（机械电子工程专业论文）高速滚珠丝杠副动力学性能分析及试验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件，随着数控机床向高速、高精度方 向的不断发展，滚珠丝杠副的线速度也越来越高，使得滚珠丝杠副的磨损加剧、 温升和噪声增大。论文在对滚珠丝杠的接触和运动特性进行分析的基础上，采 取理论和实验相结合的方法研究了滚珠丝杠副摩擦力矩产生的机理以及振动 特性，对解决由于高速所引起的温升和噪声问题有着重要的理论意义和实际价 值。 首先应用接触力学理论分析了滚珠在螺旋滚道中的运动特性，对滚珠与螺 母和丝杠滚道的两个接触点处的运动进行了分解，得出了滚珠沿滚珠中心运动 方向的滚动力偶和各方向上运动分量的方程，分析出了滚珠滑移这种丝杠特有 的运动形式。在此基础上阐述了滚珠丝杠副摩擦力矩产生的机理和主要影响因 素，并根据摩擦力矩的产生机理建立了滚珠丝杠副摩擦力矩的数学模型，确定 了滚珠丝杠副发热量的计算公式。应用振动与噪声理论对滚珠丝杠副传动系统 进行了模型简化，并对简化后的模型进行了固有振动的求解。 通过实验研究了不同返向结构和润滑方式下滚珠丝杠副摩擦力矩的变化 规律；通过频谱分析的方法，研究了摩擦力矩低频波动的原因。研究表明，滚 珠周期性的出入返向器和丝杠的制造误差所引起的滚珠周期性的拥堵和散开 是导致摩擦力矩周期性波动的主要原因。在不同转速下测量了使用新型返向器 的k d 3 2 l6 滚珠丝杠副随时间的温度变化，在6 0 m m i n 的速度下可以保持温升 在2 0 以内，说明新型返向器的流畅性较好，可以明显降低滚珠问的摩擦。对 单导轨滚珠丝杠副性能实验台进行了模态实验和仿真，并对固有振动特性进行 了比较，得到各阶主要固有频率，通过噪声实验得到了噪音主要能量所在的频 段随主轴转速的变化关系。 关键词：滚珠丝杠副，摩擦力矩，温升，噪声 山东建筑大学硕士学位论文 a n a l y s i sa n de x p e r i m e n ts t u d yo nd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f h i g h s p e e dp r e c i s i o nb a l ls c r e wa s s e m b l y h ej i c h e n g( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys o n gx i a n c h u n a b s t r a c t ab a l ls c r e wd r i v e nm e c h a n i s mi sak e yc o m p o n e n to fn u m e “c a lc o n t r o l m a c h i n et o o l s w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc n cm a c h i n et o o l st ot h e d i r e c t i o no ft h eh i g h s p e e d ，h i g hp r e c i s i o n ，t h el i n e a rv e l o c i t yo ft h eb a l ls c r e wi s a l s oi n c r e a s i n g w h i c hm a k e st h eb a l ls c r e ww e a ra n dt e a r ，t e m p e r a t u r e “s ea n d n o i s ei n c r e a s e s i nt h i st h e s i s ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i so fc o n t a c ta n dm o t i o n c h a r a c t e “s t i c so fb a l ls c r e w ，t h eg e n e r a t i o nm e c h a i l i s mo ft h ef r i c t i o nt o r q u ea n d v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb a l ls c r e wu n i t sa r es t u d i e d w h i c hh a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c e a n d p r a c t i c a l v a l u et os o l v et h e p r o b l e mo f t h e t e m p e r a t u r er i s ed u et oh i g hs p e e da n dn o i s e f i r s t ，f e a t u r e so fb a l lm o v e m e n ti ns p i r a lr a c e w a ya r ea n a l y z e do nt h eb a s i so f c o n t a c tm e c h