毕业设计（论文）-滚珠丝杠副设计及相关技术研究

滚珠丝杠副设计及相关技术研究摘要：滚珠丝杠是因其自身良好的可靠性，精度等级高，使用及维护成本都比较低的优势被广泛应用于多种场合，其中高精密机床上应用甚多。所以研究和优化滚珠丝杠具有巨大的前景。本设计中具体对滚珠丝杠进行了多方面的学习，包括滚珠丝杠相关各种参数的计算及其校核。并对丝杠周围部件进行了了解。除此之外，本设计还对滚珠丝杠的高速化及其优化方案也进行了简述。关键词：滚珠丝杠 设计方案 高速化全套图纸加扣3012250582III2016届毕业设计说明书 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 录摘要 IAbstract II目录III1.绪论 11.1滚珠丝杠概述31.2本课题研究的意义82.滚珠丝杠的设计 82.1原始数据与技术条件92.2滚珠丝杠的主体参数设计92.2.1导程的选择 102.2.2 丝杠轴长度的选择 112.2.3丝杠轴直径的选择 132.2.4丝杠轴支撑方式的选择 122.2.5螺母的选择 133.各零部件的校核143.1容许轴向负载的计算 143.2丝杠轴容许转速的计算 153.3螺母运行距离的计算 153.4螺母轴向平均负荷及其寿命校核 164.定位精度的探讨184.1导程精度的探讨 184.2轴向间隙的校核 184.3轴向刚性的校核 184.4运行姿态的探讨 194.5旋转扭矩的校核 195.电动机的选择 205.1旋转速度 205.2最小进给量 205.3电动机扭矩205.4扭矩的有效值 216.滚珠丝杠高速化研究 211.精密滚珠丝杠副实现高速化要解决的主要矛盾 212.滚珠丝杠副高速化的技术对策 227.总结 23参考文献 24致谢 25V1绪论1.1滚珠丝杠的概述 滚珠丝杆是一种能在直线进给和周转运动之间互相转换的理想的机械产品。因具有传动效率、运动平稳、高精度、高耐磨性、高同步、高可靠性、无背隙和高刚性的诸多优点，并被广泛应用于机械行业。传统的滚珠丝杠采用循环方式主要有三种。第一，外循环，（管路式）其结构简单易于使用。在滚珠滚道内通过一根插管将进口和出口相连接，从而达到无限循环。图1-5外循环第二，内循环，（哥德式）其结构紧凑，也比较易于小型化，但制造成本较高。图1-6 内循环第三，端盖式。（端面式）1图1-7 端盖式滚珠丝杠至诞生以来，就得到了世人的许多关注，也进行了比较大的改进和融合。并发展出了许多不同用途，不同型号的滚珠丝杠产品。如在日本相关专利方面就有除了传统内外循环的滚珠丝杠外，还出现了不使用循环的滚珠方案，并且得到了诸多应用。以下以举例的形式表达一种非循环的滚珠丝杠方式：如图，该发明滚珠丝杠螺母内加入弹性元件，并使其能够很方便放入滚道内，使之随着滚珠体一起进行运动。在1-1、1-2图中，当滚珠体逆时针旋转时，会压迫弹性元件也向逆时针运动。当该方向运动结束后，弹性元件便会将滚珠体再压回原来位置。同理也有另外一个方向，如图1-3所示。2图1-1 一种非循环方式的滚珠丝杠装置循环轨道中的弹性元件能够在运动的开始和结束状态起到储能的作用，也是实现非循环方式运动的关键。3图1-2 一种非循环方式逆时针方向动态图解图1-3 一种非循环方式顺时针方向动态图解可以想象如此设计能够最大限度地缩小螺母的径向长度，从而为滚珠丝杠的小型化开辟了道路。图1-4 一种非循环方式滚珠丝杠三维图例1.2本课题研究目的CNC数控机床中，进给系统的主体实现元件是滚珠丝杠副。虽然滚珠丝杠已经出现了近百年的历史，但其优越性能仍然是现在许多元件无法替代的，并且具有很大的优势，启动力矩小，定位精度高，运行可靠。并且随着其他相关技术的成熟进步，尤其是材料性能的改善和工艺技术的改进优化，滚珠丝杠副的优势将更加凸显，所以我们很有必要将滚珠丝杠副的优化设计放在自己的设计理念中，并将其优点发扬光大。2.