滚珠丝杠精度保持性测试试验台设计

滚珠丝杠精度保持性测试试验台设计-图文第一章概述课题背景及意义课题背景近年来，随着数控技术及相关专业的进展，滚珠丝杠副作为一种高效、节能、高精度、低本钱的传动与定位元件已经广泛地应用于机械、航天航空、卫星、仪器仪表、核工业等各个领域。随着现代制造技术水平的提高，数控机床、机器人等机械设备的进给速度越来越快，必定带动滚珠丝杠副向高速化的方向进展。滚珠丝杠副产品消灭了供不应求的局面。在数控技术方面随着现代制造技术的进展突飞猛进，一批又一批的高速数控机床应运而生，其功能随主机的要求不断扩展提高，从2040～50708090过程中，产品不断升级换代，到达质的飞跃。在驱动速度不断提高并向更高速度推动的过程中，不仅要求有性能卓越的高速主轴，而且也对进给系统提出了很高的要求：〔1〕40m/min〔2〕1g上;〔3〕动态性能要好,到达较高的定位精度。因此为适应高速化要求〔40m/min〕、满足承载要求且能周密定位的滚珠丝杠副就成为能实现数控机床高速化首选的传动与定位部件。而且作为伺服进给驱动系统中的重要执行机构——滚珠丝杠副，其进展必定与具有高效快速、节约能源、零间隙高刚度传动、跟随灵敏、不污染环境且周边环境的适应性强等特点的高速切削机床的进展同步，将始终占据直线运动应用领域的绝大局部市场。为适应高速切削加工的要求，高性能的滚珠丝杠副已成为滚珠丝杆副产品的进展趋势。它要求滚珠丝杠副在高速度的根底上具有高的精度稳定性，到达高刚度、高负载、自润滑、低噪声、小温升、长寿命等性能，这就要求滚珠丝杠副在设计、制造及试验检测技术上不断的创。滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是：噪声、温升、精度。滚珠丝杠副噪声产生的缘由主要有：滚珠在循环回路中的流畅性、滚珠之间的碰撞滚道的粗糙度、丝杠的弯曲等。滚珠丝杠副的温升主要是由滚珠与丝杠、螺母、反向器之问的摩擦及滚珠之间的摩擦产生的要解决上述问题首先应从滚珠丝杠副的构造设计开头，对存在的问题实行措施；另一方面，从工艺上解决，通过合理的工艺流程，提高产品的内质量；选取适当的滚珠丝杠副预紧转矩；减小滚珠丝杠副的预紧转矩的变动量，使滚珠丝杠副适应高速驱动的要求。总之，随着社会的不断进展，用户对滚珠丝杠副的要求越来越严，要求也多样化，促使滚珠丝杠生产厂不断提高产品质量、开发品种，以满足用户的需求。课题的意义近几年来，人们对滚珠丝杠副的预紧转矩变动量的大小开头重视起来，以前人们只重视滚珠丝杠副综合行程误差曲线，现在也开头重视滚珠丝杠副预紧转矩的曲线由于有了这两条曲线，滚珠丝杠副的性能就能很好地反映出来为了满足上述要求，北京机床争论所先后研制了滚珠丝杠副综合行程误差测量仪和预紧转矩测量仪。应用现代化的测量手段和高精度的传感器，在测量过程中能实时显示行程误差曲线和预紧转矩曲线，并打印出完整的测量报告，为衡量滚珠丝杠副的总成质量，供给了牢靠的检测手段。制造和测量是密不行分的，没有测量产品质量就没有保证。要实现滚珠丝杠副高性能原材料的选择是直接影响滚珠丝杠副的高刚度、高负载等性能的重要因素。对材料进展相关的试验，并通过试验成果来指导产品设计，选择原材料，以改善滚珠丝杠副的内在性能是至关重要的。要实现滚珠丝杠副高性能，还必需从检测技术上依靠科技求创。准确的检测手段及完善的试验设备是保证产品质量和争论产品性能的前提。长期以来，我国过于追求对检测滚珠丝杠副的螺距精度的争论，而在滚珠丝杠副的性能争论上相对滞后，甚至在一些性能的工程如滚珠丝杠副噪声、温升、加速度、动态刚度等试验上还是一片空白，致使产品在性能上与国际先进水平存在较大的差距，这也是制约我国数控机床向更高档次进展的主要缘由之一。