滚动直线导轨设计及相关技术研究【说明书+CAD】
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滚动直线导轨设计及相关技术研究【说明书+CAD】,滚动,直线导轨,设计,相关,技术研究,说明书,CAD
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滚动直线导轨设计及相关技术研究摘要：就目前来说，世界的制造加工业对机床的加工要求越来越高，也就是对机床的各项性能都有更高的要求。比如说：高速度、高刚度和高精度。机床的发展水平是衡量一个国家工业的重要标志。机床主要由主轴和导轨两部分组件构成，而导轨的重要性要更强，其中直线滚动导轨占有很大优势，被普遍应用于数控机床和其他的行业中。本课题主要研究了机床的整体布局结构，轨道的直线度分析，还有滚珠丝杠的刚度计算，现在分别详细的介绍一下：(1）首先，在通过阅读国内外的文献，了解了机床的整体结构后，本文先确定了机床的整体布局方式，然后对机床导轨性能进行分析；对溜板箱的计算设计，对滚珠的长度和数量的进行了相关的设计。 （2）其次，对导轨的直线度进行分析，通过对直线度的定义分析，综合对比选择直线度的测量方法和评定方法。（3）最后，对滚珠丝杠的刚度进行计算，通过对滚珠丝杠、丝杠轴、螺母和支撑架的轴向刚度通过算式进行计算分析，计算了滚珠丝杠的承载能力，以更好地配合直线导轨。关键词：滚动直线导轨，直线度，滚珠丝杠，选型ILinear guides design and related technology researchAbstract: Now, the worlds manufacturing industry need high requirements for the machining, that is, the performance of the machine have higher requirements. For example: high speed, high rigidity and precision. The level of development of machine tools is an important indicator to measure a countrys industry. Machine tool spindle assembly consists of two parts and the rail, and the importance of rail to be stronger, in which the linear motion guide large advantages, it is widely used in CNC machine tools and other industries.This paper studies the structure of the overall layout of the machine, straightness track analysis, as well as ball screw stiffness calculation, are now described in detail here.(1)First, by reading literature at home and abroad to understand the overall structure of the machine, the paper first determine the overall layout of the machine, and then analyze the performance of the machine tool guide; on the apron of the computational design of balls the length and number were related to the design.