（机械电子工程专业论文）滚珠丝杠副刚度及其对定位精度的影响.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 作为数控机床直线驱动执行单元，滚珠丝杠副在机床行业得到广泛运用。滚珠丝杠 副的定位精度很大程度上决定了数控机床的定位精度，随着数控机床向高速化、高精度 化的方向发展，对滚珠丝杠副的性能提出了越来越高的要求。和滚珠丝杠副的热变形及 螺旋线误差对定位精度的影响相比较，滚珠丝杠副轴向接触变形及轴向接触刚度对高速 滚珠丝杠的定位精度的影响更加明显。 本课题为国家自然科学基金资助项目“高速滚珠丝杠副动力学性能分析及试验研究” ( n o 5 0 6 7 5 1 2 41 一部分，主要研究滚珠丝杠副轴向接触刚度的影响因素及其与定位精度 的关系。设计开发了“滚珠丝杠副静刚度测量仪”，使其适应工厂现代化生产质量检验、控 制与管理的要求，主要研究内容如下： 首先，利用微分几何方法对滚珠丝杠副进行数学建模，根据赫兹接触理论对滚珠丝 杠副中滚珠的受力与变形进行分析研究；推导出了求解单螺母以及双螺母滚珠丝杠副轴 向接触变形、轴向接触刚度的理论模型，绘出滚珠丝杠副轴向接触变形以及轴向接触刚 度曲线；分析结构参数、工作载荷以及预紧力对滚珠丝杠副轴向接触刚度的影响。 设计开发j s g s l 0 0 滚珠丝杠副轴向静刚度测量仪，测量仪由下位机和上位机两部 分组成。下位机以单片机作为控制核心，包括测力传感器和微位移传感器的选取、信号 处理电路设计、外扩电路设计和串口通信电路设计，并从硬件和软件两方面介绍系统所 采取的抗干扰措施。上位机软件设计采用v b6 0 语言设计，采用m s c o m m 控件来控制 接收下位机数据，实现采样数据的实时显示和保存、历史数据调用，并最终生成滚珠丝 杠副轴向接触刚度检测报告，实现检测报告打印。 利用滚珠丝杠副静刚度测量仪对g 4 0 1 0 3 型单螺母滚珠丝杠副和g d 4 0 1 0 3 型双螺 母滚珠丝杠副进行刚度检测，通过理论计算结果与实际检测报告的对比，重点分析负载、 结构参数对滚珠丝杠副轴向接触变形以及轴向接触刚度的影响，以及不同预紧载荷对双 螺母滚珠丝杠副轴向接触变形以及轴向接触刚度的影响；并利用滚珠丝杠副性能试验台 对g 4 0 1 0 3 型单螺母滚珠丝杠副和g d 4 0 1 0 3 型双螺母滚珠丝杠副进行定位精度检测， 分析预紧载荷对轴向定位精度的影响。 关键词：滚珠丝杠副，赫兹接触，刚度，检测系统，定位精度 山东建筑大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns t i f f n e s so fb a l ls c r e wm e c h a n i s m sa n dt h ei n f l u e n c eo f s t i f f n e s so np o s i t i o n i n ga c c u r a c y z h a n g y u q i n g ( s c h o o lo f 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 a st h el i n e a rd r i v ee x e c u t i o nu n i to fn cm a c h i n et o o l ，b a l ls c r e wm e c h a n i s m sh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l s ，a n dg r e a t l yp r o m o t e st h e d e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l s t h ep o s i t i o na c c u r a c yo fb a l l s c r e w m e c h a n i s m sd e t e r m i n e st h ep r e c i s i o nl e v e lo fn cm a c h i n et og r e a te x t e n t ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn c m a c h i n eo r i e n t e dt oh i g h - s p e e d ，h i g h p r e c i s i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo fb a l l s c r e wu n i ti sd e m a n d e dh i g h e r t h ei n f l u e n c eo fa x i a lc o n t a c td e f o r m a t i o na n da x i a lc o n t a c t s t i f f n e s so nt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo fb a l ls c r e wm e c h a n i s