要实现滚珠丝杠副高性能，就必需从检测技术上依靠科技求创。准确的检测手段及完善的试验设备是保证产品质量和争论产品性能的前提。随着数控机床向高速化进展〔驱动速度≥40m/min〕，现有的滚珠丝杠副满足不了要求，消灭温度上升，噪声增大，定位精度下降等现象，有的可能由于d03n〔3〕的增大，丝杠副构造产生破坏，因此高速滚珠丝杠副的构造与一般滚珠丝杠副构造是不同的。通过做模拟性试验了解滚珠丝杠副在不同使用条件下的性能，以便了解滚珠丝杠副在不同使用条件下的使用状况。随着用户对滚珠丝杠副性能要求的逐步提高制造厂必需改进构造设计及工艺，提高产品质量，因此需要通过测量了解产品的性能，为产品的改进供给有效可供比较的数据。本课题的意义在于研制开发一种用于测量高速滚珠丝杠副综合性能参数的试验台。利用该试验台可以对滚珠丝杠副的加速度、速度、温升、热位移、定位精度等综合性能参数进展测试,为用户供给准确牢靠的检测报告。其次章滚珠丝杠现状及进展趋势等近年来国内外在滚珠丝杠〔副〕方面的进展主要在以下几个方面：滚珠丝杠副在国内的进展状况：滚珠丝杠副自1874年在美国获得专利至今已有100多年的历史，自1964年我国自行研制出第一套滚珠丝杠副以来，在我国也有40余年的开发研制、专业生产的历史.。随着产品应用范围的不断扩大及制造水平渐渐提高，滚珠丝杠副制造技术经受了以下几个阶段：1.起步——行业标准的制定〔1964～19822年〕；2.进展——部颁标准的形成〔1982～1991〕；3.成熟——〔1991～1998〕；4.赶超世界潮流〔1998～〕四个阶段。4070％左右的市场需求。在滚动功能部件协会内部有20100产企业。但是在这么多的生产企业中，真正能够全规格、大批量、完全供给全部的滚动功能部件的，又寥假设晨星，屈指可数。这也就是说，国内虽然有那么多的滚动功能部件生产厂家，但大局部仅仅生产某一类或某一类中的某些规格。这也就造成，滚动功能部件虽然厂家众多，但绝大局部是低层次、低水平的，很难跟上数控机械行业的快速进展。随着科学技木的不断进展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度，而且运转平稳，无阻滞现象。滚珠丝杠副运转是否平稳，主要取决于滚珠丝杠副预紧转矩的变动量，不同转速下滚珠丝杠副的滚珠链运动的流畅性不同．因此，滚珠丝杠副的预紧转矩也不一样。国际标准ISO34083-1992JB3162.2-92100r／min滚珠丝杠副预紧转矩的允差。由于存在加工误差，如：滚珠丝杠中径尺寸全长不全都，丝杠、螺母的导程误差，丝杠与螺母的滚道齿形误差以及螺纹滚道的粗糙度等，使滚珠丝杠副的动态预紧转矩在丝杠螺纹全长上是不恒定的，这直接影响驱动系统的平稳性，因而也影响滚珠丝杠剐的定位精度。因此，滚珠丝杠副预紧转矩变动量的大小是反映滚珠丝杠副性能好坏的重要指标。滚珠丝杠副在国外的进展：早在l9世纪末就制造了滚珠丝杠副，但很长一段时间未能实际应用，因制造难度太大。世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上。l940成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副，1943于飞机上。周密螺纹磨床的消灭使滚珠丝杠副在精度和性能上产生了较大的飞跃，随着数控机床和各种自动化设备的进展，促进了滚珠丝杠副的争论5O如雨后春笋般快速消灭，例如：美国的WARNER—BEAVERGM—SAGINAWROTANSKTSUBAKI随着在滚珠丝杠应用中对滚珠丝杠性能要求的不断提高，先进、便捷的检测手段成了生产提高滚珠丝杠质量及产量的牢靠保证。