(zhǔn)可旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)作為參考不同方向旋轉(zhuǎn)相同的步長，即對順時針和逆時針的比較。每個部門根據(jù)測試表進行了比較與每一個部門的參考，以建立第一組數(shù)據(jù)。例如，有一個轉(zhuǎn)盤進行了測試，12點左右360°角位置（即0°30°60°，…，330°），這是等距離的目標(biāo)轉(zhuǎn)盤和參考轉(zhuǎn)盤分割。同時在測試開始后的第一個目標(biāo)轉(zhuǎn)盤和參考轉(zhuǎn)盤，分別定為0°，第一組數(shù)據(jù)是由個人電腦所提取。然后，目標(biāo)旋轉(zhuǎn)工作臺順時針旋轉(zhuǎn)30°和參考旋轉(zhuǎn)工作臺逆時針旋轉(zhuǎn)30°第二組數(shù)據(jù)由個人電腦所提取。從上面的實驗過程中，可以得出以下關(guān)系： 其中εz1n是第一組角讀數(shù)和N是超過360°增量。εzt1下標(biāo)'t'象征目標(biāo)轉(zhuǎn)盤，下標(biāo)為'r'是指參考轉(zhuǎn)盤的誤差。 在第二次測試的一圈中，再次將目標(biāo)轉(zhuǎn)盤和參考轉(zhuǎn)盤設(shè)置為0°參考旋轉(zhuǎn)工作臺（例如30°）。后參考旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)工作臺，樣品采取的第一套。然后，目標(biāo)旋轉(zhuǎn)工作臺順時針旋轉(zhuǎn)30°參考旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)30°反順時針再次采樣。從上面的實驗過程中，第二次測試的結(jié)果令人滿意。然后，整理轉(zhuǎn)動的關(guān)系，可以得出 ： 其中εz2n是第二組角讀數(shù)和N是超過360°的增量。測量兩組數(shù)據(jù)可以被重新安排如下 ： 4.實驗結(jié)果與討論 在這個文件中，對4自由度計量校準(zhǔn)系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)驗證和全圓測試的完成。 系統(tǒng)的照片如圖。2所示。組件圖。2中沒有顯示附上通過臺式PC連接到位置感應(yīng)探測器的信號 處理器A / D卡。該元件的規(guī)格分別列在表1。 4DOF試驗系統(tǒng) 4.1.系統(tǒng)校準(zhǔn) 系統(tǒng)校準(zhǔn)是第一個實驗。在這實驗中，用自準(zhǔn)直儀波特角位置提供參考。其測量范圍為±410弧秒，分辨率為0.02弧秒，精度為0.5弧秒。圖。 3（a）給出了校準(zhǔn)結(jié)果，圖。3（b）中給出了系統(tǒng)不確定性的標(biāo)準(zhǔn)差。在整個校準(zhǔn)過程中，顯然，良好的εz線性和的εz不確定度約為1.5弧秒。角位置（εz）的4自由度測量測量范圍約為1°，因為幾乎所有的測量位置感應(yīng)探測器的范圍應(yīng)用。 4.2.系統(tǒng)的穩(wěn)定性試驗 系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗是第二次實驗。系統(tǒng)通過系統(tǒng)實驗室條件下正常的平衡狀態(tài)（即無特殊溫度或振動隔離）允許穩(wěn)定性進行了評價，然后連續(xù)記錄為4000秒的輸出信號圖。4表明，原型系統(tǒng)的基本是穩(wěn)定合理的，即沒有特殊的隔離或過濾依然在±1.2毫米，εx，εy和εz在4000s內(nèi)±1.5弧秒。 4.3.系統(tǒng)驗證 系統(tǒng)驗證是第三個實驗，自準(zhǔn)直儀也被用來驗證4自由度測量系統(tǒng)，因為它可 以同時進行對εx和εy的測量。設(shè)置的自準(zhǔn)直儀在光柵背面。當(dāng)全部循環(huán)試驗實施和誤差分離方法沒有用時，自準(zhǔn)直儀記錄了目標(biāo)轉(zhuǎn)盤和參考轉(zhuǎn)盤誤差總和。 4自由度的自準(zhǔn)直儀測量系統(tǒng)可記錄一次，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)一次，并再次測試參考轉(zhuǎn)盤逆時針旋轉(zhuǎn)的程度。