丝杠测量仪工作台的结构设计

2011 年 6 月毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要本文简要介绍了丝杠测量仪工作台的研究概况以及发展的现状与趋势，并以丝杠测量仪工作台的结构设计为题，主要进行丝 杠 测 量 仪 工作台及测量架的结构 设 计 和计算。根据设计要求，进行了电机的选择、工作台的设计及计算、测量架的设计及计算等。并根据设计和计算结果绘制 CAD 装配图和部分零件图。通过构思机构运动方式和传动结构布局、并对零部件进行三维实体造型和设计计算等环节，培养了我的设计、计算、制图能力，通过比较完整系统的设计过程，以提高我的独立分析与解决工程实际问题的能力。关键词 丝杠测量仪 滚珠丝杠 工作台毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title The Structural Design of Screw Gauge Table AbstractThis paper describes the measuring table of the screw profile and the development status and trends, and screw gauge table design theme, the main table and the measuring instrument for measuring screw frame design and calculation . According to the design requirements for the motor selection, design and calculation table, measuring frame design and calculation. The results according to the design and CAD drawing assembly and some parts diagram.Institutions through the concept of structure and layout of the Movement and transmission, and three-dimensional solid modeling components and design aspects of computing, cultivated my design, calculation, drawing ability, by comparing the complete system design process to improve my independent analysis and The ability to solve practical engineering problems.Keywords Screw gauge Ball screw Table本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 I 页 共 I 页目 录1 引言 11.1 滚珠丝杠的类型 11.2 滚珠丝杠的特点 21.3 滚珠丝杠副的发展现状及趋势 21.4 课题任务要求 62 丝杠测量仪工作台部分设计 72.1 电机的选择 72.2 丝杠测量仪工作台部分的结构设计142.3 丝杠测量仪工作台部分的技术要求203 丝杠测量仪测量架部分的设计213.1 涡轮蜗杆的选择213.2 测量架部分其他零部件的选择274 总结30结束语 31致 谢 32参考文献 33本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 33 页1 引言所 谓 滚 珠 丝 杠 就 是 是 将 回 转 的 运 动 转 化 为 直 线 上 的 运 动 ， 或 将 直 线 上 的 运 动 转化 为 回 转 运 动 的 优 秀 的 产 品 。 螺 杆 、 螺 母 和 滚 珠 是 滚 珠 丝 杠 组 成 所 必 须 的 三 部 分 。通 过 从 滚 珠 螺 丝 的 发 展 ， 滚 珠 丝 杠 将 将 旋 转 运 动 转 变 成 直 线 的 运 动 。 从 而 使 轴 承从 滑 动 动 作 转 变 为 滚 动 动 作 。 