a n i c s ，m o v e m e n t so ft h et w oc o n t a c tp o i n t so nt h er a c e w a yb e t w e e n t h eb a l ls c r e wa n dn u ta r er e s o l v e d t h ec o u p l ea l o n gt h ed i r e c t i o no fm o v e m e n to f t h eb a l lc e n t e ra n dt h ee q u a t i o n si na l ld i r e c t i o n g sa r ea n a l y z e d b a l ls l i pa st h e u n i q u em o v e m e n tp a t t e m so fb a l l s c r e wa s s e m b l yi sa l s oo b t a i n e d ，a n dt h e nt h e g e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h ef r i c t i o nt o r q u eo fb a l ls c r e w sa n dt h em a i nf a c t o r s a r ee l a b o r a t e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fab a l ls c r e wf r i c t i o nt o r q u ea n dt h ef o m u l a o ft h eb a l ls c r e wh e a ta r ea l s ob u i l tb yt h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h ef r i c t i o n t o r q u e t h em o d e lo ft h eb a l ls c r e wd r i v es y s t e mi ss i m p l i f i e do nb a s i so fv i b r a t i o n a n dn o i s et h e o r y ，a n dt h e nt h en a t u r a lv i b r a t i o no ft h em o d e la f t e rs i m p l i f i e di s t h e ns o l v e d v a r i a t i o no ft h eb a l ls c r e wf r i c t i o nt o r q u ew i t hd i f 诧r e n tr e v e r s ed e v i c e sa n d d i f f e r e n tl u b r i c a t i o nm e t h o d sh a sb e e nr e s e a r c h e db ye x p e r i m e n t s t h ec a u s e so f 山东建筑大学硕士学位论文 l o w - f r e q u e n c yn u c t u a t i o n so ff r i c t i o nt o r q u eh a v ea l s ob e e nr e s e a r c h e d w h i c h s h o w st h a tt h em a i nc a u s e sa r eb a l l s p e r i o d i ce n t e r i n g &e x i t i n gt h er e v e r s e d e v i c ea n dp e r i o d i cc o n g e s t i o na n ds p r e a dc a u s e db yb a l ls c r e wm a n u f a c t u r i n g e r r o r t e m p e r a t u r ec h a n g e so v e rt i m eo ft h ek d 3 2 16b a l ls c r e ww i t bn e wr e v e r s e d e v i c eh a sb e e nm e a s u r e da td i f f e r e n tr o t a t i o ns p e e d s t h ee x p e r i m e n ts h o w sa t e m p e r a t u r e “s ei n l e s st h a n2 0 a f t e rs t a b l ei nt h es p e e do f6 0 m m i n w h i c h d e p i c t san i c es m o o t hp e r f b i m a n c e ，c a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ef r i c t i o na m o n gt h e b a l l s m o d a le