圖。5顯示了該系統(tǒng)的核查結(jié)果。結(jié)果對4自由度自準(zhǔn)直儀的測量系統(tǒng)類似，所以4自由度數(shù)學(xué)模型測量制度是正確的。 4.4.全部循環(huán)測試 完整的循環(huán)測試是最后的實驗，是在第3條所述。該4自由度測量系統(tǒng)的測量范圍為1°左右。要完成一整圈測試的時間，如果必須采取唯一位置感應(yīng)探測器（2 位置感應(yīng)探測器）的使用。只有一組位置感應(yīng)探測器的要求記錄在第一和第二次測試，至少720分。因此，4個位置感應(yīng)探測器來建立系統(tǒng)。位置感應(yīng)探測器 A和B設(shè)置為位置感應(yīng)探測器意義上的±1級衍射光時的參考轉(zhuǎn)臺角位置是0°。然后，位置感應(yīng)探測器的C和D設(shè)置為位置感應(yīng)探測器意義上的±1級衍射光時的參考轉(zhuǎn)臺角位置是在5°。在整圈測試，位置感應(yīng)探測器 C和位置感應(yīng)探測器 B的一個用于第一次測試，而位置感應(yīng)探測器C和D組用于第二次測試。因此，一個完整的循環(huán)測試只需要記錄在第一和第二次測試72分。 經(jīng)過兩年試驗完成后，上述方法在第3節(jié)是用來隔離的目標(biāo)轉(zhuǎn)臺和參考轉(zhuǎn)臺的誤差。測試結(jié)果如圖所示。 6（一） - （d）及（六） - （H）分別為目標(biāo)和參考轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)臺的誤差。在參考轉(zhuǎn)臺角位置誤差均高于目標(biāo)轉(zhuǎn)盤。但是，誤差是相似的。目標(biāo)轉(zhuǎn)盤的δy,εx，εy和εz約有2.85毫米，330，620和270弧秒，分別為。δ y，εx，εy和εz轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)了一下，分別為2.90毫米，210，500和250弧秒。 在δy大是因為兩者之間的反射光柵表面和轉(zhuǎn)盤的中心軸偏心距較大。要調(diào)整目標(biāo)之間的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤參考偏心是容易的。但要調(diào)整光柵之間的偏心回轉(zhuǎn)工作臺是困難的，因為對光柵和旋轉(zhuǎn)表是不同的幾何。 5.結(jié)論 本文建立了一個新穎，簡單，低成本的校準(zhǔn)技術(shù)360°全圓旋轉(zhuǎn)表（三角位置誤差和位置誤差的線性）的4自由度的誤差。利用這種技術(shù)，沒有高度準(zhǔn)確的參考轉(zhuǎn)盤，但是具有良好的重復(fù)性是必要的。經(jīng)過充分循環(huán)試驗，目標(biāo)和參考轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)臺的四自由度誤差可能確定。系統(tǒng)校準(zhǔn)，穩(wěn)定性試驗，系統(tǒng)驗證和測試已經(jīng)完成了一圈。從整個體系的校準(zhǔn)，測量不確定度角系統(tǒng)（宰）小于1.5弧秒。該系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性小于2弧秒，而位移穩(wěn)定性小于1.2mm。 滾珠絲杠副設(shè)計及相關(guān)技術(shù)研究 摘要：滾珠絲杠是因其自身良好的可靠性，精度等級高，使用及維護成本都比較低的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于多種場合，其中高精密機床上應(yīng)用甚多。所以研究和優(yōu)化滾珠絲杠具有巨大的前景。本設(shè)計中具體對滾珠絲杠進行了多方面的學(xué)習(xí)，包括滾珠絲杠相關(guān)各種參數(shù)的計算及其校核。并對絲杠周圍部件進行了了解。除此之外，本設(shè)計還對滾珠絲杠的高速化及其優(yōu)化方案也進行了簡述。 