mb e c o m e si n c r e a s i n g l yo b v i o u s ， a f t e rt h ei n f l u e n c eo ft h e r m a ld e f o r m a t i o na n dh e l i xe r r o rh a sb e e ne l i m i n a t e d t h i sp r o j e c ti sp a r to fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn u m b e r 5 0 6 7 512 4 ) ，m a i n l yr e s e a r c h i n gt h ea x i a lc o n t a c ts t i f f n e s s i n f l u e n c i n gf a c t o r so fb a l ls c r e w m e c h a n i s m sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na x i a lc o n t a c ts t i f f n e s sa n dp o s i t i o n i n ga c c u r a c y t h e p a p e rd e v e l o p e d “t h em e a s u r ei n s t r u m e n tf o rs t a t i cs t i f f i a e s so fb a l ls c r e wu n i t ”，w h i c hc a n f u l f i l lt h er e q u e s t so fp r o d u c tq u a l i t yi n s p e c t i o n ，c o n t r o la n dm a n a g e m e n ti nf a c t o r i e s ，t h e m a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w e d f i r s t l y , m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb a l ls c r e wm e c h a n i s mi s b u i l tu pu s i n gd i f f e r e n t i a l g e o m e t r i cm e t h o d ，a n da n a l y s i st h ef o r c ea n dd e f o r m a t i o no f b a l ls c r e wm e c h a n i s ma c c o r d i n g t oh e r t zc o n t a c tt h e o r y ；t h et h e o r e t i c a lm o d e l ，w h i c hi su s e dt os o l v ea x i a lc o n t a c t d e f o r m a t i o na n da x i a lc o n t a c ts t i f f n e s so fs i n g l ea n dd o u b l e n u tb a l ls c r e w ，h a v eb e e n e s t a b l i s h e d t h e nt h ec u r v ec h a r t so ff o r c ea n dd e f o r m a t i o no fb a l ls c r e wm e c h a n i s ma r e d r a w n t h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，w o r k i n gl o a da n dp r e l o a d i n gf o r c eo nt h ea x i a l c o n t a c td e f o r m a t i o na n da x i a lc o n t a c ts t i f f n e s si sa n a l y z e d j s g s10 0b a l ls c r e wm e c h a n i s ma x i a ls t a t i cs t i f f n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，w h i c hi s c o n s i s to ft h el o w e r p a r ta n dt h eu p p e rp a r t ，i sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h el o w e rp a r ti sb a s e o nt h es i n g l ec h i pm i c r o - c o m p u t e r , c o m p r i s e do ff o r c es e n