滚 珠 丝 杠 在 各 种 工 业 设 备 和 精 密 仪 器 中 具 有 很 广 泛 的利 用 ， 原 因 就 在 于 其 摩 擦 阻 力 小 。 滚 珠 丝 杠 是 机 器 人 和 精 密 制 造 机 械 最 常 使 用 的 传动 元 件 ， 其 主 要 功 能 是 将 旋 转 运 动 转 换 成 线 性 运 动 ， 或 将 扭 矩 转 换 成 轴 向 反 覆 作 用 力 ，同 时 兼 具 高 精 度 、 可 逆 性 和 高 效 率 的 特 点 1。1.1 滚珠丝杠的类型常用的循环方式有两种：外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有 2 列、3 列、4列、5 列等几种，每列只有一圈；外循环每列有 1.5 圈、2.5 圈和 3.5 圈等几种。 （1）外循环。外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。 常用外循环方式(a)端盖式；（ b）插管式；（c）螺旋槽式。在螺母上加工一纵向孔，作为滚珠的回程通道，螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口，滚珠由此进入回程管，形成循环。插管式用弯管作为返回管道，这种结构工艺性好，但是由于管道突出螺母体外，径向尺寸较大。螺旋槽式是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单，使用广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性。 （2）内循环滚珠丝杠。内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。圆柱凸键反向器，的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的 圆 键 定 位 ， 以 保 证 对 准 螺 纹 滚 道 方 向 。 扁 圆 镶块 反 向 器 为 一 般 圆 头 平 键 镶 块 ， 镶 块 嵌 入 螺 母 的 切 槽 中 ， 其 端 部 开 有 反 向 槽 ， 用 镶 块的 外 轮 廓 定 位 。 两 种 反 向 器 比 较 ， 后 者 尺 寸 较 小 ， 从 而 减 小 了 螺 母 的 径 向 尺 寸 及 缩 短了 轴 向 尺 寸 。 但 这 种 反 向 器 的 外 轮 廓 和 螺 母 上 的 切 槽 尺 寸 精 度 要 求 较 高 2。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 33 页1.2 滚珠丝杠的特点（ 1） 驱 动 力 矩 是 滑 动 丝 杠 副 的 1/3滚 珠 丝 杠 副 能 得 到 较 高 的 运 动 效 率 的 原 因 是 丝 杠 轴 与 丝 杠 螺 母 之 间 有 很 多 的 滚珠 ， 并 且 不 断 的 在 做 滚 动 运 动 。 驱 动 力 矩 只 有 过 去 的 滑 动 丝 杠 副 的 1/3 以 下 ,即 使用 滑 动 丝 杠 副 的 1/3 的 动 力 就 可 以 使 滚 动 丝 杠 副 达 到 同 样 运 动 效 果 。 有 利 于 能 源 的节 约 。（ 2） 保 证 高 精 度只 有 使 用 日 本 制 造 的 世 界 上 水 平 最 高 的 机 械 设 备 ， 并 且 通 过 连 贯 的 生 产 才 能 生产 出 高 精 度 的 滚 珠 丝 杠 副 ， 特 别 是 在 各 个 工 序 的 工 厂 环 境 方 面 ,严 格 的 控 制 了 温 度和 湿 度 ， 通 过 运 用 完 善 的 品 质 管 理 体 制 使 滚 珠 丝 杠 副 的 精 度 得 以 保 证 。（ 3） 精 确 的 微 进 给要 保 证 实 现 精 确 的 微 进 给 ， 需 要 极 小 的 启 动 力 矩 ， 不 会 出 现 滑 动 运 动 那 样 的 爬行 现 象 。 由 于 滚 珠 丝 杠 副 是 利 用 滚 珠 运 动 ， 所 以 可 以 实 现 微 进 给 。（ 4） 没 有 侧 隙 、 刚 性 较 高滚 珠 丝 杠 副 通 过 加 压 ,利 用 压 力 可 使 轴 向 的 间 隙 变 成 负 数 ,从 而 使 刚 性 变 高 。 