x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o no nt h eb a l ls c r e wc o m p r e h e n s i v ec a p a b i l i t y b e n c hh a v e b e e nd o n e m a i nn a t u r a l f r e q u e n c i e s h a v e b e e no b t a i n e d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a i nn o i s ee n e r g yi nd i f i e r e n tb a n d sa n dd i f f e r e n ts p e e do f t h es p i n d l eh a sa l s ob e e no b t a i n e d k e yw o r d s ：b a l ls e r e wa s s e m b ly ，t h ef r i c t i o nt o r q u e ，t e m p r e t u r er i s e ，n o i s e 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第l 章绪论 滚珠丝杠自18 7 4 年在美国获得专利至今已有13 0 多年历史，在我国也有5 0 多年的研究和生产历史【l 】。上世纪5 0 年代，数控机床和自动化设备的出现推动 了滚珠丝杠副产业的专业化生产。到7 0 年代，随着微电子技术的出现，发生了 制造业的第三次革命，滚珠丝杠副的批量生产和应用同益广泛。它的功能己从最 初的“敏捷省能传动( 上世纪4 0 5 0 年代) ”到“精密定位( 7 0 年代) ”，再从“大 导程快速驱动( 8 0 年代) 到“精密高速驱动( 9 0 年代) 雎】，在发展过程中产品不 断升级换代，得到一次次质的飞跃。 在我国，与数控机床配套的数控系统和关键功能部件的产业化进程发展很不 平衡，有先有后，有大有小，有快有慢，与主机发展的不同步程度差异也很大【3 】。 当前，国产中高档功能部件不能满足国产中高档机床的配套需要，缺口很大，而 功能部件制造企业又属于弱势企业群体，基础薄弱，人才和资金都短缺【4 】。面对 如此现状，在中国机床工具行业“十二五规划及工作要点中，提出：“在积 极支持专业化企业加快发展的同时，也鼓励和支持有条件的机床主机企业根据自 身的需求延伸产业链，积极介入数控系统和功能部件产业的发展，从而加速中高 档数控系统和功能部件产业的发展进程【5 】，。 就滚动功能部件产业而言，历经风雨，滚滚向前5 0 年，早已打破当年洋货 一统天下的局面，在中低端市场不但与洋货平分秋色，而且出现产能过剩【2 】。但 也存在一个很大的“瓶颈”，主要是指中、高端滚珠丝杠副和滚动直线导轨副f 6 j 。 据2 0 1 1 年最新的市场调查显示：国产中高档滚珠丝杠副和滚动直线导轨副在我 国中高档数控机床和成套高档工业装备中的采用率约为2 5 2 6 ，而进口同类 中高档产品的采用率却高达7 4 7 5 ，对进口产品的依赖度之高，成为制约我 国中高档数控机床自主化、纯国产化的最主要因素。 数控机床的定位精度误差主要是有滚珠丝杠传动过程中产生的摩擦热、周围 的环境温度、各种热辐射所造成的【7 】。丝杠，螺母与滚珠之间的摩擦以及定位轴 承内部的摩擦是滚珠丝杠传动系统的主要热来源，所以对滚珠丝杠副温升及温度 场分布的研究至关重要。滚珠丝杠副的摩擦力矩是反映滚珠丝杠副的加工质量及 性能的一项综合机械性能指标【8 】。研究不同工况下滚珠丝杠副的摩擦力矩产生机 山东建筑大学硕士学位论文 理，找出产生摩擦力矩波动的原因，对提高滚珠丝杠副产品质量和提升数控机床 的动态性能至关重要。 影响加工中心稳定性和可靠性的因素有以下几方面：机械元器件的可靠性和 电器元件的可靠性；使用环境，操作者的操作习惯；日常维护保养的及时性等， 但其中影响最大因素的是元器件的可靠性【9 1 。滚珠丝杠副作为机床中的最重要的 功能部件之一可以实现高速加工。通过增大滚珠丝杠副的转动速度来不断提高加 工速度。但高转速会带来热变形、高震动和噪声等一系列问题直接影响传动精度。 进而将直接影响机床的加工精度，他的最高速度将直接制约机床的加工能力。所 以如何提高滚珠丝杠的速度和精度是制约我国制造业的的一个瓶颈。当滚珠进入 导管时的碰撞，会导致滚珠丝杠的震动和噪声，高速状态下的摩擦也会造成加工 过程中的热位移。这就需要不断的通过理论研究和实践来降低由摩擦带来的温升 和这种由震动带来的噪声，不断提高丝杠的传动精度。因此对速度和精度的影响 因素的研究如摩擦、温升性能、振动与噪声性能等也就成为了大势所趋。这些方 面的工作对提高数控机床或加工中心的加工精度都非常有必要。 当前，数控机床的高速化不断推动精密高速滚珠丝杠的发展。我国已加入 w t o 多年，经济全球化、市场国际化使精密高速滚珠丝杠副的发展面临机遇和挑 战。冲破国外禁卖的约束，国产精密高速滚珠丝杠副将为我国数控机床的高速化 作出贡献。 1 2 滚珠丝杠副的发展现状 最早发明出滚珠丝杠后由于制造难度大的原因，导致滚珠丝杠副在很长一段 时间里都没能应用到实际生产中来。滚珠丝杠副的主要功能是将旋转运动转化为 直线运动。