（机械工程专业论文）高速重载滚珠丝杠副轴向动态刚度及实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 滚珠丝杠副作为精密直线传动元件广泛应用于全电动注塑机等自动化数控机床中，但 高速重载的工况会对滚珠丝杠副的传动性能产生巨大影响，本文在此基础上对高速重载滚 珠丝杠副的轴向动态刚度进行探讨和研究。 本文主要工作内容如下： 第一章，介绍论文的研究背景和意义，概述滚珠丝杠副的特点及其分类。随后概述了 滚珠丝杠副在国内外的发展制造现状以及理论研究成果，最后给出了论文主要研究内容和 结构框架。 第二章，对影响滚珠丝杠副轴向动态刚度的各个要素进行一一分析，丝杠副的支承形 式、预紧方式、预紧力的确定、结构参数、运动参数以及摩擦和润滑都会对丝杠副的轴向 刚度产生影响。综合考虑各个方面的因素，建立滚珠丝杠副轴向动态刚度模型。 第三章，考虑实际工作过程中的冲击载荷以及离心力作用的影响，建立滚珠丝杠副受 力模型，利用螺母和丝杠的速度关系，得到二者之间加速度的关系，利用赫兹应力公式推 导出螺母侧和丝杠侧的接触应力公式，进而由接触弹性变形求出螺母侧和丝杠侧的接触刚 度，并用算例表明结构参数和运动参数以及间隙是如何影响滚珠丝杠副的弹性接触变形。 第四章，基于全电动注塑机合模机构，对高速重载工况下的滚珠丝杠副进行定位精度 实验测试。叙述测试系统的原理，装置实验过程和实验数据的处理的步骤，通过前文建 立滚珠丝枉副的轴向动态刚度模型，计算出滚珠丝杠副的单位阶跃响应，然后将试验中位 移光栅尺测得的位移数据转化为单位阶跃响应，对比理论数据和试验数据，验证应力公式 和动态刚度模型的正确性，并根据刚度和频率的关系，分析速度和加速度对刚度的影响。 第五章，总结本文研究结果和创新点，指出滚珠丝杠副研究中尚未解决的问题，并对 进一步的研究工作进行展望。 关键词：滚珠丝杠副，动态刚度，间隙，速度，加速度，定位精度 浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t b a l ls c r e wi sw i d e l yu s e di i la l le l e c t r i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c l l i n e sa r l do t l l e ra l i c o m a t e d m a c l l i n e r ya sap r e c i s i o nl i i l e a rd r i v ec o m p o n e n t b u tu i l d e rl l i 曲一s p e e d 锄do v e r l o a d e d c o n d i t i o n ，仃| 肌s i i l i s s i o np e 墒珊a n c eo fm eb a l ls c r e wb e c o m e sp o o r s oo nt l l i sb a s i s ，锄s d i s s en _ a t i o ni st 0d i s c u s sa n dr e s e a r c ht 1 1 ed y n 锄i cs t i 缸e s so f b a l ls c r e w t k sd i s s e 触i o ni sc o n l p o s e do f 吐l ef o l l o w m gp a n s ： 1 1 1t l l ef i r s tc h a p t e r ，i 1 1 仃o d u c e 也er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g 面丘c a l l c e ，a r l d 酬唧吼a r i z e s t h ec h a r a c t e r i s t i c sa i l dd e v e l o p m e mo f 也eb 2 l l ls c r e w t h e ng i v et 1 1 ep 血i l a r yc o n t e n t so ft 址s d j s s e r t a t i o n i n 1 es e c o n dc h a p t e r ，a i l a l y z et l l ei 1 1 f l u e n c ef a c t o r so fa ) 【i a ld y n 锄i cs t i 航e s so fm eb a l l s c r e w s u p p o n i n gf o n l l ，p r e l o a d e d ，p r e l o a df o r c e ，蛐r u c t u r ep 猢e t e r s ，m o t i o np a r 锄e t e r s ， 衔c t i o n 觚l 抓埘c a t i o ni m p a c ts t i 筋e s so f 也eb a l ls c r e w c o m p r e h e i l s i v ec o n s i d e 血ga d la s p e c t s o ff k t o r s ，e 能如l i s ha x i a l ( 1 y n a i l l i cs t i 由陆e s sm o d e lo f b a l ls c r e w i i lt 