s o r , m i c r o d i s p l a c e m e n ts e n s o g i i 山东建筑大学硕士学位论文 s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，e x t e n d e dc i r c u i ta n dr s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，a n dt h e a n t i i n t e r f e r e n c em e t h o di ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ei n t r o d u c e d t h eu p p e rp a r tb a s e do nv b 6 0 ，w h i c hp o s s e s st h ef u n c t i o n so fd i s p l a y i n ga n ds a v i n gt h ec o l l e c t i n gd a t ai nr e a lt i m e ， t r a n s f e r sd a t a , g e n e r a t ea x i a ls t a t i cs t i f f n e s sm e a s u r i n gr e p o r to fb a l ls c r e wm e c h a n i s ma n d p r i n t i n gt h em e a s u r i n gr e p o r t m e a s u r i n gt h e s t i f f n e s so fg 4 0 1 0 - 3t y p es i n g l en u tb a l ls c r e wm e c h a n i s ma n d g d 4 010 3t y p ed o u b l en u tb a l ls c r e wm e c h a n i s m ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i n gb e t w e e n t h e o r e t i c a lr e s u l t sa n da c t u a lt e s tr e s u l t s ，t h i sa r t i c l em a i n l ya n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fw o r k i n g l o a d ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dp r e l o a d i n gf o r c eo nt h ea x i a lc o n t a c td e f o r m a t i o na n da x i a l c o n t a c ts t i f f n e s s m e a s u r i n gt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo fg 4 0 10 3t y p es i n g l en u tb a l ls c r e w m e c h a n i s ma n dg d 4 010 - 3t y p ed o u b l en u tb a l ls c r e wm e c h a n i s m ，a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo f p r e l o a d i n gf o r c eo na x i a lp o s i t i o n i n ga c c u r a c y k e yw o r d s ：b a l ls c r e wm e c h a n i s m , h e r t zc o n t r a c t ，m e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，p o s i t i o n i n ga c c u r a c y i i i 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签 名： 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运 动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸 发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样，滚珠丝杠 副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。 尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛 运用，极大的推动了机床行业的数控化发展【l 】。 