由于滚动的摩擦阻力很小，这就使得滚珠丝杠副在工业设备和精密仪 器等行业得到了广泛的应用。1 9 4 0 年，美国通用汽车公司开始成批生产用于汽 车转向机构的滚珠丝杠副，19 4 3 年之后飞机上也开始应用滚珠丝杠副。5 0 年 代时，滚珠丝杠副在工业发达的国家中得到了广泛的生产和应用。同期出现了很 多生产滚珠丝杠副的厂家，例如：英国的r o t a x 公司；日本的t h k 公司、n s k 公司；美国的g m s a g i n a w 公司、w a r n e r b e a v e r 公司等。直到5 0 年代 末我国才开始研制滚珠丝杠副，主要应用于程控机床、数控机床。历经6 0 多年 的发展，由于具有高效率、高精度、高刚度等特点，使得滚珠丝杠副已成为机械 传动与定位的首选部件，并在机械、航天、航空、核工业等领域得到了广泛应用 2 山东建筑大学硕士学位论文 【l o 】。 进入2 1 世纪以来，高速丝杠更是得到了长足的发展。作为数控机床的关键 功能部件，其质量的优劣直接影响着设备的整体性能。随着社会节奏的加快，各 制造企业纷纷提出“高速度 、“高效率”的口号。这就要求数控设备要实现高速 高精的生产能力。近几年市场上出现了直线电机。其进给速度可以达到 1 6 0 m m i n ，加速度达到4 9 ，从表面数据上看可以满足市场对速度的要求，但是 也存在很多弊端【1 1 】。比如其制造成本远高于滚珠丝杠，控制复杂，强磁会吸引 铁屑还会危害人体健康，在近一段时间很难得到普及，滚珠丝杠副仍是现在高速 驱动的最优先选择。所以国内外市场上大部分高速加工中心仍使用滚珠丝副。日 本作为现代世界滚动功能部件的领军者，在高速丝杠的研发上一直处于领先地 位。日本n s k 公司早在19 9 8 年就推出了“空心强冷”技术，其生产的n d f 、 n z f 和n z c 系列的产品最高线速度在当时就可以达到lo o m m i n ，加速度达到 1 3 9 ，d n 值达到2 0 0 0 0 0 【1 2 】。并且可以实现较长行程较长时间的高速驱动。为了 增强这种中空丝杠的抗振能力该公司还申请了“内藏减振阻尼器 的专利技术， 即在丝杠轴的孔内安装有阻尼材料。使产品的临界转速n c 和d n 值进一步提高 【1 3 】。近几年日本t h k 、i n a 等公司对滚珠丝杠副的做了大胆的创新。将螺母与 空心伺服电机装配在一起，结构紧凑，大大降低了摩擦力矩，可以很容易实现 1 2 0 m m i n 的高速驱动，且温升控制在合理的范围内，借助闭环系统的位置反馈 可以得到高速下很高的定位精度和重复定位精度【1 4 】。 由于滚珠丝杠副的不断普及，使用领域越来越广泛，对滚珠丝杠副的要求也 越来越多，在一些特殊场合诸如超精密检测设备、专用电子仪器、半导体装置、 中小型机器人领域、航天航空领域等都需要公称直径而在1 2 m m 以下，导程p h 介于0 5 2 5m m 的微型滚珠丝杠副。作为世界滚珠丝杠行业的领军者，日本 n s k 公司已研制出公称直径d d = 4 m m ，导程n = 0 5 m m 的世界上导程最小的产品。 国内滚动功能部件的起步较晚，发展相对滞后。中国机床工具“十二五” 规划提出的“加速提升中高档数控系统和功能部件的国产配套能力”正是针对国 内的形式提出的。目前国内大陆整个行业中有6 家通过了i s 0 9 0 0 1 产品质量体 系认证，分别是北京机床研究所、汉江机床有限公司、南京工艺装备厂、济宁博 特精工有限公司、汉江昆山分厂和广东新会凯特公司【3 】。现在，突破瓶颈，向高 端冲刺，已成为业内的共识。在国家重大科技专项的支持下，滚动功能部件的几 家重点骨干企业近年已取得可喜成就。例如：滚协理事长单位、数控机床产业技 3 山东建筑大学硕士学位论文 术创新联盟( 沈阳机床集团牵头) 的成员单位山东博特精工在行业的企业中 最早建立滚动功能部件工程实验室( 如图1 1 所示) 。先后研制成功了g q 3 2 1 6 、 g q 4 0 2 0 、g q 6 3 2 0 精密高速滚珠丝杠副，精度达到尸，、p 2 级，线速度可达6 0 m m i n ，并已成功应用在北京一机床、昆明机床等厂家生产的高档数控机床上。 南京工艺装备制造公司在重大专项攻关过程中，直接与从事高档数控机床攻关的 主机厂挂钩，先后为沈阳机床股份有限公司的g m c 2 5 5 0 u 五轴高速龙门加工中 心、中捷机床公司的g m c l2 3 0 u 五联动加工中心、四川长征机床集团的 g m c 2 5 0 0 h 型五轴龙门高速加工中心等提供了高速高性能滚动功能部件，受到 用户好评。在滚动功能部件行业中最早走“产、学、研道路并取得成效的广东 高新凯特精机公司，坚持研发与基础理论研究并举，自主研发出一批滚动直线导 轨副的精度与性能测试仪器，通过扎实的实验研究，使h t p m 品牌的高档滚珠 和滚柱直线导轨副在高档加工中心、数控龙门铣床等主机上成功应用，并被许多 用户“指定采购”。北京机床研究所( 精密天工) 、大连高金数控集团在攻克高 端滚动功能部件中也获得丰硕成果。2 0 1 1 年1 1 月我国神舟8 号宇宙飞船与天宫 一号的成功对接和自动分离是我国航天事业迈进太空的重要旱程碑，最复杂的空 间对接的关键机构完全由国内自主研制，得到了国外专家的认可和好评。