(2)Next, the straightness of the rail is analyzed by the definition of straightness of analysis, synthesis, comparison measurement method and evaluation method selection straightness.(3)Finally, the stiffness of the ball screw is calculated by the axial stiffness of the ball screw, screw shaft, nut and the support frame is calculated by formula analysis to calculate the carrying capacity of the ball screw to better fit linear guidKeywords:linear guides, straightness,ball screws, selectionII目 录摘要.Abstrat.目录III1绪论11.1课题的研究背景11.2国内外滚动直线导轨的研究现状11.2.1国内的研究现状11.2.2国外的研究现状21.3研究的内容及意义21.3.1研究的内容21.3.2研究的意义32机床滚动直线导轨整体设计42.1机床的整体布局42.2导轨的性能分析42.3主要零部件的设计52.3.1溜板箱的设计52.3.2滚柱的长度设计52.3.3滚柱的数量63导轨的直线度分析83.1直线度的定义83.2直线度测量方法93.3直线度评定方法94滚珠丝杠的刚度计算114.1滚珠丝杠的轴向刚度计算114.2丝杠轴的轴向刚度114.3螺母的轴向刚度124.4支撑轴承的轴向刚度124.5小结12总结13参考文献14致谢16IV1 绪论1.1 课题的研究背景随着新中国的改革开放，我国在科学技术上以借鉴为主要的发展动力。近四十年来，国内的制造业规模突飞猛进。但是制造业的技术相较于发达国家仍有巨大的差距，国际的顶尖高端技术产品我们没有知识产权，只能依赖反求工程制造高仿，或者付出昂贵的代价购买国外的产品，加上国际制造业的垄断。我国制造业向技术型产业的转变举步维艰。 这个世纪，随着国内技术的提高和大量人才的引进，制造业正迎来新的变革。制造业由粗放型向技术性的转变，首先就是产品的加工精度。而滚动直线导轨作为新兴的导向部件，动静摩擦系数非常的小，定位精度又要求非常的高，相应速度快，实现其高速的精确的运动。滚动直线导轨已大批量用于机床的各个部分。采用滚动直线导轨能保证机床的加工精度，并且可以提高效率。滚动直线导轨已被广泛应用在人们生活的各行各业中。 就目前来说，欧美等少数发达国家具有生产加工高质量导轨能力的企业，国家的扶持和国内的需已经加快了国内的企业投资，但国内的滚动直线导轨制造还是以反求工程为主，也就是对产品的高仿，产品的承载能力、运动精度均不达标。其根源在于理论欠缺、起步较晚，研究方法远远不够。1.2 国内外滚动直线导轨的研究现状1.2.1 国内的研究现状我国从上世纪80年代才开始进行滚动导轨副方面的研究，由于国内缺乏自主研发能力，产品质量与国外的相差很大。最近三四十年，国内加大了对滚动导轨的重视，扶持相关产业，但是依然有很大的差距。在国内，生产的滚动直线导轨质量参差不齐、生产成本非常高、规格不够齐全，生产效率非常低，并且拥有先进生产能力的公司屈指可数，根本不能与国外相媲美。国内关于滚动导轨的理论研究开始于上世纪80年代，其中，1986年南京研制出了型号为GGA25的径向型滚动导轨副标志着我国开始自主研发，标志着我国开始制造滚动直线导轨。目前，关于滚动导轨的可研究的内容越来越多，包括滚动导轨的性能分析、运行平稳性、结构优化、精度、导轨的加工等等，国内下一步的研究正在向更深度发展。其中，华中科技大学对滚动导轨的静刚度进行了研究，得到了一种新的导轨刚度计算方法；东南大学主要对滚动导轨的结合面进行了研究，也获得了相当的结果；东北大学和西安理工大学也对滚动导轨的结合面进行了研究，但研究的结果重点有所不同。