滚珠丝杠的设计2.1原始数据与技术条件表1.1滚珠丝杠的主体设计要求工作台重量W125kg工作及夹具最大重量W280kg工作台最大行程 LK1000mm快速进给速度Vmax60m/min动摩擦系数=0.003定位精度0.02mm/300mm重复定位精度0.01mm全行程定位精度0.025mm要求寿命30000 h导向面阻力15N额定转速3000 r/min驱动电动机AC伺服电机减速器A1电动机的惯性扭矩0.001图2-1 滚珠丝杠装置整体受力图表1.2滚珠丝杠的主体参数丝杠轴直径导程螺母型号精度轴向间隙丝杠轴支撑方式电动机功率2.2.1导程的选择导程的选择必须与所需要的最高速度相配合，本设计中的滚珠丝杠装置最高速度选取1m/s，也即60000mm/min。电动机拟采用AC伺服电机，其最大转速为3000r/min。综上，可计算出导程的许用最小值L为：mm在这里，根据机械手册中查表数据可得滚珠丝杠的导程取L=20mm。2.2.2丝杠轴长度选择丝杠轴的选择必须考虑到螺母的长度,现在暂定其长度为160mm，丝杠轴两末端支撑长度为160mm。根据实际需求，丝杠长度行程长度选择为1000mm。则丝杠轴全长为：2.2.3丝杠轴直径的选择本设计中丝杠轴拟采用一端固定，一端支撑的方式（公式2.1）当安装方式为固定，支撑时，查表：f=15.1则Dr21.9mm由机械设计手册所示滚珠丝杠型号丝杠轴直径 导程20mm 20mm20mm 40mm30mm 60mm由上所述,根据机械手册查表最终确定丝杠轴直径40mm/导程20mm的设计方案。丝杠轴的设计到此为止，总体的设计图例见下图4-1丝杠轴2.2.4轴支撑方法的选择本设计中滚珠丝杠的最大行程为1000mm,属于远跨距安装;速度为1m/s，属高速使用；而且考虑到升温比较有可能会导致丝杠轴变形弯曲。故而确定该支撑方法采用固定-支撑的方式。图2-2 丝杠形变上图为固定-支撑安装方式的丝杠允许最大变形量的安装间距，从图上可以看出，安装间距为1000mm的该滚珠丝杠符合要求。图纸设方案如图：图2-3 丝杠轴左端支撑方式图2-4 丝杠轴右端支撑方式丝杠轴被固定于四个轴承上，左边的一端被紧固落螺母固定，从而达到固定的目的，如图2-3右端为支撑端。如图2-4所示为滚珠丝杠右端支撑方式，与左端不同之处在于这端并未采用紧固螺母，为自由端。两端都采用角接触球轴承和深沟球轴承叠加安装，这样既能够使轴既能够承受轴向载荷，又能够承受径向载荷，从而满足滚珠丝杠正常工作时的实际要求。2.2.5螺母的选择螺母旋转型滚珠丝杠,是把滚珠丝杠螺母与支撑轴承一体的螺母旋转式滚珠丝杠装置。其螺母为使用外循环方式的钢球循环结构，钢球沿着滚道从入口到出口完成不间断的循环。而传统螺母外周嵌套有一个套筒。套筒外径与一个调心滚子轴承相连接，通过调心滚子轴承将传统螺母的径向旋转运动，与轴向的进给运动相互分离，从而达到螺母一边旋转，一边轴向进给，而不影响与之相连接的工作台只有轴向进给的需求。图3-1 螺母旋转方式实现方案两台电动机允许和丝杠轴、滚珠丝杠的螺母进行独立联接,并通过与螺母套筒相连接的齿轮将旋转力矩传递给螺母和套筒，并可以使微量进给控制在电动机的稳定旋转范围内。因其独立运动的特性，该设计方案可以使用两个伺服电机驱动，令两台电机同时驱动的方案，将两个速度进行组合，可以扩大整个运动副的速度控制范围。3.零件的初步校核3.1容许轴向负载的计算最大轴向负荷的计算导向面的阻力 （无负荷时）工作台质量 工件质量 导向面上的摩擦系数最大速度 重力加速度 加速时间 由此可知,所需数值如下。加速度（公式3.1）去路加速时去路等速时去路减速时返程加速时返程等速时返程减速时作用在滚珠丝杠上的最大轴向负荷如下所示现在选定直径为40mm的丝杠轴、导程为20mm（最小沟槽谷径37.4mm）的丝杠轴进行挠曲载荷和容许压缩拉伸负荷的计算：丝杠轴挠曲载荷：与安装方法相关的系数丝杠轴沟槽谷径 （公式3.2）容许压缩拉伸负荷：由此可见, 丝杠轴的挫曲载荷和容许拉伸压缩负荷至少等于最大轴向负，因此, 满足这些条件的滚珠丝杠在使用上没有问题。