關(guān)鍵詞：滾珠絲杠 設(shè)計方案 高速化 II 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2016屆畢業(yè)設(shè)計說明書 Abstract：Ball is due to its own good reliability, high level of accuracy, use, and maintenance costs are relatively high advantages are widely used in a variety of situations, many of which use high-precision machine tools. Therefore, research and optimization ball screw has great prospects. The specific design of the ball screw conducted extensive research, including the calculation of various parameters related to ball screws and check. And screw around parts of the inquiry. In addition, this design also on the high-speed ball screw and its optimization program has also been outlined. Keywords: high-speed ball screw design 目 錄 摘要 ……………………………………………………………………………I Abstract ……………………………………………………………………………II 目錄………………………………………………………………………………III 1.緒論 ……………………………………………………………………………1 1.1滾珠絲杠概述………………………………………………………………3 1.2本課題研究的意義…………………………………………………………8 2.滾珠絲杠的設(shè)計 ………………………………………………………………8 2.1原始數(shù)據(jù)與技術(shù)條件………………………………………………………9 2.2滾珠絲杠的主體參數(shù)設(shè)計…………………………………………………9 2.2.1導(dǎo)程的選擇 ……………………………………………………10 2.2.2 絲杠軸長度的選擇 ………………………………………………11 2.2.3絲杠軸直徑的選擇 ………………………………………………13 2.2.4絲杠軸支撐方式的選擇 …………………………………………12 2.2.5螺母的選擇 ………………………………………………………13 3.各零部件的校核………………………………………………………………14 3.1容許軸向負(fù)載的計算 ……………………………………………………14 3.2絲杠軸容許轉(zhuǎn)速的計算 …………………………………………………15 3.3螺母運行距離的計算 ……………………………………………………15 3.4螺母軸向平均負(fù)荷及其壽命校核 ………………………………………16 4.定位精度的探討……………………………………………………………18 4.1導(dǎo)程精度的探討 …………………………………………………………18 4.2軸向間隙的校核 …………………………………………………………18 4.3軸向剛性的校核 …………………………………………………………18 4.4運行姿態(tài)的探討 …………………………………………………………19 4.5旋轉(zhuǎn)扭矩的校核 …………………………………………………………19 5.電動機的選擇 …………………………………………………………………20 5.1旋轉(zhuǎn)速度 …………………………………………………………………20 5.2最小進給量 ………………………………………………………………20 5.3電動機扭矩……………………………………………………………20 5.4扭矩的有效值 ……………………………………………………………21 6.滾珠絲杠高速化研究 ………………………………………………………21 1.精密滾珠絲杠副實現(xiàn)高速化要解決的主要矛盾 …………………………21 2.