前者主要研究了导轨的静、动刚度，后者主要对导轨结合面的变形进行了研究，提出了变形数学计算的一般公式。 综上可知，国内对滚动导轨的设计生产、精度分析、寿命分析都投入大量的精力，滚柱导轨的研发必定走向成熟。由于我国在研发方面先天不足，因此更应该加速对其的研究13。1.2.2 国外的研究现状当下，国外发达国家在滚动直线导轨的生产制造方面较强，日本的直线滚动导轨产量达到世界的50%，但他们却导轨的研究资料处于高度的保密状态。总的来说，国外对滚动直线导轨的各个方面基本上都进行了研究，并获得了一定的成果，这些成果都有助于滚动导轨的发展： 日本学者对导轨进行了刚度的分析，他们研究了究导轨的刚度改变；有人还提出了导轨的刚度与所受外载的关系，并将这定量化、具体化。根据研究结果，他们还研究了导轨平稳性、定位精度等与导轨不同预载的关系。国外学者也研究导轨的额定寿命。日本学者对导轨寿命进行研究。他们总结出了导轨的寿命通用计算公式，和特定场合的寿命计算公式。日本学者对导轨摩擦也进行了研究，得到了导轨摩擦力的数学模型导轨的润滑和精度方面也有人研究，德国学者对导轨振动做了研究，总结出自己的模型。其中德国的阿亨工业大学，它对滚动导的静态特性和动态性能进行了许多实验研究研究。总之，国际上的学者对滚动直线导轨的方方面面都进行了研究，并且都取得了一定的成果，他们的研究水平也是远超国内的水平。1.3 研究的内容及意义1.3.1 研究的内容本课题结合国内工科院校对滚动直线导轨的研究成果，主要对一种滚动直线导轨进行零部件的设计、轨道副的性能分析、精度研究、刚度分析和安装的技术研究，主要研究内容包括以下几个方面： （1）结合国内外轨道的发展现状，完成机床滚动直线导轨的总体设计和主要零部件的设计与选择；（2）对轨道副进行性能的分析，通过对其进行概念设计，对其的进行静态分析；（3）对导轨进行精度分析，在导轨设计加工中提高导轨精度，对导轨进行研磨加工；（3）对主轴接触刚度及预紧进行研究；以便对导轨的相关的部件进行以后的分析；（4）对导轨进行安装的技术研究，通过分析其安装时的基面误差，强度计算以此来提高其安装精度。1.3.2 研究的意义国内滚动直线导轨起步较于世界相对来说比较晚，理论上十分匮乏。导轨装配过盈量的控制方面也没有理论体系。导轨受力滚动体的运动情况十分的复杂，那么他的摩擦机理就更是十分的复杂。对受力滚动体的运动研究，还有摩擦特性研究都有十分重要的意义。当然对于全面的了解导轨工作情况也是重要的。滚动直线导轨精度、刚度和轨道副的安装也有待于研究。因此，对滚动直线导轨的设计和相关技术的研究具有一定的实际意义。32 机床滚动直线导轨整体设计2.1 机床的整体布局对滚动直线导轨进行研究，先要明确机床技术参数，然后根据技术参数选择合适的导轨整体布局，最后按照设计原则对导轨零部件进行设计。机床的布局对机床的整体性能有着很大的影响，主要是由机床的使用所决定，机床就目前来说，正在朝着智能化、小型化和及精密化的发展方向。机床最常见的布局主要有以下4种：（1）十字形布局，两个成“十”字型导轨做平面运动，刀架装在上面工作，这时导轨各项精度在技术上是一个很大的难题；（2）R-形式，刀架导轨布置在工作台上，工作台一方面可以做回转运动，另一方面又可以做上下运动，此种布局的刀架导轨要随着半径和角度的变化而变化，现实中难以加工，应用较少；（3）立式结构，立式结构主要是提高承载性，适用于特别笨重粗大的机械中，较常见的为加衡量的结构。（4）T形布局，刀架横向运动，主轴箱纵向运动。T形结构，两个垂直导轨都在床身上，故两者相互独立，相互不干扰可以提高导轨的精度。导轨按照是否封闭分为：半封闭式与封闭式结构。半封闭式的优点是：承载能力高，缺点是：只能卧式存放，非常容易的变形，全程运动的直线度低；封闭式导轨的优点是：运动的直线度高，导轨可卧式又可立式存放。综上所述：本课题研究的滚动导轨要求承载能力高，重量尽量轻，因此选用半封闭式结构。