1 1 et h i r dc h 印t e r ，c 伽s i d e r i n gi m p a c tl o a da i l dc e n t r i m g a lf o r c ee 髋c ti nt h ea c t l l a lw o r k p r o c e s s ，e 嘲b l i s ht 1 1 eb a l ls c r e wd y n 锄i cf o r c em o d e l - u s i n gt l l es p e e dr e l a t i o i l s l l i pb e t v 佗e n n u t sa i l d s c r e w ；g e tn l ea c c e l e r a t i o nr e l a t i o n s h i p t h ec o n t a c ts 仃e s sf o m u l a sa r l dc o 硝a c t s t i 归陆e s sf o m u l a so ft h en u ts i d ea l l ds c r e ws i d ea r ed e d u c e db yu s i n gh e r t zs h e s sf o 肌u l a ，a n d m e nu s i n gm l m ! e r i c a le x 锄p l et 0s h o w st h a th o wt l l es t m c t u r ep a r a m e t e r sa i l d 也em o t i o n p a r a m e t e r sa n dt l l eg a pi i l f l u e l l c eb a l ls c r e we l a s t i cc o m a u c td e f o 皿a t i o n 1 1 1t 1 1 ef o u n hc h a m e r ，b a s e do na l le l e c 仃i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c l l i n em o l m e 耀e d i n s t i t u t i o n s ，t e s t i n gb a l ls c r e wp o s “i o np r e c i s i o nu n d e rm 曲一s p e e do v e r l o a d e do p e r a t i o n u s i i l g a ) 【i a ld y n a i i l i cs t i 饪h e s sm o d e lo f b a l ls c r e w ，c a l c u l a t eu 1 1 i ts t e pr e s p o l l s e ，l e n 觚f o 册 m e a s u r e dd i s p l a c e n l e n td a 妇w i l i c hc a ng e tf o m g r a t i l l gf e e t i n t ot l l eu i l i ts t e pr e s p o 璐e ， c o n t r a s te x p e r i m e md a t a 丽t 1 1m e o 巧d a t a ，p r 0 v es 臼e s sf o m l u l aa 1 1 dd y n 撇i cs t i 髓e s sm o d e la r e c o n e c t a n dn l e na c c o r d i n gt ot l l er e l a t i o n s l l i pb e 押e e ns t i 触e s sa i l d6 e q u e n c y ，a i l a l y z eh o wt 1 1 e s p e e da 1 1 da c c e l e r a t i o ni i l f l u e n c et l l es t i 助e s s 1 1 1f i f mc h a 社e r ，驯l i i ：l r r 嘶z et 1 1 em a i l lr e s e a r c hr e s u l t s ，e r n p h a s i z e st l l ep a p e r si i l l l o v a t i o n ， a n d 血r i l l e rr e s e a r c hw o r ki sp r 0 s p e c t e d k 码哪o r d s ：b a l ls c r e w ，d y n 锄i cs t i 筋e s s ，c l e a r a i l c e ，s p e e d ，a c c e l e r a t i o n ，p o s i t i o l l i n ga u c c u m c y 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 时光飞逝，两年半的研究生生活即将结束，站在人生的又一个转折点上，一种感恩之 情油然而生。首先，我要感谢我的导师李凌丰副教授，本论文是在李老师的悉心指导下完 成的，他提出严格要求，引导我不断开拓思路，鼓励我大胆创新，使我在这一段美好的时 光里，既增长了知识，开阔了视野，也锻炼了意志，培养了科研精神李老师正直的为人、 求是的学风、严谨的治学态度都影响和帮助了我，也将激励我在以后的工作和学习中继续 努力。 