滾珠絲杠副高速化的技術(shù)對策 …………………………………………22 7.總結(jié) ……………………………………………………………………23 參考文獻 ……………………………………………………………………24 致謝 …………………………………………………………………25 V 1．緒論 1.1滾珠絲杠的概述 滾珠絲桿是一種能在直線進給和周轉(zhuǎn)運動之間互相轉(zhuǎn)換的理想的機械產(chǎn)品。因具有傳動效率、運動平穩(wěn)、高精度、高耐磨性、高同步、高可靠性、無背隙和高剛性的諸多優(yōu)點，并被廣泛應(yīng)用于機械行業(yè)。 傳統(tǒng)的滾珠絲杠采用循環(huán)方式主要有三種。 第一，外循環(huán)，（管路式）其結(jié)構(gòu)簡單易于使用。在滾珠滾道內(nèi)通過一根插管將進口和出口相連接，從而達到無限循環(huán)。 圖1-5外循環(huán) 第二，內(nèi)循環(huán)，（哥德式）其結(jié)構(gòu)緊湊，也比較易于小型化，但制造成本較高。 圖1-6 內(nèi)循環(huán) 第三，端蓋式。（端面式） 1 圖1-7 端蓋式 滾珠絲杠至誕生以來，就得到了世人的許多關(guān)注，也進行了比較大的改進和融合。并發(fā)展出了許多不同用途，不同型號的滾珠絲杠產(chǎn)品。如在日本相關(guān)專利方面就有除了傳統(tǒng)內(nèi)外循環(huán)的滾珠絲杠外，還出現(xiàn)了不使用循環(huán)的滾珠方案，并且得到了諸多應(yīng)用。以下以舉例的形式表達一種非循環(huán)的滾珠絲杠方式：如圖，該發(fā)明滾珠絲杠螺母內(nèi)加入彈性元件，并使其能夠很方便放入滾道內(nèi)，使之隨著滾珠體一起進行運動。在1-1、1-2圖中，當(dāng)滾珠體逆時針旋轉(zhuǎn)時，會壓迫彈性元件也向逆時針運動。當(dāng)該方向運動結(jié)束后，彈性元件便會將滾珠體再壓回原來位置。同理也有另外一個方向，如圖1-3所示。 2 圖1-1 一種非循環(huán)方式的滾珠絲杠裝置 循環(huán)軌道中的彈性元件能夠在運動的開始和結(jié)束狀態(tài)起到儲能的作用，也是實現(xiàn)非循環(huán)方式運動的關(guān)鍵。 3 圖1-2 一種非循環(huán)方式逆時針方向動態(tài)圖解 圖1-3 一種非循環(huán)方式順時針方向動態(tài)圖解 可以想象如此設(shè)計能夠最大限度地縮小螺母的徑向長度，從而為滾珠絲杠的小型化開辟了道路。 圖1-4 一種非循環(huán)方式滾珠絲杠三維圖例 1.2本課題研究目的 CNC數(shù)控機床中，進給系統(tǒng)的主體實現(xiàn)元件是滾珠絲杠副。雖然滾珠絲杠已經(jīng)出現(xiàn)了近百年的歷史，但其優(yōu)越性能仍然是現(xiàn)在許多元件無法替代的，并且具有很大的優(yōu)勢，啟動力矩小，定位精度高，運行可靠。并且隨著其他相關(guān)技術(shù)的成熟進步，尤其是材料性能的改善和工藝技術(shù)的改進優(yōu)化，滾珠絲杠副的優(yōu)勢將更加凸顯，所以我們很有必要將滾珠絲杠副的優(yōu)化設(shè)計放在自己的設(shè)計理念中，并將其優(yōu)點發(fā)揚光大。 2.滾珠絲杠的設(shè)計 2.1原始數(shù)據(jù)與技術(shù)條件 表1.1滾珠絲杠的主體設(shè)計要求 工作臺重量W1 25kg 工作及夾具最大重量W2 80kg 工作臺最大行程 LK 1000mm 快速進給速度Vmax 60m/min 動摩擦系數(shù) μ=0.003 定位精度 0.02mm/300mm 重復(fù)定位精度 0.01mm 全行程定位精度 0.025mm 要求壽命 30000 h 導(dǎo)向面阻力 15N 額定轉(zhuǎn)速 3000 r/min 驅(qū)動電動機 AC伺服電機 減速器A 1 電動機的慣性扭矩 0.001 圖2-1 滾珠絲杠裝置整體受力圖 表1.2滾珠絲杠的主體參數(shù) 絲杠軸直徑 導(dǎo)程 螺母型號 精度 軸向間隙 絲杠軸支撐方式 電動機功率 2.2.1導(dǎo)程的選擇 導(dǎo)程的選擇必須與所需要的最高速度相配合，本設(shè)計中的滾珠絲杠裝置最高速度選取1m/s，也即60000mm/min。電動機擬采用AC伺服電機，其最大轉(zhuǎn)速為3000r/min。