2.2 导轨的性能分析半封闭式结构的机床对导轨所需要以下性能：（1）机床主要用于车削，需要实现双向运动，并且运行平稳，导轨低速运行性能较好；（2）导轨具有一定的导向精度和定位精度，导轨有很高的几何精度，导轨的直线精度应达到0.5m/100mm；（3）总体来说，全部滚动体的直径差小于2m，单组滚动体的直径差小于1m；（4）导轨表面拥有较好的光洁度，较高的接触精度，导轨表面需进行研磨；导轨要操作简单、维修方便411。2.3 主要零部件的设计机床的整体布局和导轨性能确定以后，然后需要对机床的导轨系统进行零部件的相关设计。机床由主轴系统和刀架系统组成，而主轴系统中的主轴导轨系统和刀架中的刀架导轨系统都包括溜板、导轨和导轨传动系统等组成。2.3.1 溜板箱的设计溜板与主轴相连，他的作用是支撑主轴，所以主轴的大小直接决定了溜板的尺寸。在半封闭式结构中，我们设计两侧溜板，也就是左、右各有一排。导轨与溜板的对接在导轨系统中起着非常重要的作用，它将直接影响了导轨的使用。本此用滚珠将溜板与导轨体连接在一起，连接图如图2-1所示：1-侧溜板 2-上溜板 3-导轨 4-滚柱 5-内六角螺栓图2-1滚柱直线导轨总装图导轨与溜板之间的滚柱是对称的，滚柱之间用保持架确保其等距离的分布，滚柱和保持架他们要做直线运动。为了防止滚柱发生左右方向上的侧滑，所以在滚柱的上下两边设计了滚槽，这样就可以阻止其侧滑。2.3.2 滚柱的长度设计溜板及传动系统的几何大小直接决定了导轨的截面尺寸，溜板与滚柱之间的相对运动情况如图2-2所示：图2-2 溜板、滚珠相对运动图从上图可知，在满足了导轨的最大位移量的情况下，还要满足及主轴安装尺寸，之后就会说应尽可能减小运动件的长度。式中：L溜板的最短长度；e运动保险量，一般情况下取10mm；l-滚柱之间的总长度，设计取350mm；Smax平行导轨之间的最大位移量，本次取300mm1218。2.3.3 滚柱的数量滚动体的数量决定了导轨的承载能力，滚柱太少，承载能力差，滚柱的制造误差会直接较大程度的影响位置精度；滚柱太多，增大滚动体上压力的分布不均匀性，会降低刚度。实验表明，一个承受载荷比较均匀的滚动体，滚动体数目必须满足：zG/(4b)式中：G-导轨承受的溜板和主轴系统的重量，初步取2000N；b-滚柱长度，这次取14mm接触面积上的最大压应力满足下式：式中：max-互相接触面之间的的最大接触应力； S系统的设计安全系数，根据经验取为5； W-作用在滚柱上的总载荷，根据实际取2000N； z-滚柱总数目； l每个滚柱单体的长度，取14mm； R单个滚柱的半径，取5mm；-相互接面之间的区的许用线接触应力，通过查机械设计手册本次取取36000Mpa173 导轨的直线度分析机床中导轨的各项精度直接决定了其他零部件的运行精度，所以，导轨的精度非常的重要。在生产制造中，导轨的加工与检测是一个整体，因此，检测手段一定会随着加工技术的提高而不断的提升、不断地发展。在导轨所有的精度测量中，直线度测量一切测量的基础，几乎所有的轨道精度中都会有直线度测量。随着高新科技的发展，直线度测量的精度以突破0.1m/m。3.1 直线度的定义直线度经常用其误差数值来进行表示，直线度误差指的是“被测实际直线与理想直线的相偏差的量”，理想直线要尽可能地包括被测实体，而且要尽可能的小，不能大。根据国家标准GB/T1182-1996 的规定，直线度公差带需要与直线度误差相对应。在此，列出直线度误差常用的三种形式：图3-1 （a）图3-1（a）所显示的是在单一的平面内，表示的是两条包容直线在相离最近的两平行线之间的距离。图3-1（b）图3-1（b）所显示的是在给定的方向上，表示的是两条包容直线在相聚最近的两平行面之间的距离。图3-1（c）图3-1(c)所显示的是任意方向上，表示的是包容两条直线、直径最小的圆柱。3.2 直线度测量方法导轨直线度的检测可分为有基准的测量和无基准的测量两大类，有基准的测量，他的测量原理是将被测直线与所选的标准直线进行比较，例如：自准直仪法、激光干涉法和衍射法；无基准的测量，他的测量原理是在被测面上取一定量的测试点，然后对数据进行一定的处理，例如：数据覆盖耦合法、多面互检法和直尺翻转组合法。