同样 的 ， 在 机 械 装 置 等 的 实 际 运 用 时 , 丝 杠 螺 母 副 刚 性 的 增 强 也 是 由 于 压 力 对 滚 珠 的斥 力 。（ 5） 进 给 可 实 现 高 速 度由 于 运 动 效 率 高 、 发 热 小 的 特 点 ， 滚 珠 丝 杠 可 实 现 高 速 的 进 给 3。1.3 滚珠丝杠副的发展现状及趋势美 国 通 用 汽 车 公 司 萨 吉 诺 分 厂 是 世 界 上 首 先 使 用 滚 珠 丝 杠 副 的 ， 汽 车 的 转 向 机构 是 滚 珠 丝 杠 副 第 一 个 使 用 的 地 方 。 二 十 世 纪 四 十 年 代 ， 滚 珠 丝 杠 副 在 美 国 开 始被 大 量 生 产 并 用 于 汽 车 的 转 向 机 构 ， 1943 年 ， 滚 珠 丝 杠 副 开 始 运 用 于 滚 珠 ,转 矩 ,结 构 ,误 差 ,动 量 ,公 称 ,精 度 ,行 程 ,数 控 ,机 床 等 多 个 方 面 。 1943 年 ， 飞 机 上 出 现 了滚 珠 丝 杠 副 。 滚 珠 丝 杠 副 在 精 度 和 性 能 上 产 生 了 很 大 的 提 高 要 归 功 于 精 密 螺 纹 磨床 的 出 现 ， 数 控 机 床 和 各 种 自 动 化 设 备 的 发 展 ， 对 滚 珠 丝 杠 副 的 生 产 研 究 提 供 了 极大 的 帮 助 。 二 十 世 纪 五 十 年 代 ， 在 工 业 发 达 的 国 家 中 ， 大 量 出 现 了 滚 珠 丝 杠 副 的生 产 厂 家 ， 例 如 ： 美 国 的 WARNER-BEAVER 公 司 、 GM SAGINAW 公 司 ； 英 国 的 ROTAX本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 33 页公 司 ； 日 本 的 NSK 公 司 、 TSUBAKI 公 司 等 。 我 国 早 在 五 十 年 代 末 期 就 开 始 研 究 用 于程 控 机 床 、 数 控 机 床 的 滚 珠 丝 杠 副 。 高 效 率 、 高 精 度 、 高 刚 度 是 滚 珠 丝 杠 副 的 特点 ， 因 此 在 机 械 、 航 天 、 航 空 、 核 工 业 等 领 域 有 着 广 泛 的 应 用 。 今 天 ， 滚 珠 丝 杠副 已 成 为 机 械 传 动 与 定 位 的 第 一 部 件 。 滚 珠 丝 杠 副 的 发 展 的 体 现 4：（ 1） 滚 珠 丝 杠 副 的 类 型由 于 滚 珠 丝 杠 副 的 使 用 越 来 越 多 ， 因 此 现 实 中 对 滚 珠 丝 杠 副 的 要 求 也 越 来 越 多 ，普 通 规 格 和 精 度 的 滚 珠 丝 杠 副 已 早 就 不 能 满 足 使 用 的 要 求 ， 例 如 航 天 航 空 领 域 、 微型 精 密 检 测 装 置 、 电 子 以 及 半 导 体 装 置 等 基 本 上 都 需 要 微 型 滚 珠 丝 杠 副 。 微 型 滚 珠丝 杠 副 的 特 点 是 公 称 直 径 10mm， 导 程 =0.5 2.0 mm。 日 本 的 NSK 公 司 已 开dhp发 出 =4mm， 导 程 =0.5mm 的 世 界 上 最 小 导 程 的 微 型 滚 珠 丝 杠 副 。 微 型 大 导 程 滚0dhp珠 丝 杠 副 充 分 满 足 了 半 导 体 插 件 装 置 、 小 型 机 器 人 等 的 制 造 ， 高 速 运 动 的 要 求 得 到了 满 足 。机 械 产 品 速 度 、 效 率 和 自 动 化 程 度 发 展 迅 速 ， 机 械 移 动 装 置 、 数 控 镗 床 、 铣 床以 及 单 片 机 自 动 机 械 等 ， 不 断 提 高 其 进 给 驱 动 速 度 ， 大 导 程 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 出 现 ，满 足 了 高 精 度 和 速 度 的 要 求 。 日 本 NSK 公 司 已 开 发 出 的 超 大 导 程 滚 珠 丝 杠 副 德 公 称直 径 导 程 为 ： 16mm40mm、 15mm50mm、 25mm60mm、 24mm 80mm， 进 给 速 度可 到 3m/s。