在神舟 8 号“对接环 上安装的6 套用于精密同步、快速驱动的高可靠性滚珠丝杠副就 是由北京机床研究所北京工研精机股份有限公司所提供的。这6 套滚珠丝杠副 同步快速驱动安装在“对接坏”上的3 对“捕获锁 ，执行“捕获 时的快速外 推伸出、校正时的快速延伸、拉近时的缓缓返转收缩。在对接过程中两个航天器 承受重8t 的“神8 和重8 6t 的“天宫一号 以o 2m s 左右的速度进行撞击， 在超低温、失重状态下工作，对刚度、精度、动力学特性、可靠性都有很高的要 求。标志了我国高端丝杠的研发能力。 4 山东建筑大学硕士学位论文 图1 一l 博特公司滚动功能邵件性能买验呈 我国台湾的滚动功能部件制造水平要明显高于大陆地区。最有代表性的就是 台湾p m i 银泰科技公司。该公司的台湾专利( 10 7 4 8 5 ) 在一端密封的中空丝杠中插 入一根改变丝杠内部冷却液循环方式的冷却油管技术，可以达到非常好的抑制温 升的效果【”】。在c i m t 2 0 0 1 上该公司展出的f d w 、f s w 系列双头、多头高速滚 珠丝杠产品的d n 值高达13 0 0 0 0 14 0 0 0 0 ，线速度高达1o o l2 0 m m i n 。 随着社会的不断发展，用户对滚珠丝杠副的要求越来越严，要求也多样化， 促使我们不断提高产品质量、开发新品种，以满足用户的需求。我国精密高速滚 珠丝杠副起步较晚，面对国际大市场的竞争，产品要创新、工艺水平要提高、产 品质量更要过硬。滚珠丝杠的制造企业要迅速改变只注意产品产量、产值，不重 视新产品的性能和可靠性实验研究的局面【l 引。此乃占领市场的关键。 1 3 滚珠丝杠副动力学性能国内外的研究现状 1 3 1 国外的研究现状 国外对滚珠丝杠。副的研究主要集中在r 本、美国、德国等一些工业发达国家。 尤其以日本在滚珠丝杠副的结构改进、性能测试和研究方面做了大量的工作。早 在上世纪九十年代日本学者五十岚昭南就对外循环插管式的滚珠丝杠副进行了 噪声机理实验研究。分析出了几种典型的噪音特性及其产生原因【1 7 ，18 】；日本 w a s e d au n i v e r s i t y 大学的s h i m o d a h 对端盖式的滚珠丝杠副进行了运行阻力的 分析，研究了不同润滑条件下的静摩擦力矩】；同本学者k o d e r at a k e h i k o 、 o t s u k aj i r o 通过自主研发的光学测温系统得到了加载运行的滚珠丝杠的热分布， 利用实验结果计算了热传导系数，并估算了温升带来的热位移 2 0 ，2 。美国威斯 山东建筑大学硕士学位论文 康辛大学的l i n m c 在理论上对滚珠丝杠副的动态特性进行了研究【2 2 1 。h u a l t e 等采用中性轴理论，对滚珠做了运动分析【23 1 。德国作为世界制造业的领军者， 在滚动功能部件的实验研究上也开展了卓有成效的工作。最有代表性的就是 h e i d e n h a i n ( 海德汉) 公司。该公司利用自身优势在2 0 0 0 年收购了日本 s u m t a k 株式会社( 现更名为日本海德汉) 。该公司利用自己生产的光栅尺和 编码器等高精度的光学元件对滚珠丝杠的精度和补偿方面作了大量的工作，对机 床传动系统定位精度的提高做出了很大的贡献【2 4 ，2 5 ，2 6 ，2 7 1 。 1 3 2 国内的研究现状 国内大陆对滚珠丝杠副的研究主要集中在北京机床研究所、华中科技大学、 南京理工大学、山东建筑大学等。这些高校主要和汉江机床厂、南京工艺装备厂、 济宁博特精工等相关的滚动功能部件企业进行合作开展研究工作。北京机床研究 所、济宁博特精工和山东建筑大学三家单位在2 0 0 9 年承担的国家科技重大专项 “高档数控机床与基础制造装备 ( 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 1 0 3 2 ) 对国内滚珠丝杠副的发展 做出了重要的贡献。山东建筑大学的宋现春教授带领的课题组在承担的“高速、 重载精密滚珠丝杠副与直线导轨的研制与产业化”课题中对高速精密滚珠丝杠副 的滚珠循环系统动力学性能进行了较深入的理论研究，建立了滚珠循环系统的动 力学模型，分析了高速滚珠丝杠副、直线导轨的主要设计参数与其主要性能的关 系【2 引。目前与济宁博特精工合作研制开发出的具有新式端盖循环返向式的高速 滚珠丝杠副新产品k d 4 0 2 0 、k d 4 0 1 6 直线移动速度达8 0 米分，噪音、加速度 等主要性能指标达到课题合同书任务要求。来自南京理工大学的冯虎田教授带领 自己的团队对滚珠丝杠副的各项性能指标的检测系统进行了大量的研究工作。开 发了包括滚珠丝杠( 副) 动态误差检测、综合误差补偿、温度补偿、伺服电机( 拖 动) 控制、数据分析处理、精度分析、报表输出等一套非常完整的系统。我国台 湾在滚动功能部件的研制上走在世界的前沿。以台湾上银( h i w i n ) 和银泰科技 ( p m i ) 为首的两家单位也对滚珠丝杠副先进技术的研究进行了大量的工作。上银 公司生产的s u p e r s 系列产品对滚珠丝杠的循环路径做了非常合理的优化， 降低了运行阻力，最高线速度可达2 0 0 m m i n 【引。 