綜上，可計算出導(dǎo)程的許用最小值L為： mm 在這里，根據(jù)機械手冊中查表數(shù)據(jù)可得滾珠絲杠的導(dǎo)程取L=20mm。 2.2.2絲杠軸長度選擇 絲杠軸的選擇必須考慮到螺母的長度,現(xiàn)在暫定其長度為160mm，絲杠軸兩末端支撐長度為160mm。 根據(jù)實際需求，絲杠長度行程長度選擇為1000mm。 則絲杠軸全長為： 2.2.3絲杠軸直徑的選擇 本設(shè)計中絲杠軸擬采用一端固定，一端支撐的方式 （公式2.1） 當(dāng)安裝方式為固定，支撐時，查表：f=15.1 則Dr21.9mm 由機械設(shè)計手冊所示滾珠絲杠型號∶ 絲杠軸直徑 導(dǎo)程 20mm —— 20mm 20mm —— 40mm 30mm —— 60mm 由上所述,根據(jù)機械手冊查表最終確定絲杠軸直徑40mm/導(dǎo)程20mm的設(shè)計方案。絲杠軸的設(shè)計到此為止，總體的設(shè)計圖例見下 圖4-1絲杠軸 2.2.4軸支撐方法的選擇 本設(shè)計中滾珠絲杠的最大行程為1000mm,屬于遠跨距安裝;速度為1m/s，屬高速使用；而且考慮到升溫比較有可能會導(dǎo)致絲杠軸變形彎曲。故而確定該支撐方法采用固定-支撐的方式。 圖2-2 絲杠形變 上圖為固定-支撐安裝方式的絲杠允許最大變形量的安裝間距，從圖上可以看出，安裝間距為1000mm的該滾珠絲杠符合要求。 圖紙設(shè)方案如圖： 圖2-3 絲杠軸左端支撐方式 圖2-4 絲杠軸右端支撐方式 絲杠軸被固定于四個軸承上，左邊的一端被緊固落螺母固定，從而達到固定的目的，如圖2-3右端為支撐端。如圖2-4所示為滾珠絲杠右端支撐方式，與左端不同之處在于這端并未采用緊固螺母，為自由端。兩端都采用角接觸球軸承和深溝球軸承疊加安裝，這樣既能夠使軸既能夠承受軸向載荷，又能夠承受徑向載荷，從而滿足滾珠絲杠正常工作時的實際要求。 2.2.5螺母的選擇 螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠,是把滾珠絲杠螺母與支撐軸承一體的螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠裝置。其螺母為使用外循環(huán)方式的鋼球循環(huán)結(jié)構(gòu)，鋼球沿著滾道從入口到出口完成不間斷的循環(huán)。而傳統(tǒng)螺母外周嵌套有一個套筒。套筒外徑與一個調(diào)心滾子軸承相連接，通過調(diào)心滾子軸承將傳統(tǒng)螺母的徑向旋轉(zhuǎn)運動，與軸向的進給運動相互分離，從而達到螺母一邊旋轉(zhuǎn)，一邊軸向進給，而不影響與之相連接的工作臺只有軸向進給的需求。 圖3-1 螺母旋轉(zhuǎn)方式實現(xiàn)方案 兩臺電動機允許和絲杠軸、滾珠絲杠的螺母進行獨立聯(lián)接,并通過與螺母套筒相連接的齒輪將旋轉(zhuǎn)力矩傳遞給螺母和套筒，并可以使微量進給控制在電動機的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)。因其獨立運動的特性，該設(shè)計方案可以使用兩個伺服電機驅(qū)動，令兩臺電機同時驅(qū)動的方案，將兩個速度進行組合，可以擴大整個運動副的速度控制范圍。 3.零件的初步校核 3.1容許軸向負(fù)載的計算 最大軸向負(fù)荷的計算 導(dǎo)向面的阻力 （無負(fù)荷時） 工作臺質(zhì)量 工件質(zhì)量 導(dǎo)向面上的摩擦系數(shù) 最大速度 重力加速度 加速時間 由此可知,所需數(shù)值如下。 加速度（公式3.1） 去路加速時 去路等速時 去路減速時 返程加速時 返程等速時 返程減速時 作用在滾珠絲杠上的最大軸向負(fù)荷如下所示∶ 現(xiàn)在選定直徑為40mm的絲杠軸、導(dǎo)程為20mm（最小溝槽谷徑37.4mm）的絲杠軸進行撓曲載荷和容許壓縮拉伸負(fù)荷的計算： 絲杠軸撓曲載荷： 與安裝方法相關(guān)的系數(shù) 絲杠軸溝槽谷徑 （公式3.2） 容許壓縮拉伸負(fù)荷： 由此可見, 絲杠軸的挫曲載荷和容許拉伸壓縮負(fù)荷至少等于最大軸向負(fù)，因此, 滿足這些條件的滾珠絲杠在使用上沒有問題。 