随着数控机床的发展，“高速、高效”成为各厂家追求的目标，对于高速驱动与 定位部件，国外已有直线电动机问世，开始用于加工中心，快速进给速度达到 1 6 0 m m i n 以上，加速度达4 9 以上，向滚珠丝杠副提出严峻的挑战。但由于直线电 动机存在价格昂贵、控制系统复杂、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，国外大部分高速加工中心仍使用滚珠丝杠副2 】【3 】。 数控机床定位精度，是指机床各坐标轴在数控装置控制下运动所能达到的位置 精度。数控机床的定位精度又可以理解为机床的运动精度。机床各运动部件的运动 是在数控装置的控制下完成的，各运动部件在程序指令控制下所能达到的精度直接 反映加工零件所能达到的精度，所以，定位精度是一项衡量数控机床性能的重要内 容【4 】【5 1 。 作为数控机床的传动部件，滚珠丝杠副的精度和性能直接影响着数控机床的定 位精度。过去，为了获得高的定位精度，主要通过提高滚珠丝杠副本身的精度来实 现，随着科学技术的不断发展，人们掌握了数控补偿技术，因而，不需要很高精度 的滚珠丝杠副，也能获得高的定位精度【6 】。因此，国际标准i s 0 2 8 6 2 ：1 9 8 8 以及国 家标准g b t 1 7 5 8 7 3 1 9 9 8 都对滚珠丝杠副的行程变动量做了要求，如有效行程内行 程变动量、任意3 0 0 m m 行程内行程变动量，2 7 【弧度内行程变动量，其目的就是要 控制滚珠丝杠副行程误差的直线性，即滚珠丝杠副行程误差线性化，为数控误差补 偿创造条件8 1 。 在通过数控补偿技术解决了滚珠丝杠副的行程误差，热变形对定位精度的影响 之后，人们在应用中发现由于滚珠丝杠副滚道与滚珠之间的接触为点接触，在承受 山东建筑大学硕士学位论文 负载之后相互产生较大的弹性变性，该变形对滚珠丝杠副的定位精度由直接的影响 【l l 】。因此，对滚珠丝杠副的刚度即滚道与滚珠之间的弹性变形的研究越来越受到人 们的重视。由于滚珠丝杠副和滚珠轴承的动力学特性有相似之处，因而在研究方法 和基础理论方面有许多可以借鉴的地方，但由于滚珠丝杠负的结构和受力情况与轴 承相比更复杂，目前国内外对滚珠丝杠副的研究深度以及取得的成就远不如对轴承 的研究【1 2 】【1 3 】。 国内规模较大的滚珠丝杠副专业生产厂家现在主要有南京工艺装备厂、陕西汉 江机床厂和济宁博特丝杠厂等几家，年产能力也都在几万套以上。产品的精度指标 已接近世界先进水平，目前，这几家企业都能生产p 1 级的精密丝杠，但产品的性 能指标同国外著名公司相比，还存在较大的差距，表1 1 给出了国内外滚珠丝杠产 品的性能对比。 表1 1 国内外滚珠丝杠性能对比 i 生能 精度( 1 1 1 】m ) 最大幽 最高运动最大加速噪音( d b )温升( 。c ) ( 3 0 0 m m 螺速度 度( m 2 s ) ( 3 0 m r a i n 速( 3 0 m r a i n 速 厂家 距误差) ( 万) ( m m i n )度下测试)度下测试) 国外 0 0 0 2 1 59 0 1 2 01 5 2 0 6 0 i 04 0 6 01 0 1 5 7 0 1 0 从表1 1 中，我们可以看出，国内产品的性能差距是明显的，这也使得我国在每 年出口低质价廉的滚珠丝杠同时，不得不花费大量的外汇进口性能优异的高速精密 滚珠丝杠。国内滚珠丝杠副的加工技术水平还远远落后于国际水平，其中制约功能 部件进一步发展的主要因素有【1 4 【l5 j ： ( 1 ) 基础理论研究的薄弱，对滚珠丝杠副的基础理论研究大多参考滚动轴承，但 滚珠丝杠副机构复杂，缺乏专门针对滚珠丝杠副的理论和试验研究，尤其是在滚珠 丝杠副的性能研究方面，目前国内基本上还是比较少。 ( 2 ) 行业技术力量薄弱，产品原创力弱，新产品研发速度慢，对市场需求反应较 慢，缺乏具有时代气息和自主知识产权的新产品。 ( 3 ) 缺乏先进的检测仪器和产品性能试验设备，缺少为新产品的研发和批量生产 提供品质保证以及用检测数据和性能对比曲线取信用户的手段。 ( 4 ) 装备落后，工艺单一、水平不高，生产线上的装备数控化率低、生产效率低、 产品互换性不强，质量难于稳定。 ( 5 ) 新材料的研究和开发落后，影响了技术进步和新产品的开发。 综上所述，如何提高滚珠丝杠福的性能指标己成为制造企业急需解决的重要问 题，同时也是提高产品市场竞争力的重要手段之一。只有深入开展滚珠丝杠副性能 2 的研究，弄清影响滚珠丝杠副性能指标的因素，才能有针对性地采取有效措施提高 国产丝杠的性能，增强产品在市场上的竞争力。 1 2 国内外研究状况 滚珠丝杠副滚珠循环系统和滚动轴承的动力学特性有相似之处，因而在研究方 法和基础理论方面有许多可以借鉴的地方，但由于滚珠丝杠副结构和受力情况与轴 承相比更复杂，目前国内外对该领域的研究深度以及取得的成果远不如对轴承的研 究。 