前几年，在有些工程界刊物上，有不少论述数控机床高速化及其关键技术的 文章，在对直线电动机进行介绍时，往往只拿普通滚珠丝杠副来比较说：“一般 滚珠丝杠的最高速度为2 0 3 0 m m i n ，加速度为0 1 0 3 9 ，远远不能满足高速 6 山东建筑大学硕士学位论文 加工的要求 ，“很难有太大的改进等。个人认为这样的很不客观，由此引伸 出来的“取代 论断也是值得商榷的，恐怕需要若干年代的实践检验才能作出更 正确的判断。 1 4 本论文的研究内容 本课题来源于国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备” ( 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 1 0 3 2 ) 。针对滚珠丝杠副在高速驱动时存在的摩擦带来的温升、振 动带来的噪声问题进行理论和实验研究。通过理论分析出问题产生的原因，通过 实验找出滚珠丝杠副结构上的的薄弱环节，对存在的问题提出解决措施，为结构 优化和提高产品性能提供理论支持。 为了达到研究目标本文将进行以下工作： ( 1 ) 对滚珠在螺旋滚道中的受力和运动方式进行分析，探讨不同参数对滚珠 自旋和滚珠滑移的影响。 ( 2 ) 根据对滚珠接触情况的研究分析出滚珠丝杠副摩擦力矩的产生机理，针 对不同的结构形式分析影响摩擦力矩大小的因素。建立摩擦力矩的分析模型，进 一步求出由摩擦带来的发热和丝杠的温升。 ( 3 ) 通过摩擦力矩和温升实验测的实际数据与理论作对比，分析出滚珠丝杠 副在设计和安装上有待改进的地方。提出高速化带来的温升问题的解决办法。 ( 4 ) 分析滚珠丝杠副产生噪声的原因，建立滚珠丝杠振动模型，通过实验测 量和对数据进行频谱分析得出噪声的来源，分析不同结构对滚珠丝杠副振动的影 响。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章滚动体在滚道内的接触研究 在滚珠丝杠副中，滚珠作为中问体在丝杠和螺母中问传递载荷，其与滚道的 接触特性与滚珠轴承极为相似，已有的研究表明滚珠轴承虽然不能与赫兹接触理 论的三个假设完全吻合，但是按照这个假设作的计算却和实验结果十分相近，因 此可以认为赫兹接触理论对滚珠丝杠接触问题的计算分析是适应的【29 1 。根据滚 珠丝杠的结构和材料参数就可以计算滚珠丝杠副中的变形，本章将根据滚珠在螺 旋滚道内的受力分析滚珠在滚道内的运动特性。 2 1 滚珠丝杠副的工作原理 滚动丝杠副是一种新型的螺旋传动机构，在其螺旋的丝杠与螺母之间装有传 动元件一一滚珠，借助滚珠返向通道，构成滚珠可在闭合回路中反复循环运动的 的螺旋传动【。图2 1 为滚珠丝杠副机构组成示意图。 图2 1 滚珠丝杠副机构 图中1 为带螺旋槽的滚珠丝杠，2 为滚珠螺母，3 为滚动体，4 为返向器。 电机旋转带动滚珠丝杠或螺母转动，滚珠在由返向器和螺纹滚道构成的闭合回路 中往复循环运动。因此其螺旋传动机理，概括的说来就是以滚动摩擦代替了滑动 丝杠的滑动摩擦。这也是滚珠螺旋传动具有的独特技术性能的物理本质所在。 2 2 滚珠丝杠副的性能和结构特点 2 2 1 滚珠丝杠副的性能特点 l 、效率高，节能环保 由于滚珠丝杠将传统丝杠的滑动运动变成了滚动运动，摩擦大大降低，所以 山东建筑大学硕士学位论文 能获得较高的传动效率且只需要滑动丝杠1 3 的驱动力矩。j 下好适应现代社会节 能环保的要求。 2 、进给精度高，刚度好、无侧隙 滚道圆弧面采用哥德式沟槽，通过适当预紧可以一定程度上消除轴向间隙， 提高刚度，减小承载后的弹性变形达到更高的精度，同时较小的启动力矩也可以 保证精确的微进给【3 0 1 。 3 、进给速度快 由于传递效率高，发热相对滑动丝杠小可以实现长时间的高速驱动，大导程 丝杠和高速电机的出现以及新的结构( 中空强冷等) 更是将d 值进一步提高。 4 、可靠性好、保养简单 与液压传动等其他传动方式相比滚珠丝杠传动系统很少出现故障，日常保养 就是进行一般的防尘润滑。在某些特殊场合可以使用自润滑丝杠或者在无润滑条 件下运行。 5 、高耐用性 滚珠材料经过硬化处理( 硬度h r c 5 8 6 3 ) ，并经过精密磨削，运行时的 主要运动又是滚动，所以磨损较滑动丝杠要小，故其具有较长的寿命。 2 2 2 滚珠丝杠副的结构和分类 现国内外文献上对滚珠丝杠副还没有统一的分类，但各国一般是按以下原则 进行分类的，产般指公称直径1 6 聊m d o 1 0 0 ，z 扰，导程4 m 聊e 2 0 ，l m ，螺旋升 角彳 9 0 的滚珠丝杠副称为微型大导程滚珠丝杠副；大导程滚珠丝杠副指公 称直径舐1 6 聊，l ，螺旋升角9 0 五 1 7 0 称为 超大导程滚珠丝杠副【3 1 ，3 2 1 。根据滚珠丝杠的外观来讲，滚珠丝杠的结构类型主 要按照螺纹滚道的截面形状、滚珠的循环方式及消除轴向间隙的调整方法三种方 式进行区别。 ( 1 ) 按螺纹滚道的形状分类 滚珠丝杠按螺纹滚道的型面( 法向) 分为单圆弧型和双圆弧型，如图2 2 所 示。 9 山东建筑大学硕士学位论文 a ) 单圆弧型面b ) 双圆弧型面 图2 2 螺纹滚道型面 滚道型面与滚珠接触点之间的法线与丝杠轴向之垂线间的夹角仪被称作接 触角，一般为4 5 0 。单圆弧型的螺纹滚道的接触角随轴向载荷大小的变化而变化， 主要由轴向载荷所引起的接触变形的大小而定。0 c 增大时，传动效率、轴向刚度 以及承载能力也随之增大。单圆弧型面的滚道圆弧半径r 稍大于滚珠半径r 。