衷心感谢浙江大学工程与计算机图形学所的谭建荣教授，张树有教授，陆国栋教授 刘振宇教授，冯毅雄副教授、伊国栋副教授和董进老师等对我学习和生活上的关怀和帮助。 感谢同窗鞠永兵赵鑫、吴媛媛、叶友本、李大平、周虹张庆、豆瑞发、郭传龙 金易笔、傅军亮、郑贵荣、朱广宇等，在图形所求学的两年半时光里，我们一起探讨科研 与人生，分担欢乐和忧愁，衷心希望你们前途无量；感谢博士生刘晓健师兄、任彬师姐等 对我的帮助；感谢我的室友刘日明、沈绍锋、彭新源等在学习和生活上对我的帮助，你们 让我知道了研究生生活的乐趣和为科研拼搏的魅力；感谢宁波海天注塑机股份有限公司的 陈邦峰、赵龙等在项目进行中对我的指导和帮助。最后还要特别感谢我的师姐刘彩芬在项 目上给予我大量的帮助。 感谢我的父亲、母亲、哥哥和妹妹一直以来对我学业和生活的支持。你们的全力支持 是我最大的后盾，感谢你们在我成长和求学的路程中所给予的支持与爱护，我会继续努力 不负你们的期望。 最后，感谢浙江大学良好的学习环境和求是的学术氛围，在这里我知道了自己想成为 什么样的人，感谢图形所提供的良好的科研条件，感谢所有关心和帮助我的人们，我将不 断拼搏进取。 刘际轩 二零一二年一月于求是园 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第l 章绪论 【本章摘要】介绍论文的研究背景和意义，概述滚珠丝杠副的特点及其分类。随后概述了 滚珠丝杠副在国内外的发展制造现状以及理论研究成果，最后给出了论文主要研究内容和 结构框架。 1 1 论文研究背景和意义 1 1 1 论文研究的背景 作为国民经济增长和技术升级的原动力，机械工业伴随高新技术和新兴产业的发展而 共同进步，并充分体现先进制造技术向智能化、柔性化、网络化、精密化、绿色化和全球 化方向发展的总趋势和时代特征。我国“十二五”机械工业发展总体规划( 摘要) 也将 发展目标定位于由机械制造大国转变为机械制造强国，重点任务包括促进发展方式转变， 优化调整产品结构，增强自主创新能力，加强质量品牌建设，培育发展新兴产业，提高国 际合作水平。 注塑产业作为机械工业的重要组成部分，也是我国“十二五”重点发展的产业，存在 很多不容乐观的问题：产业能源消耗大，产出率低、环境污染严重，对自然资源破坏力大， 技术创新能力薄弱，关键基础零件国产化低。而且，现代社会消费者对塑料制品的要求也 在逐渐提高，生活中常用的数码产品等精密注塑不仅要求很高的材料科学技术，而且还要 求先进的注塑成型技术u 1 ，甚至一些医疗器械、药用、食品包装、饮食用制品等对生产设 备和生产工艺都提出了更高的要求。传统的液压注望机耗能较高，也不能保证产品的质量， 全电动注塑机就应时而生了。2 0 世纪8 0 年代，日本一些注塑机厂家就推出了一种以伺服 电机+ 滚珠丝杠副传动来代替传统注塑机的驱动油缸的全电动注塑机，其最根本的特点是 所有驱动模块全为电动式，而非传统的液压式，它的出现使得注塑机械向高速、高效，节 能、环保和生产自动化方向发展变为可能。 全电动注塑机的核心部件是两条滚珠丝杠一一一用于塑料注射，一用于合模机构。合 模机构的开模合模都是依靠丝杠的旋转运动转换成滚珠螺母的直线运动，进而带动动模板 完成开模合模、锁模等功能。全电动注塑机采用伺服电机+ 滚珠丝杠副传动，相对于传统 液压注塑机有很多优点，如性能更稳定、生产效率更高、性价比更高，同时也排除了液压 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 油的污染、消除了噪声，使工作环境更清洁等拉。在目前我国日益推进节能降耗减排，由 传统制造向绿色制造转变的前提下，全电动式注塑机以其高效率，低损耗、绿色环保的特 点，受到越来越多生产厂家的喜爱，其未来发展空间十分巨大d 4 1 。 合模机构的滚珠丝杠副作为全电动注塑机的驱动部件，在注塑机合模时受到来自动模 板的巨大合模力，这种高速重载的工况条件很容易造成丝杠副的磨损和损坏目前，我国 使用的高速重载滚珠丝杠副主要依赖进口日本n s k 、t h k ，德国的n e f f ，f a g 、r a c o ， 英国的r o t a x 等外国企业的产品，这导致注塑机整机的大部分附加值被国外厂家拿走， 售后服务也成了难题，而我国对滚珠丝杠副的研究还处于发展阶段，在滚珠丝杠副产品设 计、制造工艺和测试技术各个方面与国外先进水平还有不小差距，许多的技术问题有待于 进一步解决b 引。本文正是在此背景下对高速重载滚珠丝杠副进行研究。 1 1 2 论文研究的意义 近几年来，国外著名生产企业的滚珠丝杠副都向高速、精密、重载、复合化、智能化、 环保化的方向发展，而我国则需要在丝杠副产品设计和制造上有所突破，在稳定性和可靠 性适当提高。 滚珠丝杠副作为精密传动装置，其精度和传动性能直接关系到合模定位精度和重复定 位精度，进而影响注塑机的注塑精度全电动注塑机精度要求能达到微米级( 0 o l m m ) ， 重复定位精度误差为0 0 1 ，但随着工程要求的提高，滚珠丝杠副的运行速度和承受载荷 都有大幅度提高的趋势，高速重载工况条件下的滚珠丝杠副的运动机理、变形特征、磨损 机理不同于传统工况，d n 值较大，具体的反应出来就是刚性差，噪声超标，摩擦力加大、 性能一致性差，疲劳损伤加快。因此对于高速重载工况下的滚珠丝杠副的研究十分必要。 