3.2 丝杠轴容许转速的计算丝杠轴直径：40mm； 导程：20mm；最大速度：60000mm/min由丝杠轴的危险速度所决定的容许转速：与安装方法（安装方法按固定支撑）相关的系数安装间距（推算）丝杠轴直径40mm；导程20mm则许用的丝杠轴的最大转速为：（公式3.3）丝杠轴直径40mm；导程20mm和40mm（大导程滚珠丝杠）按丝杠轴的危险速度计算可得选用丝杠轴直径为40mm和导程为20mm的丝杠轴没有问题。3.3螺母运行距离的计算最大速度加速时间 减速时间 加速时的运行距离： （公式3.4） 等加速时的运行距离： （公式3.5） 减速时的运行距离： （公式3.6）3.4螺母轴向平均负荷及其寿命校核正符号方向的轴向平均负荷因载荷方向相异,取，计算轴向平均负荷： （公式3.7）负符号方向的轴向平均负荷因载荷方向相异,取，计算轴向平均负荷： （公式3.8）因 ,所以轴向平均负荷为。平均转速每分钟往返次数行程 LS 1000 mm导程 （公式3.9）工作额定寿命 额定寿命 每分钟平均转数 （公式3.10）额定运行距离寿命额定寿命 导程 （公式3.11）4.定位精度的探讨4.1轴向刚性的探讨对轴向刚度影响最大的是发热变形，所以在此仅对热变形进行校核。假设在滚珠丝杠在转动过程中,系统温度升高5。这时引起的轴向定位误差为： （公式4.1） 4.2运行中姿势变化的探讨假设垂直公差在10秒以下,丝杠L因垂直公差而引起的定位误差为aLsin 150sin（10） 0.007 mm （公式4.2）由此可知,定位精度如下 （公式4.3）4.3旋转扭矩的探讨由外部负荷引起的摩擦扭矩如下 （公式4.4）滚珠丝杠副加速时所需的惯性力矩为,则丝杠轴全长1320mm的惯性力矩如下 （公式4.5） （公式4.6） （公式4.7）根据上述,加速所需要的扭矩如下 4.61 Nmm （公式4.8）因此,所需扭矩如下加速时，等速时，减速时， 5.电动机的选择5.1旋转速度电动机选择使用AC伺服电机。最高使用转速3000 r/min，电动机额定转速3000 rad/min5.2电动机扭矩设计中选择的AC伺服电机能产生的最大扭矩为5.3扭矩的有效值加速时等速时减速时停止时（公式5.1）电动机的额定扭矩通过以上计算必须为1305Nmm，而正常使用时电动机产生的扭矩必须为此数值之上。市面上CA伺服电机的种类繁多，选择余地也比较大，所以在这里我们的选择只需满足上述条件的精度和扭矩即可。6.滚珠丝杠高速化研究方案6.1 精密滚珠丝杠副实现高速化要解决的主要矛盾高速化不仅仅只是将滚珠丝杠副所连接的电动机的转速提高了这一种实现方案，而应该采用整体优化的设计方案。1）速度较高时，整个滚珠丝杠系统可能会出 现加大的震动系统共振时与临界转速的关系式为：（公式6.1）式中： ，支承系数； L，支承间距，mm； E，材料纵向弹性模量，； I，小径最小惯性矩，mm4； g，重力加速度，mm/s2； ，材料密度，N/mm3； A，小径横截面积，mm2。从上式可以看出，滚珠丝杠速度的控制因素不止一种3。2）滚珠受安全转速的限制滚珠丝杠副通常使用d0n值(此处d0为丝杠的名义直径，n为丝杠的转速)表示滚珠丝杠副的速度极限，也称作DN值。滚珠丝杠系统中的DN值越大，表明其运行的最高速度也最大，承载能力也最强。3）温升和热变形的限制高速转动下的滚珠丝杠螺母副会发热变形，进而降低滚珠丝杠的运动精度。图6-1 不同安装方式下滚珠丝杠副的热变形从上图可以看出，滚珠丝杠在不同安装方式下，在正常工作状态下，都会发热变形，而不同的安装方式下，其滚珠丝杠副的变形类型和性质又不近相同，其中固定-支承方式下可以允许丝杠副有微小的轴向变形，但不能过大；而固定-固定形式的支承方式因为轴向的变形不允许，其发生的弯曲变形较前者则大的多；而固定-自由型的安装方法因其自身的类似悬臂梁的结构，所以决定了它并不能承受过大的载荷而只能使用在很小的范围内。