滚 珠 丝 杠 副 目 前 还 很 难 有 统 一 的 类 别 ， 但 是 世 界 上 每 个 国 家 一 般 的 分 类 原 则 是 ：普 通 滚 珠 丝 杠 副 一 般 指 公 称 直 径 为 16 毫 米 到 100 毫 米 之 间 ， 导 程 为 4 毫 米 到0d hp20 毫 米 ， 螺 旋 升 角 要 小 于 九 度 。公 称 直 径 小 于 等 于 12 毫 米 的 滚 珠 丝 杠 副 就 是 微 型 滚 珠 丝 杠 副 。 对 于 导 程0dPh 3mm 的 滚 珠 丝 杠 副 称 为 微 型 小 导 程 滚 珠 丝 杠 副 就 是 导 程 小 于 等 于 3 毫 米 ， 螺hp旋 升 角 大 于 九 度 的 滚 珠 丝 杠 副 称 为 微 型 大 导 程 滚 珠 丝 杠 副 。公 称 直 径 大 于 等 于 16 毫 米 的 滚 珠 丝 杠 副 就 是 大 导 程 滚 珠 丝 杠 副 ， 螺 旋 升 角0d大 于 九 度 小 于 等 于 十 七 度 或 导 程 小 于 等 于 的 滚 珠 丝 杠 副 ， 螺 旋 升 角 大 于 十 七0dhp度 称 为 超 大 导 程 滚 珠 丝 杠 副 。公 称 直 径 大 于 等 于 125 毫 米 的 滚 珠 丝 杠 副 就 是 重 型 滚 珠 丝 杠 副 。0d本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 33 页（ 2） 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 组 成滚 珠 丝 杠 副 最 常 用 的 结 构 就 是 内 循 环 结 构 和 外 循 环 结 构 。 内 循 环 结 构 以 圆 形 反向 器 和 椭 圆 形 反 向 器 为 代 表 ， 外 循 环 结 构 是 以 插 管 为 代 表 。 在 本 质 上 这 两 种 结 构 的性 能 是 一 样 的 ， 安 装 连 接 尺 寸 大 的 是 外 循 环 结 构 ； 安 装 连 接 尺 寸 小 的 是 内 循 环 结 构 。到 今 天 ， 已 有 超 过 10 种 滚 珠 丝 杠 副 的 结 构 ， 但 比 较 常 用 的 主 要 有 ： 内 外 循 环 结 构 ；端 盖 结 构 ； 盖 板 结 构 。内 循 环 结 构 反 向 器 的 形 状 常 用 的 就 是 圆 形 和 椭 圆 形 。 由 于 圆 形 滚 珠 反 向 通 道 较短 ， 因 此 ， 圆 形 滚 珠 在 流 畅 性 上 不 如 椭 圆 形 结 构 。 到 今 天 为 止 ， 椭 圆 形 内 通 道 结 构成 为 最 好 的 反 向 器 结 构 ， 由 于 滚 珠 反 向 不 通 过 丝 杠 齿 顶 ， 类 似 外 循 环 结 构 ， 因 此 ， 消除 了 丝 杠 齿 顶 倒 角 误 差 给 滚 珠 反 向 带 来 的 影 响 。 这 种 结 构 的 推 广 制 造 受 到 了 工 艺 过于 复 杂 的 影 响 。（ 3） 精 度 的 提 高以 前 ， 主 要 通 过 提 高 滚 珠 丝 杠 副 本 身 的 精 度 来 获 得 高 的 定 位 精 度 ， 因 此 ， 导 程误 差 的 累 积 有 很 严 格 的 条 件 ， 加 大 了 制 造 的 难 度 ， 提 高 了 生 产 成 本 。 现 在 的 科 技 程度 发 展 的 越 来 越 高 ， 数 控 补 偿 技 术 出 现 了 。 因 而 ， 高 的 定 位 精 度 不 一 定 需 要 很 高 精度 的 滚 珠 丝 杠 副 。 为 了 配 合 数 控 补 偿 技 术 的 特 点 ， 国 际 标 准 和 部 颁 标 准 都 对 滚 珠 丝杠 副 的 行 程 变 化 作 了 体 现 ， 如 有 效 行 程 内 、 任 意 200mm 行 程 内 和 6.28mm 弧 度 内 行程 变 动 量 。 这 就 可 以 调 控 滚 珠 丝 杠 副 行 程 误 差 的 直 线 性 ， 也 就 是 线 性 化 。 数 控 误 差补 偿 有 了 可 能 。（ 4） 滚 珠 丝 杠 副 性 能随 着 生 产 力 的 不 断 提 高 ， 企 业 对 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 性 能 要 求 也 越 来 越 高 ， 使 机械 产 品 能 实 现 精 度 高 且 能 稳 定 运 作 的 特 点 ， 就 是 运 转 平 稳 以 及 没 有 停 滞 的 现 象 。 