3.2 絲杠軸容許轉(zhuǎn)速的計算 絲杠軸直徑：40mm； 導(dǎo)程：20mm；最大速度：60000mm/min 由絲杠軸的危險速度所決定的容許轉(zhuǎn)速： 與安裝方法（安裝方法按固定－支撐）相關(guān)的系數(shù) 安裝間距（推算） 絲杠軸直徑∶40mm；導(dǎo)程∶20mm 則許用的絲杠軸的最大轉(zhuǎn)速為： （公式3.3） 絲杠軸直徑∶40mm；導(dǎo)程∶20mm和40mm（大導(dǎo)程滾珠絲杠） 按絲杠軸的危險速度計算可得選用絲杠軸直徑為40mm和導(dǎo)程為20mm的絲杠軸沒有問題。 3.3螺母運行距離的計算 最大速度 加速時間 減速時間 加速時的運行距離： （公式3.4） 等加速時的運行距離： （公式3.5） 減速時的運行距離： （公式3.6） 3.4螺母軸向平均負(fù)荷及其壽命校核 正符號方向的軸向平均負(fù)荷 因載荷方向相異,取，計算軸向平均負(fù)荷： （公式3.7） 負(fù)符號方向的軸向平均負(fù)荷 因載荷方向相異,取，計算軸向平均負(fù)荷： （公式3.8） 因 ,所以軸向平均負(fù)荷為。 平均轉(zhuǎn)速 每分鐘往返次數(shù) 行程 LS ＝1000 mm 導(dǎo)程∶ （公式3.9） 工作額定壽命 額定壽命 每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù) （公式3.10） 額定運行距離壽命 額定壽命 導(dǎo)程∶ （公式3.11） 4.定位精度的探討 4.1軸向剛性的探討 對軸向剛度影響最大的是發(fā)熱變形，所以在此僅對熱變形進行校核。 假設(shè)在滾珠絲杠在轉(zhuǎn)動過程中,系統(tǒng)溫度升高5℃。這時引起的軸向定位誤差為： （公式4.1） 4.2運行中姿勢變化的探討 假設(shè)垂直公差在±10秒以下,絲杠L因垂直公差而引起的定位誤差為∶ Δa＝L×sinθ ＝150×sin（±10′′） ＝±0.007 mm （公式4.2） 由此可知,定位精度如下∶ （公式4.3） 4.3旋轉(zhuǎn)扭矩的探討 由外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩如下∶ （公式4.4） 滾珠絲杠副加速時所需的慣性力矩為,則絲杠軸全長1320mm的慣性力矩如下∶ ＝ （公式4.5） （公式4.6） （公式4.7） 根據(jù)上述,加速所需要的扭矩如下∶ ＝4.61× N·mm （公式4.8） 因此,所需扭矩如下∶ 加速時， 等速時， 減速時， 5.電動機的選擇 5.1旋轉(zhuǎn)速度 電動機選擇使用AC伺服電機。最高使用轉(zhuǎn)速∶3000 r/min，電動機額定轉(zhuǎn)速∶3000 rad/min 5.2電動機扭矩 設(shè)計中選擇的AC伺服電機能產(chǎn)生的最大扭矩為 5.3扭矩的有效值 加速時 等速時 減速時 停止時∶ （公式5.1） 電動機的額定扭矩通過以上計算必須為1305N·mm，而正常使用時電動機產(chǎn)生的扭矩必須為此數(shù)值之上。市面上CA伺服電機的種類繁多，選擇余地也比較大，所以在這里我們的選擇只需滿足上述條件的精度和扭矩即可。 6.滾珠絲杠高速化研究方案 6.1 精密滾珠絲杠副實現(xiàn)高速化要解決的主要矛盾 高速化不僅僅只是將滾珠絲杠副所連接的電動機的轉(zhuǎn)速提高了這一種實現(xiàn)方案，而應(yīng)該采用整體優(yōu)化的設(shè)計方案。 1）速度較高時，整個滾珠絲杠系統(tǒng)可能會出 現(xiàn)加大的震動 系統(tǒng)共振時與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為： （公式6.1） 式中： ，支承系數(shù)； L，支承間距，mm； E，材料縱向彈性模量，； I，小徑最小慣性矩，mm4； g，重力加速度，mm/s2； γ，材料密度，N/mm3； A，小徑橫截面積，mm2。 從上式可以看出，滾珠絲杠速度的控制因素不止一種[3]。 2）滾珠受安全轉(zhuǎn)速的限制 滾珠絲杠副通常使用d0n值(此處d0為絲杠的名義直徑，n為絲杠的轉(zhuǎn)速)表示滾珠絲杠副的速度極限，也稱作DN值。滾珠絲杠系統(tǒng)中的DN值越大，表明其運行的最高速度也最大，承載能力也最強。 3）溫升和熱變形的限制 高速轉(zhuǎn)動下的滾珠絲杠螺母副會發(fā)熱變形，進而降低滾珠絲杠的運動精度。 