4）噪声较大，环保性差 任何机械在运行过程中都会或多或少地发出噪声，而滚珠丝杠也不例外，高速条件下，其本身会随着速度的提高而发出过多的噪音。6.2 滚珠丝杠副高速化的技术对策上述面临的问题是滚珠丝杠副高速化的优化目的最大的障碍。本设计依据以上的分析有针对性地提出了以下的技术和对策：1）增大丝杠的导程和螺纹头数丝杠方面的资料和实际经验告诉我们提高滚珠丝杠转速或是加大滚珠丝杠导程都能够提高滚珠丝杠的运行速度。而导程的增加，会导致丝杠的运行精度下降，而且丝杠系统启动力矩也会随之升高，影响整体传动的平稳性。所以我们必须在转速和导程之间取得一个平衡点。从而达到滚珠丝杠副的最优化设计。有设计方案采用双头螺纹，这既能提高其刚度和承载能力，又能提高运行中的平稳性5。但也不是完全一味地增大。2）采用强冷技术图6-2 螺母空心冷却液强冷方式如图为滚珠丝杠的发明装置。该装置利用加在螺母上的空心孔，通过孔中流动的冷却液达到为滚珠丝杠副降温的目的。4）改进滚珠循环返向装置和滚珠的流畅性5）优化滚珠反向器的结构发热和噪声都是由摩擦造成的，所以依据此原理，可以将滚道内的摩擦系数降到最低，从而达到最根本改善和优化滚珠丝杠副。传统的滚珠丝杠使用的都有一个反向器，而其精度也决定了滚珠在滚道内的顺利运行。6）无循环反向装置传统循环方式中采用循环滚道的设计方案对 DN值有极大的制约，所以有人提出了无返向装置的滚珠丝杠副。而本设计说明中绪论部分也进行过介绍，在此，将不再赘述。图6-3 行星滚柱丝杠副上图为一种新型的滚珠丝杠装置，其使用非循环的滚柱丝杠形式，具有与滚珠丝杠不同的支撑部件，使用滚柱，加强了丝杠副的刚性和承载能力。使用寿命和正常使用速度也较普通滚珠丝杠有了很大的提升。7）采用双电动机驱动两台独立于丝杠轴和滚珠丝杠的螺母的电动机分别连接,并通过与螺母套筒相连接的齿轮将旋转力矩传递给螺母和套筒，这样做扩大了进给控制系统的稳定旋转速度范围。因其独立运动的特性，该设计方案可以使用两个伺服电机驱动，令两台电机同时驱动的方案，将两个速度进行组合，可以扩大整个运动副的速度控制范围。所以本课题的研究方向是探究一种能够实现滚珠丝杠的高速运行的创新装置。能够在保证精度和机械运行的稳定性的基础上，达到高速，自锁的优化型滚珠丝杠。总 结经过这段时间的系统性公关，对自己能力又是一次新的历练。经过这段时间，在老师的教导下，我也学会了许多新的知识和技能，毕业设计促进了自己对所学知识的掌握，并且学到了许多实践性的东西，对自己是很有意义的。其中，有老师的谆谆教诲，庞老师对我也很严格，自己的也在虚心接受老师的指导，我最应该谢谢的人便是我的老师，他不仅仅是一个学术专业的教授，更是我在日后从事机械行业研究工作的人生导师。在此我也对我学到的东西进行一下简单的总结：1） 经过了本次毕业设计，更加巩固了我对CAD制图技术的熟练程度，为我日后进一步学习打下来坚实的基础。2） 老师的学术品格深深把我折服，这将是我以后人生道路中又一个指路明灯，这里我应该好好谢谢老师。3） 严谨的公式计算是从事机械研究的重要品行，小到微米级的计算单位大到米级的大型机械，每一个装配尺寸都是严格有依据的，决不能凭空捏造，应做到实事求是。4） 机械工程是份神圣的行业，我们每一个中国人在现在严峻的技术革命形势下，决不能无动于衷，甘于沉浸在已经取得的成就中，而应该向前看，以不一样的思维，开拓创新，为新机械制造业注入自己强大的动力。参 考 文 献1二宫瑞穗.高速高精度送技术1997(04).2宫口和男.Ball screws for high speed driveJ 2002(673).3孙健利.滚珠丝杠副的高速化技术研究J.制造技术与机床2010.4Yamaguchi H;Ohkubo TDevelopment of NSK S1 Seris ball screuls and