而且随着高速技术的发展，“伺服电机+ 滚珠丝杠”的传统传动方式的缺陷越来越明 显：电机输出的旋转运动经过联轴器、滚珠丝杠副等一系列中间传动和变换环节，使得整 个传动系统的刚度降低1 而滚珠丝杠副的轴向刚度是注塑机进给系统中刚度最为薄弱的 环节隅1 。为了提高注塑机的注塑精度和产品一致性，必须研究滚珠丝杠副的轴向刚度和定 位精度。 滚珠丝杠副的轴向刚度为与滚珠丝杠副相关联的零部件刚度的串联总和1 影响滚珠 丝杠副轴向刚度的因素是十分复杂的，其中以丝杠、螺母组件和支承轴承的轴向刚度影响 最大，其他零部件的影响较小，可忽略不计。为深入的了解各个组件影响轴向刚度的状况， 要对影响滚珠丝杠副轴向动态刚度的各个要素进行一一分析。 2 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 轴向刚度由支承轴承的刚度、轴向接触刚度以及丝杠侧和螺母侧的接触刚度组成，丝 杠侧和螺母侧的接触刚度相对比较复杂，需单独进行研究。丝杠侧和螺母侧的接触刚度的 获取是以接触应力的研究为基础，所以必须详细的研究滚珠丝杠副的应力状况。对于全电 动注塑机合模机构的滚珠丝杠副，会受到频繁的冲击载荷作用，而且当丝杠高速运转时， 滚珠离心力的作用也不可忽略。因此，结合速度和加速度对滚珠丝杠副进行动态应力的研 究是十分必要的。 我国与国外先进的滚珠丝杠副生产企业的差距不仅仅在于原材料、加工设备上，检测 手段上也存在很大差距。所以设计基于全电动注塑机的测试系统是十分必要的，通过获得 丝杠副各个时刻的位置数据，研究高速重载状况下速度和加速度如何影响滚珠丝杠副定位 精度，进而影响轴向接触刚度，从而为提高注塑产品质量和一致性提供理论依据。 1 2 滚珠丝杠副的特点及分类 1 2 1 滚珠丝杠副特点 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母旋合形成的螺旋滚道内放置适量的滚珠作为中间传动体， 借助滚珠返回通道，构成滚珠在闭合回路中反复循环运动的一种精密传动装置n 叽川。丝杠 与螺母间的相对运动借助于滚珠的滚动将滑动摩擦变为滚动摩擦，这也是滚珠螺旋运动的 最大特点和最大优点。滚珠丝杠副一般是由丝杠1 、螺母4 、滚珠2 以及滚珠返回通道3 四部分组成，其外观如图1 1 所示。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动、静压螺旋传动相比， 具有以下特点”0 。川： 1 234 图1 1 滚珠丝杠副 l 、丝杠；2 、滚珠；3 、滚珠返回通道；4 螺母 3 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 传动效率高 滚珠丝杠副的摩擦系数经实验测得一般为0 0 0 2 5 一o 0 0 3 5 ，这对于滑动螺旋传动丝杠 与螺母间的滑动摩擦系数在0 0 6 一o 1 5 之间而言，无疑可以将摩擦阻力大大减小，功率损 耗率大大降低。由于滚珠丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达到9 0 以上，在大力提倡 节能减排，绿色环保今天，滚珠丝杠副将会发挥越来越重要的作用； ( 2 ) 传动可逆性好 ， 滚珠丝杠副摩擦阻力小，不能自锁，从而实现运动的可逆。它不仅能将直线运动转变 成回转运动，也能将回转运动变成直线运动。但对于必须防止逆传动的场所，滚珠丝杠副 需要庞杂的防逆转装置； ( 3 ) 传动精度高 滚珠螺旋副的摩擦阻力小，工作时的温度变化很小，传动平稳，几何尺寸也非常稳定， 因此滚珠丝杠副具有很高定位精度和重复定位精度，一般经过预紧的丝杠副定位精度可以 达到1 0 l 州3 0 0 m m ，这也是滚珠丝杠副被广泛应用于高精密场合的主要原因； ( 4 ) 同步性能好 由于丝杠与螺母间的相对运动是滚动摩擦，所以滚珠丝杠副不仅摩擦阻力小启动摩 擦力矩小，而且启动快，可以消除滑动螺旋副存在的滑移现象，所以滚珠丝杠副与驱动源 保持良好的同步性； ( 5 ) 使用寿命长 一般滚珠丝杠副的材料都是选用耐磨性好且变形小的钢，而且滚珠丝杠副的丝杠、螺 母和滚珠都经过淬硬，再加上滚动摩擦产生的磨损极小，因此相对于滑动丝杠副来说滚珠 丝杠副工作寿命很长，可一定程度上弥补丝杠副制造成本大的不足。 ( 6 ) 工艺难度大，成本高 滚珠丝杠副也有结构复杂，需要特殊回转器，防逆转装置等缺点。作为典型的精密传 动部件，它的加工精度、装配精度、材料及热处理等都有比较严格的要求，因此，相对传 统的滑动螺旋副，其制造困难、成本高； 1 2 2 滚珠丝杠副的分类 滚珠丝杠副结构参数众多，结构形式各异，根据螺纹滚道型面的形状、滚珠循环方式、 轴向间隙的调整预紧方法和滚珠丝杠副的尺寸等方面可以将滚珠丝杠副分成以下结构形 式u0 1 1 1 ： 4 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 ( 1 ) 螺纹滚道型面的形状 滚珠丝杠副滚道型面是指通过滚珠中心作螺旋线的法截平面与丝杠、螺母螺纹滚道面 的交线。这个滚道型面的形状、尺寸参数对滚珠螺旋传动的传动性能有较大影响，目前国 内常用滚道型面有单圆弧形和双圆弧形两种，如图1 2 所示。 ( a ) 单圆弧型面( b ) 双圆弧型面 图1 2 滚道型面示意图 滚珠与滚道型面接触点的公法线与通过滚珠中心的丝杠直径线之间，在过接触点的轴 平面上的夹角称为接触角，它与滚珠丝杠副的承载能力和传动性能有很大的关系n 玑川。 