圖6-1 不同安裝方式下滾珠絲杠副的熱變形 從上圖可以看出，滾珠絲杠在不同安裝方式下，在正常工作狀態(tài)下，都會發(fā)熱變形，而不同的安裝方式下，其滾珠絲杠副的變形類型和性質(zhì)又不近相同，其中固定-支承方式下可以允許絲杠副有微小的軸向變形，但不能過大；而固定-固定形式的支承方式因為軸向的變形不允許，其發(fā)生的彎曲變形較前者則大的多；而固定-自由型的安裝方法因其自身的類似懸臂梁的結(jié)構(gòu)，所以決定了它并不能承受過大的載荷而只能使用在很小的范圍內(nèi)。 4）噪聲較大，環(huán)保性差 任何機械在運行過程中都會或多或少地發(fā)出噪聲，而滾珠絲杠也不例外，高速條件下，其本身會隨著速度的提高而發(fā)出過多的噪音。 6.2 滾珠絲杠副高速化的技術(shù)對策 上述面臨的問題是滾珠絲杠副高速化的優(yōu)化目的最大的障礙。本設(shè)計依據(jù)以上的分析有針對性地提出了以下的技術(shù)和對策： 1）增大絲杠的導(dǎo)程和螺紋頭數(shù) 絲杠方面的資料和實際經(jīng)驗告訴我們提高滾珠絲杠轉(zhuǎn)速或是加大滾珠絲杠導(dǎo)程都能夠提高滾珠絲杠的運行速度。 而導(dǎo)程的增加，會導(dǎo)致絲杠的運行精度下降，而且絲杠系統(tǒng)啟動力矩也會隨之升高，影響整體傳動的平穩(wěn)性。所以我們必須在轉(zhuǎn)速和導(dǎo)程之間取得一個平衡點。從而達到滾珠絲杠副的最優(yōu)化設(shè)計。 有設(shè)計方案采用雙頭螺紋，這既能提高其剛度和承載能力，又能提高運行中的平穩(wěn)性[5]。但也不是完全一味地增大。 2）采用強冷技術(shù) 圖6-2 螺母空心冷卻液強冷方式 如圖為滾珠絲杠的發(fā)明裝置。該裝置利用加在螺母上的空心孔，通過孔中流動的冷卻液達到為滾珠絲杠副降溫的目的。 4）改進滾珠循環(huán)返向裝置和滾珠的流暢性 5）優(yōu)化滾珠反向器的結(jié)構(gòu) 發(fā)熱和噪聲都是由摩擦造成的，所以依據(jù)此原理，可以將滾道內(nèi)的摩擦系數(shù)降到最低，從而達到最根本改善和優(yōu)化滾珠絲杠副。傳統(tǒng)的滾珠絲杠使用的都有一個反向器，而其精度也決定了滾珠在滾道內(nèi)的順利運行。 6）無循環(huán)反向裝置 傳統(tǒng)循環(huán)方式中采用循環(huán)滾道的設(shè)計方案對 DN值有極大的制約，所以有人提出了無返向裝置的滾珠絲杠副。而本設(shè)計說明中緒論部分也進行過介紹，在此，將不再贅述。 圖6-3 行星滾柱絲杠副 上圖為一種新型的滾珠絲杠裝置，其使用非循環(huán)的滾柱絲杠形式，具有與滾珠絲杠不同的支撐部件，使用滾柱，加強了絲杠副的剛性和承載能力。使用壽命和正常使用速度也較普通滾珠絲杠有了很大的提升。 7）采用雙電動機驅(qū)動 兩臺獨立于絲杠軸和滾珠絲杠的螺母的電動機分別連接,并通過與螺母套筒相連接的齒輪將旋轉(zhuǎn)力矩傳遞給螺母和套筒，這樣做擴大了進給控制系統(tǒng)的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)速度范圍。因其獨立運動的特性，該設(shè)計方案可以使用兩個伺服電機驅(qū)動，令兩臺電機同時驅(qū)動的方案，將兩個速度進行組合，可以擴大整個運動副的速度控制范圍。 所以本課題的研究方向是探究一種能夠?qū)崿F(xiàn)滾珠絲杠的高速運行的創(chuàng)新裝置。能夠在保證精度和機械運行的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，達到高速，自鎖的優(yōu)化型滾珠絲杠。 總 結(jié) 經(jīng)過這段時間的系統(tǒng)性公關(guān)，對自己能力又是一次新的歷練。經(jīng)過這段時間，在老師的教導(dǎo)下，我也學(xué)會了許多新的知識和技能，畢業(yè)設(shè)計促進了自己對所學(xué)知識的掌握，并且學(xué)到了許多實踐性的東西，對自己是很有意義的。其中，有老師的諄諄教誨，龐老師對我也很嚴(yán)格，自己的也在虛心接受老師的指導(dǎo)，我最應(yīng)該謝謝的人便是我的老師，他不僅僅是一個學(xué)術(shù)專業(yè)的教授，更是我在日后從事機械行業(yè)研究工作的人生導(dǎo)師。