国 内采用的剐，在1 0 4 到1 11 之间。双圆弧型的螺纹滚道的接触角0 【在工作过程 中的基本保持不变。 两种结构都有各自的特点。由于单圆弧型螺纹滚道加工用砂轮成型较简单， 故容易得到较高的加工精度；双圆弧型的结构在两圆弧相交处有一小空隙，会使 滚道底部与滚珠之间不接触，并能存有一定的润滑油以减少磨损。由于加工双圆 弧型面的砂轮修整和加工、检验均较困难，故加工成本较高。 ( 2 ) 按滚珠的循环方式分类 按照滚珠丝杠副中滚珠的循环方式分为内循环和外循环两种。 1 内循环方式 内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触，内循环的方式具 有滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的尺寸也较小等优点，且返向器 由塑料制成，成本低，能够吸收振动，噪音小。但缺点是返向器加工困难，不能 耐高温，装备时必须要一端开通，给装备调整带来了一定的困难。如图2 3 所示 为带浮动式返向器的内循环滚珠丝杠副。 l o 山东建筑大学硕士学位论文 r l u i 1 、j i f 图2 3 浮动式返向器 图中1 为滚珠丝杠，2 为弹簧套，3 为滚珠，4 为返向器，5 为拱形片簧。其 结构特点是返向器上的安装孑l 有o o l o 0 15 m m 的配合间隙，返向器弧面上加工 有圆弧槽，槽内安装拱形片簧，外有弹簧套，借助拱形片簧的弹力，始终给返向 器一个径向推力，使回珠圆弧槽内的滚珠与丝杠表面保持一定的压力，从而使槽 内的滚珠代替了定位键，而对返向器起到自定位作用。 浮动式返向器的优点是在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通 道流畅、摩擦特性较好，更适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。 2 外循环方式 外循环方式中的滚珠在循环返向时离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做 循环运动。从结构上看，外循环有以下三种形式。 1 ) 螺旋槽式如图2 4 所示。在螺母2 的外圆表面上铣出螺纹凹槽，槽的两 端钻出两个与螺纹滚道相切的通孔，螺纹滚道内装入两个挡珠器4 引导滚珠3 通过这两个孔，应用套筒1 盖住凹槽，构成滚珠的循环回路。 1234 图2 4 螺旋槽式 螺旋槽式的结构工艺简单、径向尺寸小、易于制造。但是挡珠器刚性差、易 磨损。 山东建筑大学硕士学位论文 2 ) 插管式如图2 - 5 所示。用一弯管5 代替螺纹凹槽，弯管的两端插入与螺 纹滚道1 相切的两个内孔，用弯管的端部引导滚珠4 进入弯管，构成滚珠的循环 回路，再用压板2 和螺钉将弯管固定。 图2 5 插管式 插管式的结构简单、容易制造，但是径向尺寸较大，弯管端部比较容易磨损。 3 ) 端盖式如图2 6 所示。在螺母1 上钻出纵向孔3 作为滚珠回路滚道，螺 母端盖处装有返向器2 ，与滚珠的回程道口相切。滚道半径为滚珠直径的1 4 1 6 倍。 图2 6 端盖式 端盖式结构的特点：这种方式结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 角不易加工准确而影响其性能，故应用较少。常以单螺母形式用作升降传动机构。 ( 3 ) 按照滚珠丝杠副轴向问隙调整与预紧方法分类 滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严 格的要求，以保证其返向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚 道型面接触点得弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用 双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并 可以提高滚珠丝杠副的刚度【3 3 1 。 按照轴向间隙调整与预紧方法主要分为四类，分别是双螺母螺纹预紧调隙 式、双螺母垫片预紧调隙式、双螺母齿差式预紧调隙式、弹簧式自动调整预紧调 隙式。 图2 7 ( a ) 双螺母螺纹预紧调隙式图2 7 ( b ) 双螺母垫片预紧调隙式 如图2 7 ( a ) 所示为双螺母螺纹预紧调隙式的结构，通过一个带螺纹的锁紧 螺母和一个圆螺母固定。调整时通过旋转圆螺母然后用锁紧螺母锁紧产生一定的 轴向预紧力，从而消除轴向间隙。其特点是结构简单、刚性好、预紧可靠，但是 精度一般。如图2 7 ( b ) 所示为双螺母垫片预紧调隙式的结构，用螺钉连接两 个滚珠螺母的凸缘，并在两凸缘间加预紧垫片，通过调整垫片的厚度来调整轴向 间隙。其特点与前一种方式类似，但是这种方式调整不方便，其精度也不是很高， 只能用在一般的传动场合中。 预紧弹簧 图2 8 ( a ) 双螺母齿差预紧调隙式2 8 ( b ) 弹簧自动调整预紧调隙式 1 3 山东建筑大学硕士学位论文 如图2 8 ( a ) 所示是双螺母齿差式预紧调隙式的结构，连个螺母的两端是两个 齿数差1 的圆柱齿轮，通过两个内齿轮与上述齿轮啮合，并用螺钉和定位销固定 在套筒上。调整时先取下两端的内齿轮，当两个螺母相对于套筒同一个方向转动 同一齿固定后，个滚珠螺母相对于另一个产生相对位移并产生预紧力进而消除 轴向间隙。