单圆弧形滚道的优点是磨削螺纹滚道的砂轮成型比较简单，容易获得较高的加工精 度，缺点是单圆弧滚道型面的接触角不容易控制，它随初始间隙和轴向载荷的变化而变 化，因而使得滚珠丝杠副的承载能力和轴向刚度等变得不稳定。而双圆弧形滚道型面能够 在工作过程中保持接触角不变，因而传动过程相对稳定，而且螺纹槽底部有沟槽，可容 纳一定的润滑油，可使磨损减小，对滚珠的流畅性很有好处，但是相对于单圆弧形滚道来 说，砂轮成型比较复杂，精加工比较困难。 ( 2 ) 滚珠循环方式 按照滚珠在循环反向的过程中与丝杠表面脱离与否，可分为内循环和外循环，如图 1 3 所示。 a 内循环 滚珠在循环过程中始终不脱离丝杠表面的循环方式称为内循环，如图1 3 a 所示，回 珠装置位于螺母的侧孔内，滚珠借助反向器上回珠槽的作用，被迫回到原始滚道开始新一 圈的循环，形成一个完整的滚珠链，这种滚珠丝杠副滚珠少，运行阻力小，传动效率高， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 但是滚珠反向器的加工比较困难，费用较高； b 外循环 滚珠在循环完成后返回时离开了丝杠螺纹滚道而在螺母体内或者体外循环称为外循 环，如图1 3 b 所示，外循环滚珠丝枉副根据滚珠返回装置构造不同可分为套筒一螺旋式， 插管式和端盖式，其中，插管式结构简单，工作可靠，工艺性好，可大批量生产，适用于 高速重载的驱动系统，也适用于精密定位系统，正在被广泛应用，我们研究的对象也正是 插管式滚珠丝杠副。 隔 | j 囝囝j 隔扛愈彳h 热i 龇 煳世码l 必 。影4 ( a ) 内循环方式( b ) 外循环方式 图1 3 滚珠丝杠副的内循环和外循环 ( 3 ) 轴向间隙的调整预紧方法 轴向间隙指丝杠转动而螺母移动时，在轴向载荷作用下，滚珠与滚道接触弹性变形所 引起的螺母位移量和丝杠、螺母间初始间隙的总和。滚珠丝杠副作为精密的传动零件，工 作时必须严格控制轴向间隙，否则丝杠反转时，产生空回误差由于制造，安装误差以及 工作中丝杠变形存在，滚珠丝杠副间隙不可避免，但可以通过预紧的方式来消除轴向间隙、 减少空回误差。 按照工作性能和结构特点的不同，常用的预紧方式可分为双螺母齿差式、双螺母螺纹 式、双螺母垫片式和单螺母变位导程自预紧式四种，不同预紧方式对丝杠副的传动性能有 很大影响，将在第2 章中详细介绍。 ( 4 ) 丝杠副的尺寸 随着滚珠丝杠副也被广泛地应用于航空航天等微型精密领域，因此滚珠丝杠副也在向 着微型化方向发展n 扔。日本n s k 已开发出公称直径为4 衄，导程o 5 m m 的微型滚珠丝杠 副哺1 。另一方面随着机械产品向高速方向发展，各种自动机械的进给驱动速度不断提高， 滚珠丝杠副也向着大导程化发展。目前，日本n s k 公司已开发出公称直径导程为： 1 5 倒m 4 0 m m 、1 6 n m 5 0 i i u l l 、2 0 衄6 0 n u n ，2 5 i l l i l l 8 0 l m 的超大导程滚珠丝杠副，快速 进给速度达18 0 删m i i l 。 淅江大学硕士学位论文第1 章绪论 目前国内外文献上对滚珠丝杠副的尺寸规格还没有统一的分类，但各国一般是按以下 原则进行分类的m 1 ： 驯卅2 训篇篇2 冀哟 普通滚珠丝杠副( 巩= 1 6 1 0 0 m 聊，只= 4 2 0 小聊，力9 。) 一燃硎脚。，做黧并肛1 7 。藏o 5 郇耶引 重型滚珠丝杠副( 1 2 5 ，z ，2 ) 1 3 国内外的发展与研究现状 1 3 1 滚珠丝杠副在国内外的发展 ( 1 ) 滚珠丝杠副国外发展现状 1 8 7 4 年，滚珠螺旋传动的螺旋压力机就在美国申请专利，随后德国专利和英国专利 也都介绍过滚珠螺旋传动的不同设计方法。1 9 4 0 年，美国通用汽车公司首次将滚珠丝杠 用于汽车的转向结构；1 9 4 3 年，滚珠丝杠副开始用于飞机上；1 9 4 7 年，滚珠丝杠副成为 数控机床理想的进给元件；1 9 6 1 年，n s k 首次在机床中采用了精密滚珠丝杠；各种自动 化机械的发展，推动了滚珠丝杠副的生产制造和研究n2 1 。之后，滚珠丝杠副由于具有高效 率、高精度、优越的高速特性和耐磨损性及运动的可逆性等良好的机械传动性能，在机床 工业、汽车工业、航空航天工业等各个部门得到了大规模的应用b 删。 滚珠丝杠副作为驱动系统中的重要执行机构，速度不断提高，稳定性也在不断改善， 精度，刚度、负载：自润滑、噪声、温升、寿命等性能也一直在不断取得进步目前世界 上滚珠丝杠副的知名生产厂家如德国的s m 讯、i n a 公司、英国的r o 丑埙公司、日本的 n s k 公司、t h k 公司、意大利的s k f 等在陆续推出基于新型技术的滚珠丝杠副。 德国s c h a e m e r 公司与k a r l s m h e 大学合作研制成功滚珠螺母高速旋转驱动装置，使丝 杠固定不转，而螺母高速旋转，从而避开了由于丝杠高速旋转带来的振动问题，该丝杠副 的驱动速度可达1 2 0 m m h 加速度可达3 9 “4 。