在理论研究方面，我国台湾学者j e nf i nl i n 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杠 副的接触变形的模型进行了研究 1 6 】；西安交通大学的x u e s o n gm e i ，m a s a o m i t s u t s u m i ， t a ot a o ，n u o g a n gs u n 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m j ；程光仁、施祖康、张超鹏对滚珠丝杠副进行了比较系统的介绍， 其中包括对滚珠丝杠副的接触变形的研究【1 8 】；赵训贵提出了滚珠丝杠副的“球心论”， 并在实际的生产中得到比较好的应用；赵训贵、平舜娣对滚珠丝杠副产生接触变形 时的实际接触角进行了计算；杜平安对大升角直旋副的接触问题进行分析，建 立了滚道弹性接触变形及额定负荷的计算表达式【1 1 1 ；山东大学的宋现春、姜洪奎对 滚珠丝杠副返回器中滚珠运动的动力学模型进行了研究和分析，并分析了螺旋升角 对滚珠丝杠副的接触变形的影响【2 1 】 2 3 】；吉林大学的吴长宏、谭庆昌采用有限元的 方法对滚珠丝杠副轴向变形各影响因素进行的分析【2 4 】；美国威尼康鑫l i n m c 对滚 珠丝杠副的运动学和动力学做了初步分析2 5 】；h u a l t et h u a n g 采用中性轴理论，对 滚珠的运动状态做了分析 2 6 1 ；r w h a l l e y , m e b r a h i m i ，a a a b d u l a m e e r 通过建立数 控机床的控制系统模型，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i z 列；k a z u k it a k a f u j i ，k a t u h 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【2 8 】；c l a u d i ob r a c c e s i ，l u c al a n d i 对滚珠丝杠副的返回装置进行了弹 性冲击分析【2 9 】。 随着我国对高精度丝杠的需求扩大，对滚珠丝杠精度检测的要求也越来越高。 我国自5 0 年代生产滚珠丝杠以来，对滚珠丝杠的检测工作同时也在摸索中前进，很 长一段时间内，对滚珠丝杠精度的检测都采用静态法检测，由于检测手段的落后， 严重制约了我国滚珠丝杠的质量。七十年代以来，有关的生产、研究单位致力于滚 山东建筑大学硕士学位论文 珠丝杠动态测量仪的研制工作，实现了从静态测量到动态测量的跨越。随着对滚珠 丝杠副性能要求的不断提高，先进、便捷的检测手段成为提高滚珠丝杠副质量的可 靠保证。国内外许多滚珠丝杠副生产厂家除了致力于改革加工工艺外，都把检钡0 手 段的更新换代放在优先的地位。 目前，国内为关于滚珠丝杠副性能检测方面的研究成果主要有： ( 1 ) 日本n s k 公司，在l m s 型3 m 激光丝杠动态测量仪上加了一套“导程精度 自动评定系统( l e a da c c u r a c ym e a s u r i n gs y s t e m ) 3 0 1 。它具有三个功用： 迅速完成数据处理，输出导程误差曲线，并根据j i s 或i s o 滚珠丝杠标准判 断出精度等级； 通过图形放大、滤波获得精确数据，对误差做出统计分析； 对导程误差曲线进行谐波分析。 ( 2 ) 联邦德国林德纳公司研制的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。而且，还能够对 装配后的滚珠丝杠副，同时进行综合导程精度和空载预紧力矩的测量。 ( 3 ) 北京机床研究所与南京工艺装备制造厂联合研制的l j y l 0 滚珠丝杠副动态 预紧转矩测量仪【l o 】。此项研究解决了国内滚珠丝杠副动态预紧转矩测量仪器在使用 上存在操作不方便、量程小、测量不同的转矩需要更换传感器、仪器分辨率及精度 均较低等方面的问题。该仪器测量系统的主要特点是：对整个测量范围只用一个传 感器，并且测量转矩的范围可以扩展，采用实时数字显示被测转矩的数据；在测量 过程中，可在计算机屏幕上或在记录仪上实时输出转矩曲线，测量结束后，用计算 机按照新的国际标准i s o3 4 0 8 3 1 9 9 2 及新的部颁标准j b 3 1 6 2 2 9 1 进行数据处理。 随着技术的发展，用户对滚珠丝杠副的要求越来越高，目前，滚珠丝杠副性能 检测仪器大多采用微处理器或计算机作为控制器件，实现对数据的自动判别和处理， 测量方式向动态连续及自动化方向发展，测量仪器的功能也越来越多样化，新的检 测手段帮助滚珠丝杠副生产厂家不断提高产品质量，开发新品种，以满足用户的需 求。 1 3 课题主要研究内容 本论文以滚珠丝杠副为研究对象，根据滚珠丝杠副的结构特点，考虑各结构参 数的影响，针对滚珠丝杠副的轴向接触变形、轴向接触刚度和轴向定位精度，主要 4 山东建筑大学硕士学位论文 做了以下研究工作。 ( 1 ) 首先利用微分几何方法对滚珠丝杠副进行数学建模，根据滚珠丝杠副的结构 尺寸对滚珠与滚道面接触点处的主曲率进行了求解；利用赫兹点接触理论对滚珠丝 杠副中滚珠的受力与变形进行了分析研究；在此基础上利用数值迭代求解推导出了 求解单、双螺母滚珠丝杠副轴向接触变形、轴向接触刚度的理论模型，分别绘出了 单、双螺母滚珠丝杠副轴向接触变形、轴向接触刚度与工作载荷、结构参数、轴向 预紧力等因素之间的关系曲线；分析不同影响因素对滚珠丝杠副轴向接触变形以及 轴向接触刚度的影响。 ( 2 ) 开发滚珠丝杠副轴向接触刚度检测系统，提出了以轴向加载力为测量基准的 滚珠丝杠副轴向接触刚度检测方案，详细介绍了滚珠丝杠副轴向接触刚度测量仪的 硬件电路设计，包括测力传感器的选取、信号处理电路设计、单片机系统以及外扩 电路设计和串口通信电路设计；开发了基于v b6 0 的珠丝杠副轴向接触刚度检测系 统，实现轴向作用力和轴向接触变形采样数据的实时显示和保存、历史数据调用、 并最终形成滚珠丝杠副轴向接触刚度检测报告，实现检测报告打印。 ( 3 ) 禾l j 用j s g s l 0 0 滚珠丝杠副静刚度测量仪对g 4 0 1 0 3 型单螺母滚珠丝杠副和 g d 4 0 1 0 3 型双螺母滚珠丝杠副进行刚度检测，通过理论计算结果与实际检测报告 的对比，重点分析了负载对滚珠丝杠副轴向接触变形以及轴向接触刚度的影响，以 及不同预紧载荷对双螺母滚珠丝杠副轴向接触变形以及轴向接触刚度的影响；并利 用滚珠丝杠副性能试验台对g 4 0 1 0 3 型单螺母滚珠丝杠副和g d 4 0 1 0 3 型双螺母滚 珠丝杠副进行定位精度检测，分析刚度以及轴向预紧力对滚珠丝杠副轴向定位精度 的影响。 山东建筑大学硕士学位沧文 第2 章滚珠丝杠副的工作原理以及结构形式 21 滚珠丝杠副的工作原理及其特点 21 1 工作原理 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之n 放入适量的滚珠柬使丝杠与媒母之间由滑动 摩擦变为渡动摩擦的丝杠传功。滚珠丝杠目在机械传动中的作用，同样是可以将旋 转运动变为直线运动，也可以将直线运动变为旋转运动。根据丝杠和螺母相对运动 的组合情况，其传动方式也是多种多样的。 滚珠丝杠副一般是由丝杠1 、螺母2 、滚珠3 以及滚珠循环返回装置4 四个主 要部分组成。 町b ) 1 滚珠丝枉2 螺母3 滚珠4 反向嚣 a ) 外循环方式b ) 内循g a - 式 圈2 i 滚珠盟扛副结构 从圈21 可知，滚珠丝杠副就魁指在具有螺旋槽的托杠与螺母之间，连续填 满滚珠作为中间体的螺旋传动。其工作原理如下1 3 2 1 ： 当螺母2 ( 或丝杠1 ) 转动时，在丝杠与螺母问却置的滚珠3 依次沿螺纹滚道滚动， l 刊叫滚珠3 促使丝杠l ( 或螺母2 ) 作直线运动。为了防止滚珠沿螺纹滚逆滚出，在螺 母上设有滚琏循环返回装置( 返向器) 4 ，构成一个封闭的滚珠循环通道。借助于这个 返回装曼，。，以使滚珠沿滚道面运动后，经通道自动地返回其工作的入口处肌 而使滚珠能在螺纹滚道上继续不断地参与工作。为了消除间隙和提高传动精度及刚 度，滚珠螺母常由两段组成。 滚珠丝札副除了上述四个部分外还要有擦拭器，擦拭器将异物从滚珠丝杠内 部的关键部件中清除掉，并确保有效润精。在许多应用场合，擦拭嚣可延长滚珠丝 山东建筑大学硕士学位论文 杠的寿命并提高机械的可靠性。擦拭器可安装在滚珠丝杠的外部或内部。 2 1 2 滚珠丝杠副的特点 由上述工作原理可知，滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比较，它以滚动摩擦代替滑 动摩擦，因此，具有以下特点【3 3 】【3 4 】： ( 1 ) 摩擦损失小、传动效率高 由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动效率高达9 0 9 8 ，为传统的滑动丝 杠系统的2 - 4 倍，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转 运动( 运动可逆) 。 ( 2 ) 磨损小、寿命长 通常，滚珠丝杠副的主要零件，如丝杠、螺母以及滚珠都是经过淬硬的并且有 很低的表面粗糙度；而且，滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，即其精 度保持性能好，工作寿命长。 ( 3 ) 轴向刚度高 由于滚珠丝杠副可以完全的消除传动问隙，而不至于影响丝杠运动的灵活性， 因而可以获得较高的轴向刚度。通常，可以通过预紧来提高轴向刚度。 ( 4 ) 摩擦阻力小、运动平稳 滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力 几乎与速度无关，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现 象，因此可精密地控制微量进给。 ( 5 ) 高可靠性 与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也 较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。 ( 6 ) 不能自锁、具有传动的可逆性 由于滚珠丝杠副没有自锁能力，故具有传动的可逆性。当它用于垂直升降传动 系统时，必须增设自锁装置或制动装置，以防止产生逆传动。 由于滚珠丝杠副具有上述优点，所以它日益广泛地应用于精密机械、机床、汽 车，船舶，火炮、航空、航天和纺织等工业部门。 但是，与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副仍然存在以下的缺点：结构较复杂，工 艺难度大，制造成本高等。 山东建筑大学硕士学位论文 2 2 滚珠丝杠副的构造与分类 滚珠螺旋传动主要由丝杠、螺母和滚珠等组成。