其特点是可以实现精确的定量调整，工作可靠，调整方便，但是加工 和装配工艺复杂。如图2 8 ( b ) 所示是弹簧式自动调整预紧调隙式的结构。用弹簧 的推力作为轴向预紧力消除轴向间隙。其特点是能消除使用过程中因为磨损或弹 性变形产生的轴向问隙，但是其结构复杂且轴向刚度差。 2 3 滚珠丝杠副的受力与运动分析 2 3 1 滚珠丝杠副中滚珠的运动特性 当滚珠丝杠副承受轴向载荷时，滚珠与丝杠滚道及螺母滚道面接触，接触角 为4 5 。左右。滚珠沿螺旋面运动时，滚珠中心的轨迹为一条过滚珠中心圆的螺 旋线，滚珠与丝杠滚道面接触点的轨迹也为一螺旋线，如图2 9 所示，其中，螺 旋线，。为滚珠与丝杠滚道面在彳点接触的轨迹：螺旋线，。为滚珠与螺母滚道面在 曰点接触的轨迹；螺旋线，为滚珠中心d 的运动轨迹【3 4 】。 一 螺母滚遒 滚道 图2 9 滚珠与滚道接触点轨迹 当滚珠丝杠副为右旋时，根据空问解析几何概念我们可以设螺旋线，的参数 1 4 山东建筑大学硕士学位论文 方程为： ，= c o s 秒，乞s i n p ，p p ) ( 2 1 ) 式中，乞为滚珠中心圆半径，口为参数角，p 为螺旋参数 其中，三为导程 p 2 寺 ( 2 - 2 ) 那么，对应的可以得出螺旋线，。的参数方程为： = 芝：黜茗黧妻塞箬耿r 吃c o s 国柏 c 2 q_ 一1 一s i n a s i n c o s 秒矽+ c o s 允s i n 严- 3 j 式中，吃为滚珠半径，为接触角，五为公称螺旋升角。 同理可得，螺旋线厶的参数方程【1 1 为： f ( + 吃c 0 s ) c o s 秒+ s i n 力s i n s i n 只1 厶= ( + c o s ) s i n 口一s i n 五s i n c o s 良 ( 2 。4 ) 【p p + c o s 旯s i n j 当滚珠丝杠副为左旋时，将公式中的p 用卜p ) 代替即可。将上述公式进行整 理化简可以得到各螺旋线所在圆柱面的半径的关系，即凡，吃，r 的关系如下： - 由上式可知，髟 以 在理想状态下，当丝杠与螺母发生相对运动时，滚珠中心d 所做的螺旋运动 的速度方向为螺旋线，的切线方向。由方程( 2 1 ) 可以得到切线方程为： 山东建筑大学硕士学位论文 黑：然：窖 ( 2 - 7 ) 一= = 一= 一 ，- ，l c o s 五s i n 口c o s 9 c o s as i n 五 、7 该切线通过滚珠中心0 ( rc o s 幺rs i n 只矽) ，其方向数为： f ，m ，咒 = _ c o s 五s i n 良c o s 五c o s 良s i n 允 ( 2 8 ) 同理可以求得螺旋线l ，匕的切线方程，其方向数分别为： 乙切线方程的方向数为： 厶聊，咒) = 一c o s 九s i n 乡，c o s 无c o s 只s i n 乃 ( 2 9 ) 屯切线方程的方向数为： ，聃，z = 一c o s 以s i n 只c o s 以c o s 秒，s i n 以( 2 - 1 0 ) 因而应用公式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 及空问解析几何可以分别求出，相 对于，的切线间的夹角儿o ，o 【3 5 1 为： 式中以为滚珠中心圆直径。 设滚珠中心d 的瞬时速度为y ，且滚珠运动的瞬心为d ，则接触点4b 处的 速度屹，如图2 一l o 所示。，可以分解为与瞬时速度，平行的速度分量吃，也， 及与瞬时速度1 ，垂直的速度分量吃，四者大小分别为： 图2 1 0 滚珠接触点各方向速度分量 1 6 巧 巧 篙等 坚i ；塑| ； 型咆型地 一以 一以 、， 2i 2 ，l o o 月 占 y y 证口 s s 叱 i i = - _ 一打口 y y 驴 一 矗 y y s s 一 口 v y = = 嵋嵋 山东建筑大学硕士学位论文 因为，与y 的央角位于螺旋线，的两侧，所以速度向量嵋，蟛方向相同。这 样使滚珠除了沿，的切线方向的滚动外，还会在滚道型面内与彳d b 垂直的方向上 产生滑移。这种滑移特性是滚珠丝杠副特有的运动形式。 2 3 2 滚珠丝杠副中工作滚珠的受力特点 滚珠丝杠副承受轴向载荷时，每个工作滚珠在接触点彳，曰都会受到法向力 m ，虬的作用，当丝杠与螺母无相对运动时，m = ，且方向在同一直线上。 当丝杠与螺母发生相对运动时，会出现图2 一1 1 所示的受力情况。 n l i 图2 1l 滚珠接触点各方向受力分量 彳、召两点除了受法向力m ，外，还受摩擦力六，厶的作用。无，厶与滚珠中 心运动方向的空间夹角为以。，因而无，厶可以分解为使滚珠沿滚珠中心运动方 向滚动的力偶，以，以及使滚珠滑移的，露3 6 1 。其中： l t = p n 妒l b = u nb = 六c o s 以o ，= 以s i n 形o ( 2 13 ) 以= 厶c o s 儿o ，鬈= 厶s i n 以。 此外，由于滚珠之间未使用滚珠轴承中的保持器之类的部件，所以工作滚珠 由于相互接触还会存在滚珠间相对滑动所产生的摩擦力，摩擦力方向与滚珠滑动 方向相反。 2 3 3 滚珠的滑移 滚珠的滑移即楔紧效应，是指图2 一l1 所示的滚珠在片，的作用下，在滚道 的法平面内，在垂直于直线彳的方向上产生的滑移运动。图2 12 a