日本t s u b 凼n a k a s l l i m a g 公司成功研制出 带有钢球保持架结构的滚珠丝杠副，可使得钢球间避免摩擦，减小温升，提高效率“副日 本n s k 通过应用新材料和改进丝枉的设计，已使d n 值超过了1 5 0 0 0 0 ，他们通过将冷却 液通入中空的丝杠进行强制冷却，来降低温度，从而大大地提高了丝杠的线速度，这样可 使得d n 值超过2 0 0 0 0 0 ”“，他们还推出了具有速度高、噪声低、小震动特征的b s s 系列 7 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 超高速静音丝杠，其d n 值可达到2 2 0 0 0 0 眦r m i l l ，比现有的产品提高了近一倍n 7 1 除了致力于技术创新和加工工艺改进外，滚珠丝杠副生产厂家还把检测手段的改进放 在重要位置，如联邦德国研制的g m m 4 导程测量机，对于各种不同牙型的丝杠，可以同 时完成螺纹中径、单面导程误差及双面大导程误差的测量，另外它还能够对装配完成后的 滚珠丝杠副，进行综合导程精度和空载时预紧力矩的测量“引 ( 2 ) 滚珠丝杠副国内发展现状 我国于1 9 6 4 年自行研制出第一套滚珠丝杠副。经过半个世纪的发展，我国的滚珠丝 杠副的生产制造和设计水平已经大大提高，但与国外水平差距还十分明显。特别是高速度、 高精度、高效率、复合化环保型的滚珠丝杠副与n s k 、m 、i n a 这些企业的产品 有明显差距。很多高性能的滚珠丝杠副还主要在依赖进口，这成为制约我国自动化机械发 展的一个瓶颈，所以我国在“十二五规划”中提出关键零部件自主化、国产化。 我国滚珠丝杠副与国外的差距是全方位的，主要表现在： 首先，材料上，国外发达国家采用滚珠丝杠副专用钢材，而我国却采用轴承钢，材料 的强度、刚度往往不如国外； 其次，工艺上，冷、热加工以及高速铣削、磨削技术对于滚珠丝杠副的性能会产生巨 大影响，而我国的精密加工工艺和热处理工艺还不如国外； 再次，检测手段上，国外先进的检测手段和设备保证了滚珠丝杠副的性能，我国对滚 珠丝杠副的性能检测研究时间太短，投入的人力物力太少。 但我国从未中断技术创新，一些滚珠丝杠副生产厂家如汉江机床有限公司、南京工艺 装备厂、山东济宁博特公司、广东新会凯特精密机械公司以及台湾上银科技股份有限公司 等都在滚珠丝杠副研究领域取得一定的进展。 北京机床研究所在上世纪8 0 年代，成功研制出螺纹磨削激光反馈导程误差自动校正 技术，为大导程滚珠丝杠副的螺纹磨削精度提供了保障“们。在1 9 9 2 年，设计出了3 m 激 光滚珠丝杠副综合行程误差测量仪，在2 0 0 0 年研制成功了“g s z 2 0 0 0 高速滚珠丝杠副性 能测试仪”。这些仪器用于测试高速滚珠丝杠副的定位精度、速度及加速度、噪声、温升 及热位移，为产品质量的提高奠定基础“9 1 。汉江机床有限公司在“九五”期间成功研制出 s k 7 4 3 2 型2 m 全封闭c n c 丝杠磨床、h j 0 3 l 型c n c 滚珠螺母磨床、s k 7 4 5 0 型5 m 大型 c n c 丝杠磨床，为高精密高速滚珠丝杠副的生产制造提供了关键工艺装备。台湾p m i 银 泰科技公司采用在一端封闭的空心丝杠中插入冷却油管的专利技术，改变冷却液在中空的 丝杠体内的循环方式，来减小温升“6 1 台湾上银等公司都先后推出防尘、自润滑，免维护 窟 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 新技术来解决高速化带来的润滑剂雾化、蒸发对环境的污染，以及使用过的润滑油的回收 再利用问题啦们。 综上所述，国内外滚珠丝杠副生产厂家都朝着“高速度、高精度、高效率、高可靠性、 低噪声、低温升、复合化、环保型”方向发展，我国在滚珠丝杠副设计制造和研究方面挑 战很大，发展空间也巨大。 1 3 2 滚珠丝杠副的研究现状 滚珠丝杠副的结构较滚动轴承增加一螺旋升角，因此现有很多关于滚珠丝杠副的研究 都是来源于滚动轴承理论。但是滚珠丝杠副特有螺旋升角、回珠装置、滚珠保持器等，使 其受力、变形、摩擦、润滑等特性要比滚动轴承更为复杂，目前国内外关于滚珠丝杠副的 研究还没有形成比较系统的理论，所取得的成果也远不如对滚动轴承的研究 。 程光仁等系统地叙述了滚珠螺旋传动的工作原理和特点、构造与类型，并对螺旋传动 的摩擦特性、受力与变形、额定负荷容量计算进行了详细阐述”町；吉林大学的吴长宏等研 究了影响滚珠丝杠副轴向接触刚度的各个要素，并分别对单螺母和双螺母的接触应力和弹 性交形进行分析m 1 ；东南大学的蒋书运等通过建立带滚珠丝杠副的机床直线导轨结合部的 动力学特性理论模型，研究滚珠丝杠副的动态刚度特性幢如；西安交通大学的x u e s o n g m e i ，m a s a o 血t s u t s u m i ，t a 0t a 0 ，n u o g a n gs u i l 对由滚珠丝杠副的螺旋结构和制造误差所造成 的载荷分布不均进行了研究啦4 1 ；r w h a l l e y ，m e b r a m m i ，a a a b d u l a m e e r 通过建立数控机 床的控制系统，对数控机床的进给系统进行了研究，其中包括对滚珠丝杠副变形的分析让5 ； 碰p ak a i l a s i ，s a l 】血a n a y f e h 建立了滚珠丝杠副的低阶模型并通过实验的方法对模型 进行了分析乜6 】；文献【2 7 3 1 】中的研究侧重于数控机床进给系统整体的研究，通过控制的 方法解决机床的精度问题，对滚珠丝杠副的刚度及摩擦系数有所提及但是并未进行深入的 研究。 