根据构造的差异和类型的不同， 其工作特性、传动精度和制造工艺也不同。对于丝杠的构造来说，除螺纹滚道型面 的形状有所不同外，各种类型丝杠的构造基本都相同【3 5 1 。滚珠螺母的构造，主要与 滚珠循环装置采用的类型及调隙预紧的形式有关。而滚珠循环装置的构造，则对滚 珠螺旋传动的设计、制造、精度、寿命、成本以及轴隙调整等均有重要的影响，对 滚珠流畅性的好坏更有直接关系 3 6 1 。 各种结构形式的滚珠丝杠副，通常主要是按常规、按螺纹滚道形面的形状、按 滚珠循环方式和按轴向间隙调整的预紧方法等几个方面来进行分类。 2 2 1 按照常规分类 图2 2 滚珠丝杠副按常规分类 滚珠丝杠副按照常规分类如图2 2 。现在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 2 4 】 3 7 】： 普通滚珠丝杠副一般指公称直径d o = 1 6 - - 1 0 0 m m ，导程p h = 4 , - - , 2 0 m m ，螺旋升角 o 9 0 。 微型滚珠丝杠副指公称直径d o 1 6 m m ，螺旋升角1 7 0 珍9 0 或者导程 1 2 d o 1 2 5 m m 的滚珠丝杠副。 2 2 2 滚道形面的形状和特性 螺纹滚道型面是指通过滚珠中心作螺旋线的法截面与丝杠、螺母螺纹滚道面的 山东建筑大学硕士学位论文 交线。这个滚道型面的几何形状、尺寸以及材料的机械性质，对滚珠螺旋传动的承 载能力、摩擦特性、轴向刚度和轴隙调整均有较大影响。基于上述各因素的考虑， 目前国内应用最广的滚道型面，有单圆弧形和双圆弧形两种，如图2 3 所示【2 4 】： a ) 单圆弧b ) 双圆弧 图2 3 螺纹滚道型面 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b 称为接触角。接触角1 3 对滚珠丝杠传动的性能有较大的影响。 接触角1 3 越大，滚珠螺旋传动的承载能力和刚度就越大，传动效率就越高。如果接 触角1 3 很小时，丝杠能承受的轴向力变小，在相同的轴向负荷的作用下，会使得径 向力增大，从而使挤压滚珠的压力加大，这将会降低丝杠的使用寿命。所以设计时 所选的接触角b 要大些，但接触角1 3 太大又会使滚珠同螺纹滚道接触的部位变陡， 磨削时不易达到较高的精度和较低的表面粗糙度，而且由于该弧形槽边缘比较薄弱， 故容易破坏。从有利于传动效率、承载能力和滚珠流畅性等方面提高的观点来看， 目前国内外均采用1 3 4 5 0 。但也有采用1 3 = 4 5 0 的。 单圆弧形滚道型面的特点是：磨削螺纹滚道的砂轮成型比较简便，而且易于获 得较高的加工精度。但是单圆弧滚道型面的接触角1 3 不容易控制，它随着初始间隙 和轴向载荷的大小不同而变化，因而使得传动效率、承载能力以及轴向刚度等变得 不稳定。 双圆弧滚道型面的特点是：滚道型面的精加工较为困难，因为砂轮成形较复杂， 若使精加工达到较高的精度，必须在机床上设置专门修磨砂轮的成型砂轮修正器。 现在已经研制出了两坐标数控砂轮修正装置。同时在滚道底部加工出沟槽，可以起 到储存润滑油和脏物的作用，有利于减少磨损，对滚珠流畅性大有好处，从而提高 9 山东建筑大学硕士学位论文 滚珠丝杠副的寿命。理论上，其轴向间隙和径向间隙为零即a o t = a d = 0 时，接触角 1 3 = 4 5 0 。为了提高滚珠丝杠副的承载能力和滚珠流畅性，实际上给予一定的间隙量， 接触角b 稍微减小，并且在传动时使接触角b 能保持不变，所以其传动效率、承载 能力和轴向刚度均较为稳定。另外，为了消除间隙和调整预紧，通常采用双螺母结 构，也可以采用单螺母错距结构或单螺母增太滚珠直径的方法，以获得无间隙和具 有预紧力的滚珠丝杠昌俨”。 图2 4 典型鼠圆弧壤道的剖面图 2 23 滚珠循环方式 通常，把在同一个螺母上所具有的循环回路的数目，称为滚珠的列数。而把滚 珠在每一个循环中绕经螺纹滚道的圈数，称为滚珠的工作圜数。 1 ) 内循环方式 滚珠在循环过程中始终不脱离丝杠表明的循环方式，称为内循环。内循环的工 作圈数般是- - ，, j 只有圈。在螺母的侧孔内，装有接通相邻滚道的回殊装置( 称 为反| i ；i j 器) 。借助反向器上回珠槽的作用，迫使滚珠沿滚道滚动一圈之后，翻越过丝 杠螺纹滚道牙顶，重新回到初始滚道，构成了一圈一个循环的滚珠链，故又称为单 圈内循环。单幽内循环的列数通常为2 4 列，最多可达到6 列，相应的说，一个螺 母上则需要装2 4 个或6 个反向器。为使滚珠螺母的结构紧凑些，这些反向器沿螺 母圆周是均匀分布的，即对应于积列、三列、四列或六列结构，反向器的轴向间距 视反向器的结构形式而不同，选择时应尽可能使螺母尺寸紧凑些。 由于单圈内循环是以一圈为列，因而滚珠较少，运行阻力减少，启动容易，滚 珠流畅性好，灵敏度较高：摩擦损失少，传动效率较高；滚珠回程较短，刚性较好， 使运转精度得到提高；螺母径向尺寸小，且零件数减少，装配简便，适于批量生产。 但是不足的是反向器回珠槽为空间曲面呈s 形，用普通设备加工较困难，需要采用 l o 山东建筑大学硕士学位论文 数控机床或仿形机床加工，设备费用较高。目前我们国家较多采用二轴半联动的数 控机床来加工内循环式反向器。