通常情况下，利用水平仪和桥板对导轨直线度进行测量，结果是通过一条近似曲线来确定导轨的直线度误差，这个适用于长导轨直线度的测量。而在机床的导轨直线度测量中，可行且方便使用的是直尺反转测量误差分离法。3.3 直线度评定方法直线度的评定方法一般包括以下3种：两端点连线法，最小包容区域法和最小二乘法，现将这3种评定方法进行总结，如表3-3所示。表3-3直线度评定方法的优缺点比较名称原理优缺点使用条件两端点线法建立直线方程，由数据点坐标求出方程参数，再求直线的误差值，最终结果就是最大正、负偏差之差作为理想直线的确定不是特别的合理，误差很大，但计算简单，方便上手普遍应用，求解简单快速最小包容区域法用两条距离为最短的直线包括被测直线国家标准规定的评定方法；计算复杂，做图中经常使用当要求严格时，或对结果存在争议时使用最小二乘法测出各点相对于始点的累计值，找到一条相对直线，求各点到该直线上的距离的平方为最小曲线的偏差值极小，结果更符合最小条件数学上容易实现4 滚珠丝杠的刚度计算4.1 滚珠丝杠的轴向刚度计算本次的研究中，滚珠丝杠副和滚柱的作用就是连接导轨和溜板。此处的的轴向刚度也就是滚珠丝杠副的轴向刚度，只有计算出滚珠丝杠副的轴向刚度才能确定动态特性参数。其模型如图4-1所示：4321图4-1滚珠丝杠简图1-轴承 2-丝杠 3-螺母组件 4-滑板显然，丝杠传动的轴向刚度K可表示为：式中: K表示滚珠丝杠系统的轴向刚度； 表示丝杠轴的轴向刚度； 表示螺母的轴向刚度； 表示支撑轴承的轴向刚度。4.2 丝杠轴的轴向刚度丝杠轴的轴向刚性也是非常重要的，较高的轴向刚度表明丝杠具有较好的抵抗轴向变形的能力。丝杠的安装方法会直接的或者间接的影响丝杠轴的轴向刚度，如上所述，本次采用固定-支撑的安装方法，求解丝杠轴的轴向刚度的计算公式如下所示：式中:A-丝杠轴的断面面积；E-杨氏模量；L-安装间距；4.3 螺母的轴向刚度本次的丝杠对其进行轴向施加一定的预紧力，一般情况下预紧力的大小取额定载荷的10%，称为标准预紧力。当轴向预紧力的大小为标准施加的负荷时，其螺母的理论轴向刚度值可在书上查到，当轴向预紧力的大小不是标准施加的负荷时，可通过以下的公式计算：式中：K表示刚性值；表示施加的预紧力；表示基本动额定负荷。4.4 支撑轴承的轴向刚度支撑轴承的轴向刚度，只有先确定轴承的型号，然后根据型号确定其基本参数。角接触轴承轴向刚度的计算如下所示：式中：-支撑轴承的预紧力载荷，N/m； -丝杠的轴向变动量；-丝杠的轴向负荷，N； -丝杠支撑轴承的直径，mm； -支撑轴承的初始接触角； -轴承的钢球数1924。4.5 小结本章主要研究了滚珠丝杠的轴向刚度，丝杠轴的轴向刚度，螺母的轴向刚度，支撑轴轴承的轴向刚度，为以后直线导轨的设计提供了良好的基础条件。总结本文根据毕业设计任务书是滚动直线导轨设计及相关技术研究，具体做了以下几个方面的内容：（1）通过阅读国内外的文献，学习和掌握滚动直线导轨的有关知识，了解其关键技术及发展现状；了解数控机床、加工中心对直线导轨的要求；总结滚动直线导轨的设计要点、技术关键及发展方向；（2）确定了机床的整体布局方式，对机床导轨性能进行分析；分析了溜板箱的设计，滚珠的长度和数量的相关设计。 （3）对导轨的直线度进行分析，通过直线度的定义，直线度的测量方法和评定方法来展开计算研究。（4）对滚珠丝杠的刚度计算，通过对滚珠丝杠、丝杠轴、螺母和支撑架的轴向刚度分析，计算了解滚珠丝杠的承载能力，以更好地配合直线导轨。参 考 文 献1 黄祖尧.国外直线导轨副寿命和滚动部件的最新发展动态，机床，1993，10：46-47 2 熊军.滚动直线导轨副摩擦力及运动精度动态综合检测原理及方案研究.华中科技大学机械学院，2002 3 日本精工株式会社.NSK 精机制品样本.2003 4 孙健利.关于滚动直线导轨摩擦力与预紧力关系的研究.华中理工大学学报，1997（3）：34-36 5 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