c i l i nc h u n gw 西，j e nf i i ll i i l 对滚珠丝杠副中滚珠的动力学模型进行了推导，并引用赫 兹接触理论和滚动轴承中分析接触角变化的方法对滚珠丝枉副的接触变形的模型进行了 研究；k 删t a k a f u j i ，k a 讪i r on a k a s h i m a 对滚珠丝杠副的接触变形进行了研究 d 3 3 4 1 ；c l a u d i ob r a c c e s i 等应用弹塑性理论对返回装置变形前后的载荷及应力进行了计算和 分析”5 1 ；j u i p i i l h 吼g 等对滚珠在循环过程中对返回管的冲击进行了计算，并用有限元分 析方法对返回管的载荷分布情况进行了分析，指出改进返回管的几何形状可改善载荷分 布情况”引；d o l a n l ，gc p u i u ，l c b a l a i l ，vp u i a 引用圆锥滚子轴承中摩擦损耗的分析方 q 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 法，对滚珠丝杠副的摩擦系数进行了求解b 国内外学者在滚珠丝杠副理论的研究方面取得很大的成果，同时也设计了测试装置对 丝杠副的性能进行测试宁怀明等运用有限元分析软件对丝杠进行了模态分析，研究了丝 杠的雾阻尼自由振动，得到了系统的固有频率和振型d 。1 ；d m u l l d o 提出了滚珠丝杠副传动 动态性能优化的方法，通过设计一对变半径齿轮作为驱动机构以降低丝杠的加速度峰值 ；宋现春等人利用传感器、编码器及上位机等设计出滚珠丝杠副的摩擦力矩虚拟测试系 统，并在山东济宁博特精丝杠制造有限公司得到成功应用蚰；针对不同型号的滚珠丝杠副， 文献【4 1 4 4 】对丝杠副综合性能的测量装置分别进行系统设计。 1 - 4 论文的主要内容 滚珠丝杠副作为新型的转动和直线运动相互转换部件，以其优异的传动性能被广泛运 用在机床，电动注塑机等上，但我国在滚珠丝杠副的设计，制造和测试方面都与国外都有 比较大的差距，需要我们花费精力赶超国外 论文主要是研究高速重载滚珠丝杆副的轴向动态刚度特性。滚珠丝杠副的轴向刚度为 与滚珠丝杠副相关联的零部件刚度的串联总和，因此必须研究丝杠副轴向接触刚度、滚珠 与丝杠侧的接触刚度、滚珠与螺母侧的接触刚度以及支撑轴承的刚度。研究滚珠与丝杠侧 的接触刚度、滚珠与螺母侧的接触刚度需要研究接触应力，本文在第2 章对影响滚珠丝杠 副轴向动态刚度的各个要素进行一一分析，综合考虑各个方面的因素，建立滚珠丝杠副轴 向动态刚度模型。各个零部件刚度先计算出来才能得到整体的轴向刚度，支承轴承的刚度 和轴向接触刚度很容易计算出来，就没有赘述，第3 章主要论述丝杠侧和螺母侧的接触刚 度，接触刚度的得到是以接触弹性变形为基础的，所以借助赫兹应力公式对滚珠丝杠副的 弹性接触应力进行动态分析，用算例表明结构参数、运动参数以及间隙是如何影响滚珠丝 杠副的接触应力。对于高速重载的滚珠丝杠副，由于运动机理和变形特征不同于普通丝杠 副，刚度也会比普通丝杠副差，速度和加速度对丝杠副刚度影响也会比较严重，所以本文 在第4 章设计了定位精度的测试系统，利用第2 章建立的滚珠丝杠副的轴向动态刚度模型， 计算出滚珠丝杠副的单位阶跃响应，然后将位移光栅尺测得的位移数据转化为单位阶跃响 应，对比理论数据和试验数据，验证应力公式和动态刚度模型的正确性，并根据刚度和频 率的关系，分析速度和加速度对刚度的影响。 文章章节结构之间的关系和基本框架如图1 4 ： 1 0 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第l 章绪论 上土 第2 章丝杠副轴向动态刚度影响因素分析及模型 支预预 结 摩 、一 廷 承紧紧 构 擦动 形方如参 润 参 式 式数 滑 数 弋7弋7弋7弋7 7 v 支承轴承刚度 r 滚珠鲑杠副轴向动态刚度模型 k 丝杠副轴向接触刚度 7 r v 弋夕 r1 第3 章滚珠丝杠副丝杠侧和螺母侧轴向接1 第4 章速度和加速度对高速重载 滚珠丝杠副轴向动态刚度影响计 触刚度计算及弹性变形影响因素分析 l 算实例和试验验证 lj 弋乡 第5 章总结与展望 图1 4 论文章节之间的结构关系 本文具体的章节内容如下： 第1 章，介绍论文的研究背景和意义，概述滚珠丝杠副的特点及其分类。随后概述了 滚珠丝杠副在国内外的发展制造现状以及理论研究成果，最后给出了论文主要研究内容和 结构框架。 第2 章，对影响滚珠丝杠副轴向动态刚度的各个要素进行一一分析，丝杠副的支承形 式、预紧方式、预紧力的确定、结构参数、运动参数以及摩擦和润滑都会对丝杠副的轴向 刚度产生影响。综合考虑各个方面的因素，建立滚珠丝杠副轴向动态刚度模型。 第3 章，考虑实际工作过程中的冲击载荷以及离心力作用的影响，建立滚珠丝杠副受 力模型，利用螺母和丝杠的速度关系，得到二者之间加速度的关系，利用赫兹应力公式推 导出螺母侧和丝杠侧的接触应力公式，进而由接触弹性变形求出螺母侧和丝杠侧的接触刚 度，并用算例表明结构参数和运动参数以及间隙是如何影响滚珠丝杠副的弹性接触变形。 第4 章，基于全电动注塑机合模机构，对高速重载工况下的滚珠丝杠副进行定位精度 实验测试。叙述测试系统的原理、装置、实验过程和实验数据的处理的步骤，通过前文建 立滚珠丝杠副的轴向动态刚度模型，计算出滚珠丝杠副的单位阶跃响应，然后将试验中位 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 移光栅尺测得的位移数据转化为单位阶跃响应，对比理论数据和试验数据，验证应力公式 和动态刚度模型的正确性，并根据刚度和频率的关系，分析速度和加速度对刚度的影响。 