此外采用这种循环方式对滚珠螺旋副的公称直径， 丝杠外径、螺纹滚道牙形与接触角、牙顶圆角等加工要求较高。 要得到高精度的滚珠丝杠副，除对丝杠、螺母提出很高的制造要求外，反向器 轨道设计也直接影响到滚珠丝扛副的工作性能【7 1 。因此，反向器轨迹的设计是滚珠 丝杠副设计的关键因素。作为内循环滚珠螺旋传动的关键元件之一，反向器的工作 性能的好坏，将直接影响传动的质量。反向器按其定位方式不同，可分为固定式和 浮动式两种；而每一种反向器又有两种结构形式，即扁圆形反向器和圆形反向器。 扁圆形反向器的结构是一个扁圆形镶块，紧固在螺母上的扁圆孔中。反向器上 铣有s 形的回珠槽。其优点是轴向尺寸短，结构紧凑而美观。缺点是扁圆孔的加工、 测量较为困难，不容易保证精度，装卸也较为麻烦。 圆形反向器类似一个带凸键的圆柱镶块，反向器上也铣有s 形的回珠槽，它是 用圆柱面和凸键同时定位的。它的优点是加工测量都比较容易。但采用该反向器的 缺点是，使螺母的轴向尺寸增大( 尤其是在大螺距的情况下) 。由于采用圆柱面和凸 键同时定位，则反而使反向器安装调整变得困难了。 浮动式反向器的结构特点是，反向器与滚珠螺母上的安装孔保持有o 0 1 0 0 1 5 m m 的配合间隙。在反向器的外圆弧面上车出对称圆弧槽( 槽宽约为o 8 l ，l - 一 导程) ，槽内安装拱形片簧。借助于片簧的弹力，始终给反问器一个径向推力，使位 于回珠槽内的滚珠始终与丝杠表而保持一定的压力，这样，槽内滚珠就代替了定位 键而对反向器起到白定位作用。 浮动式反向器的优点是在高频浮动中达到回珠槽进出口的自动对接，从而为 滚珠返回提供流畅的通道口，因此具有较好的摩擦特性，预紧后的空载摩擦力矩t 预空为固定式反向器的1 3 , , - , 2 3 ，当预紧力增大时，而t 预空上升平缓。滚珠在返回 过程中产生的摩擦力矩t 预反与t 预空的比值( 即t 预反t 预空) 最小，且结构工艺 性好，装配简便，在高速运转中工作可靠。这种反向器适用于各种高灵敏度、高刚 度要求的精密进给系统。但其缺点是，不适用于重载，多头丝杠副以及大导程、小 导程的滚珠丝杠副【l5 | 。 浮动式反向器滚珠丝杠副是目前最有发展前途的结构形式，并且正在逐渐取代 固定式反向器的滚珠丝杠副 山东建筑大学硕士学位论文 2 ) 外循环方式 滚珠在循环过程中，不能始终保持与丝杠表面接触，即当滚珠从螺纹滚道终端 返回到滚道始端时与丝杠表面脱离接触，通常把这种循环方式成为外循环【2 3 】。外 循环又可以分为插管式、螺旋槽式和端盖式三种。 螺旋槽式外循环方式是直接在滚珠螺母1 的外圆柱面e 铣出一条螺旋槽，螺旋 槽的两端与螺母的螺纹滚道相接，形成滚珠返回通道。为引导滚珠顺利出_ 八通孔， 在通孔的出口处和八几处分别设置挡珠器4 ，套筒2 防止滚珠脱落。螺旋槽式外循 环方式的优点是：螺母的径向尺寸较小，工艺性好，安装方便。缺点是：挡珠器4 形状复杂，刚度差。 圉2 5 螺旋槽式外循环图2 6 插管式外循环 插管式外循环方式以插管式外循环方式最为常用。插管式外循环是用弯管2 代 替螺旋槽式外循环中的螺旋槽，把弯管的两端插入螺母3 的孔中，形成滚珠返回通 道。用捱板1 和螺钉将弯管固定于螺母上。插管式外循环有单列捅管、双列插管和 多列插管三种结构。插管式外循环优点是：结构简单、制造方便，适于批量生产， 适用于小导程、一般导程和重型滚珠丝杠副。缺点是：弯管突出在螺母的外部，径 向尺寸较大。 端盖式外循环滚珠丝杠副是在滚珠螺母上钻有纵向孔作为滚珠返回通道，如图 27 所示，而在螺母两端各装有一个带有圆弧槽的端盖，圆弧槽末端与螺纹滚道相切， 引导滚珠出入返回通道，从而构成循环回路。其优点是：结构紧凑，工艺性好，承 载能力大，适用于多头大导程和超大导程滚珠丝杠副。缺点是：滚珠在经过返回通 道的圆弧槽时，必须作急剧的拐弯，因此循环回路的流畅性能不好，容易出现卡滞 现象。但是，如果合理设计反向通道的圆弧槽，改善了其流程性，端盖式循环方式 可以被选择作为高速滚珠丝杠副的结构形式。 山东建筑大学硕士学位论文 图2 7 端盖式外循环 2 2 4 滚珠丝杠副的预紧方式及其特点 由于制造和安装的误差，滚珠丝杠副总是存在间隙的。同时，滚珠丝杠副在轴 向工作载荷作用下，滚珠与螺纹滚道相接触部位产生弹性变形。如果滚珠丝杠副中 有轴向间隙或在轴向载荷作用下滚珠与滚道接触处有弹性变形，则当滚珠丝杠反向 转动时，将产生空回误差，从而影响传动精度和降低了滚珠丝杠副的刚度。因此， 在对轴向间隙和轴向刚度有严格要求的精密滚珠丝杠副( 如数控机床和精密仪器等) 中，必须采取消除轴向间隙和提高轴向刚度的措施3 8 卜 4 0 】。消除轴向间隙和提高轴 向刚度的方法尽管很多，但目前广泛采用的主要是以下几种方法： ( 1 ) 双螺母调整预紧装置。所谓双螺母调整预紧装置，就是在同一根滚珠丝 杠上装配两个螺母。通过改变两螺母之间的垫片的厚度来调整两个螺母之间的轴向 位置，使两个螺母中的滚珠在承受工作载荷之前，分别与丝杠滚道的两个不同的侧 面接触，即使两个接触角1 3 的位置相反，且在滚珠与滚道圆弧面间施加一定的接触 压力，使其产生一定的预变形，从而消除了轴向间隙，提高了滚珠丝杠副的轴向刚 度。其特点是：钢球是两点接触，滚珠丝杠副承载能力大，可施加较大预加载荷， 适用于高负载，有定位精度要求的场合。 主要有