在此我也對我學(xué)到的東西進行一下簡單的總結(jié)： 1） 經(jīng)過了本次畢業(yè)設(shè)計，更加鞏固了我對CAD制圖技術(shù)的熟練程度，為我日后進一步學(xué)習(xí)打下來堅實的基礎(chǔ)。 2） 老師的學(xué)術(shù)品格深深把我折服，這將是我以后人生道路中又一個指路明燈，這里我應(yīng)該好好謝謝老師。 3） 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓接嬎闶菑氖聶C械研究的重要品行，小到微米級的計算單位大到米級的大型機械，每一個裝配尺寸都是嚴(yán)格有依據(jù)的，決不能憑空捏造，應(yīng)做到實事求是。 4） 機械工程是份神圣的行業(yè)，我們每一個中國人在現(xiàn)在嚴(yán)峻的技術(shù)革命形勢下，決不能無動于衷，甘于沉浸在已經(jīng)取得的成就中，而應(yīng)該向前看，以不一樣的思維，開拓創(chuàng)新，為新機械制造業(yè)注入自己強大的動力。 參 考 文 獻 ［1］二宮瑞穗.マシニングセンタたあの高速高精度送リ技術(shù)1997(04). ［2］宮口和男.Ball screws for high speed drive[J] 2002(673). ［3］孫健利.滾珠絲杠副的高速化技術(shù)研究[J].制造技術(shù)與機床2010. ［4］Yamaguchi H;Ohkubo TDevelopment of "NSK S1 Seris" ball screuls and linear guides2008(671). ［5］郭慶鼎;王成元;周美文.高速化滾珠絲杠技術(shù)研究,2000. ［6］Bork B;Gao Hua;羅冬梅.直線電機應(yīng)用之經(jīng)濟性與應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān),1999(04). ［7］王先逵;陳定績;吳丹.精密滾珠絲杠綜述[J]制造技術(shù)與機床2001(08). ［8］寧立偉.滾珠絲杠副. 機床數(shù)控技術(shù),高等教育出版社.2010-1 ［9］肖正義.滾珠絲杠副的發(fā)展趨勢.制作技術(shù)與機床.2000-04 ［10］黃祖堯.21世紀(jì)初海外滾動功能部件發(fā)展動態(tài).世界制作技術(shù)與裝備市場.2003-2 ［11］程光仁.施祖康.滾珠螺旋傳動設(shè)計基礎(chǔ).北京.機械工業(yè)出版社.1987-08 ［12］喻忠志.我國滾動功能部件產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析.制造技術(shù)與機床.2004.04 ［13］中國藝工滾動功能部件產(chǎn)品綜合樣本及資料 ［14］肖正義.焦?jié)?高速滾珠絲杠副的研發(fā)與測試技術(shù).制造技術(shù)與機床.2004-04 ［15］滾珠絲杠譯文集.南京工藝裝備廠.1980-08 ［16］THK綜合產(chǎn)品目錄.臺灣THK滾珠絲杠設(shè)計公司.互聯(lián)網(wǎng).2013-06/2016-05 ［17］PMI產(chǎn)品目錄.PMI滾珠絲杠設(shè)計公司.互聯(lián)網(wǎng).2013-05/2016-05 ［18］上銀產(chǎn)品目錄.上銀滾珠絲杠設(shè)計公司.互聯(lián)網(wǎng).2013-06/2016-05 致 謝 這次畢業(yè)設(shè)計中，我領(lǐng)悟了很多東西。要十分感謝我的導(dǎo)師的指導(dǎo)，還有他的理解與包容。沒有老師我很難完成這篇設(shè)計。從設(shè)計資料的搜集，到最后設(shè)計的修改的整個過程中，耗費了老師很多心血和努力，我在這里表達我最真摯的感情。以后我一定以自己最大的努力，積極獻身新型機械制造業(yè)，為實現(xiàn)自己的人生價值和社會價值而奮斗。以報答您對我的恩情。 九層之臺，起于累土，沒有前面其他機械老師的努力培養(yǎng)，我也不可能學(xué)到如此有用的知識和能力，也非常感謝曾經(jīng)幫助過我的老師的悉心教導(dǎo)。設(shè)計過程中也有其他同學(xué)的幫助，在這里我也非常謝謝他們在大學(xué)四年最后時光的陪伴。 26