第5 章，总结本文研究结果和创新点，指出滚珠丝杠副研究中尚未解决的问题，并对 进一步的研究工作进行展望。 1 5 本章小结 本章分析了论文的研究背景和意义，简单介绍了滚珠丝杠副的工作原理、特点、及其 分类，概述了滚珠丝枉副国内外的发展制造现状以及理论上的研究成果。最后叙述了本文 的研究内容和结构框架。 浙江大学硕士学位论文 第2 章丝杠副轴向动态刚度影响因素分析及模型 第2 章丝杠副轴向动态刚度影响因素分析及模型 【本章摘要】对影响滚珠丝杠副轴向动态刚度的各个要素进行一一分析，丝杠副的支承形 式、预紧方式、预紧力的确定、结构形式，结构参数、运动参数以及摩擦和润滑都会对丝 杠副的轴向刚度产生影响。综合考虑各个方面的因素，建立滚珠丝杠副轴向动态刚度模型。 2 1 引言 滚珠丝杠副的轴向刚度为与滚珠丝杠副相关联的零部件刚度的串联总和。其中以丝 杠、螺母组件和支承轴承的轴向刚度影响最大，其他零部件的影响较小，可忽略不计。只 有深入的了解各个组件的的影响轴向刚度的因素，才能比较合理地建立求解滚珠丝杠副轴 向接触变形、轴向刚度的模型。国内外学者在丝杠副轴向刚度的研究上取得很多研究成果。 程光仁等系统地叙述了滚珠螺旋传动的工作原理和特点、构造与类型，并对螺旋传动的摩 擦特性、受力与变形、额定负荷容量计算进行了详细阐述“们；吉林大学的吴长宏等研究了 影响滚珠丝杠副轴向接触刚度的各个要素，并分别对单螺母和双螺母的接触应力和弹性交 形进行分析n 2 ；蒋书运等通过建立带滚珠丝杠副的机床直线导轨结合部的动力学特性理论 模型，研究滚珠丝杠副的动态刚度特性n 如；东南大学的陈晶晶改造了原有的滚珠丝杠副综 合性能测试平台，并分析了丝杠副的轴向静刚度5 1 。但这些研究主要集中于结构形式和结 构参数对丝杠副静态刚度的影响，当丝杠副运动参数出现变化，当滚珠和丝杠副之间出现 间隙时，刚度的变化情况很少考虑。所以本章综合考虑支承形式、预紧方式。预紧力的确 定，结构形式、结构参数以及运动参数对轴向动态刚度的影响，尤其是当间隙存在时，滚 珠与丝杠副实际的接触应力状况、摩擦和润滑状况，建立滚珠丝杆副轴向动态刚度模型， 动态的研究影响丝杠副轴向刚度的各个因素。 2 2 影响滚珠丝杠副刚度因素 2 2 1 支承方式 轴向载荷作用下，丝杠在轴线方向上被拉伸或者压缩，变形量的大小与支承方式和螺 母的工作位置有关，不同的支承方式，丝杠副的刚度计算也有不同的表达形式，下图是几 种不同的支承方式： ( 1 ) 固定一一自由式 1 3 浙江大学硕士学位论文第2 章丝杠副轴向动态刚度影响因素分析及模型 如图2 1 所示，丝杠一端固定，一端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力，这 种安装方式适用于行程小的短丝杠，它承载能力小，轴向刚度低。其轴向变形呈直线规律 增长，在丝杠的自由端变形最大。 ( 2 ) 固定一一支承式 图2 1 固定一一自由式支承方式 图2 2 固定一一支承式支承方式 如图2 2 所示，丝杠一端固定，另一端支承。固定端轴承同时承受轴向力和径向力； 支承端轴承只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以避免或减少丝杠因自重而出现 的弯曲。同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长，这种安装方式适用于丝杠较长的情况， 为了减少丝杠热变形的影响，安装时应注意使热源和丝杠工作时的常用段远离固定端。 ( 3 ) 固定一一固定式 如图2 3 所示，丝杠两端均固定。固定端轴承都可以同时承受轴向力和径向力，这种 支承方式，可以对丝杠施加适当的预紧力，提高丝杠支承刚度，补偿部分丝杠的热变形。 其轴向变形呈抛物线对称结构形式，丝杠的中间位置轴向变形量最大。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第2 章丝杠副轴向动态刚度影响因素分析及模型 2 2 2 预紧方式 图2 3 固定一一固定式支承方式 由于滚珠丝杠副制造和安装有轴向间隙以及滚珠与滚道接触处有弹性变形，当滚珠丝 杠反向转动时，将会产生空回差，从而影响丝杠副的传动精度并且使滚珠丝杠副的轴向刚 度降低。特别对于轴向间隙和轴向刚度有严格要求的精密滚珠丝杠副，必须减少或尽量消 除轴向间隙来提高轴向刚度。目前广泛采用双螺母调整预紧装置或使用滚道型面为双圆弧 的丝杠副作为消除轴向间隙，提高其轴向刚度的方法按照结构特点和工作性能的不同， 滚珠丝杠副常用的预紧方式分为双母齿差式、双螺母螺纹式，双螺母垫片式和单螺母变位 导程自预紧式四种n “圳 ( 1 ) 双螺母齿差式 双螺母齿差式调整的优点是调整精度高，只需按照确定好的预调量计算出预调齿数即 可，可以实现0 0 0 2 r 姗以下的精密微调，而且预紧准确可靠，不会松弛，调整方便，可 随时调整，但这种调整方式的缺点是：结构尺寸大，加工工艺和装配性较差，多用于要求 获得准确预紧的精密定位系统中。 ( 2 ) 双螺母螺纹式 螺纹式调整的优点是结构紧凑，可随时调整，比较方便，但预紧量较难控制，准确性 较差且易于松动，轴向尺寸长，这种结构适用于对刚度要求不严格，只需一般消除间隙的 场合，或需要随时调节预紧力大小的场合n 们 ( 3 ) 双螺母垫片式 双螺母垫片式调隙方式的优点是结构简单，装卸方便，刚性好，可靠性也好，但它有 精确调整困难的缺点，当螺纹滚道有磨损的时候