滚珠 丝 杠 副 预 紧 转 矩 的 变 动 量 是 滚 珠 丝 杠 副 运 转 是 否 平 稳 的 主 要 因 素 ， 在 不 同 的 丝 杠转 速 下 滚 珠 丝 杠 副 所 运 动 的 流 畅 性 不 同 ， 所 以 ， 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 预 紧 转 矩 也 不 会一 样 。 国 际 标 准 以 及 部 颁 标 准 规 定 了 在 转 速 为 一 百 转 每 分 钟 时 ， 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的预 紧 转 矩 所 允 许 的 误 差 。由 于 加 工 过 程 中 存 在 误 差 ， 就 像 滚 珠 丝 杠 的 中 径 全 长 不 相 等 ， 丝 杠 和 螺 母 的 导程 都 存 在 误 差 ， 丝 杠 与 螺 母 上 的 齿 形 上 的 差 异 还 有 表 面 粗 糙 度 等 ， 使 滚 珠 丝 杠 副 的动 态 预 紧 转 矩 在 丝 杠 螺 纹 全 长 上 不 是 恒 定 的 ， 驱 动 系 统 的 平 稳 性 受 到 影 响 ， 因 而 也影 响 滚 珠 丝 杠 副 的 定 位 精 度 。 因 此 ， 反 映 滚 珠 丝 杠 副 性 能 好 坏 的 重 要 指 标 就 是 滚 珠本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 33 页丝 杠 副 预 紧 转 矩 变 动 量 的 大 小 。今 天 ， 人 们 开 始 重 视 对 滚 珠 丝 杠 副 的 预 紧 转 矩 变 动 量 的 大 小 ， 滚 珠 丝 杠 副 综 合行 程 误 差 曲 线 是 以 前 人 们 只 重 视 的 东 西 ， 滚 珠 丝 杠 副 预 紧 转 矩 的 曲 线 在 现 在 也 开 始被 人 们 重 视 起 来 。 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 性 能 特 点 只 有 在 这 两 条 曲 线 在 一 起 的 时 候 才 能完 好 地 反 映 出 来 。为 了 满 足 上 述 要 求 ， 北 京 机 床 研 究 所 先 后 研 制 了 滚 珠 丝 杠 副 综 合 行 程 误 差 测 量仪 和 预 紧 转 矩 测 量 仪 。 应 用 现 代 化 的 测 量 手 段 和 高 精 度 的 传 感 器 ， 在 测 量 过 程 中 能 实时 显 示 行 程 误 差 曲 线 和 预 紧 转 矩 曲 线 ， 并 打 印 出 完 整 的 测 量 报 告 ， 为 衡 量 滚 珠 丝 杠 副的 总 成 质 量 ， 提 供 了 可 靠 的 检 测 手 段 。数 控 机 床 的 发 展 到 今 天 ， 各 厂 家 追 求 的 目 标 就 是 提 高 速 度 和 效 率 ， 直 线 电 动 机已 经 开 始 用 于 加 工 中 心 ， 进 给 速 度 已 经 达 到 了 每 分 钟 160 米 以 上 ， 加 速 度 达 到 四克 以 上 ， 滚 珠 丝 杠 副 提 的 制 造 要 求 更 加 高 了 。 但 是 由 于 直 线 电 动 机 价 格 很 贵 、 控 制系 统 又 复 杂 、 需 采 取 措 施 解 决 磁 铁 吸 引 金 属 切 屑 、 强 磁 对 人 身 危 害 以 及 发 热 等 缺 点 ，在 近 一 段 时 间 普 及 还 有 一 定 难 度 。 高 速 驱 动 的 最 好 的 选 择 任 然 是 滚 珠 丝 杠 副 ， 滚 珠丝 杠 副 在 国 外 大 部 分 高 速 加 工 中 心 任 然 大 量 使 用 。 为 了 提 高 驱 动 速 度 ， 设 计 时 不 但要 提 高 电 动 机 的 转 速 ， 还 要 使 用 大 导 程 的 滚 珠 丝 杠 副 ， 导 程 可 以 到 32 毫 米 。 像 日本 的 马 扎 克 公 司 在 某 种 机 床 上 使 用 的 滚 珠 丝 杠 副 ， 机 床 快 速 移 动 速 度 可 以 到 90 米每 分 钟 ， 加 速 度 可 以 到 一 点 五 克 。以 前 ， 人 们 由 于 担 心 大 导 程 滚 珠 丝 杠 副 的 驱 动 对 数 控 加 工 中 心 精 度 的 影 响 ， 设计 时 设 导 程 小 于 等 于 10 毫 米 。 科 技