国外很多制造滚珠丝杠的公司，除了致力于改革加工工艺外，都把检测手段的更换代放在优先的地位。经过多年的开发和试验，已形成了一套较为完整的检测体系，它们包括有:导程精度测量仪、触针式轮廓测量仪、动态预紧力矩仪、寿命试验机和接触刚度测量机等。这些检测仪器都有几个值得留意的特点:承受微处理机或计算机，对检测数据自动判别和处理。如日本NSKLMS3m评定系统”(LeadAccuracyMeauringSytem)。它具有三个功用:①快速完成数据处理，输出导程误差曲线，并依据JIS或ISO度等级;②通过图形放大、滤波获得准确数据，对误差做出统计分析;③对导程误差曲线进展谐波分析。测量仪器的多功能化.例如，联邦德国林德纳公司研制的GMM-4导程测量机，对于各种不同牙型3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，同时进展综合导程精度和空载预紧力矩的测量。测量方式向动态连续机自动化方向进展。测量方式承受动态连续测量，是为了获得与滚珠丝杠工作状态接近的各种性能数据。如日本NSK300m/min50后自动转入低速并开头自动测量和记录。综上所述，当前国内外滚珠丝杠动态测量仪的进展，主要有以下几个方面:仪器能适应最的国家标准和ISO据，推动生的进步，提高产品工艺水平和产品质量，为产品走向国际市场供给依据保证。测量功能的集成化。同一台测量仪可测多种类型的丝杠，既可测滚珠丝杠，也可测梯形丝杠，既能测量综合导程精度，又能测量动态预紧力矩，大大降低了检测本钱。第三章设计的用途、主要技术性能及特点论文主要完成以下几个方面的争论工作：(1)争论丝杠的动态测量方法，针对实际应用的要求选择适宜的测量手段，选择适宜的测量工具。(2)完成测量平台主轴掌握系统的设计，选用适宜的驱动电机及掌握方式，以到达测量的要求．(3)设计友善的用户界面，通过简便快捷的操作实现对主轴电机的掌握、测量信号的采集。设计方案的根本原则在分析高速滚珠丝杠副动态测量系统功能、构造、系统、操作程序的根底上，结合成功的阅历提出技术方案。保存成功可行的操作，以利于操作人员操作——利于操作原则。在开发中淘汰过时，落后的系统和器件，确保系统的先进性，快速性和可修理性——先进性于可修理性。第四章滚珠丝杠螺母副的选择本次设计主要是测量了滚珠丝杠的动态性能参数，滚珠丝杠作为主要的争论对象在机械构造设计中应当对滚珠丝杠副的工作原理、传动特点、循环方式、构造形式做了具体的表达，并争论了滚珠丝杠高速化以后的构造形式。在设计时同时考虑到掌握局部的设计，对滚珠丝杠的总体构造设计进展了表达。4滚珠丝杠副的工作原理及构造形式4.1.1.1滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间放入适量的滚珠来使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的丝杠传功。滚珠丝杠副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。依据丝杠和螺母相对运动的组合状况，其传动方式也是多种多样的。12342.1a)为外循环方式b)为内循环方式1-2-3-4-反向器4.14.1续填满滚珠作为中间体的螺旋传动。其工作原理如下：2(1)331(2)作直线运动。为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出，在螺母上设有滚珠循环返回装置(返向器)4，构成一个封闭的滚珠循环通道。借助于这个返回装置，可以使滚珠沿滚道面运动后，经通道自动地返回到其工作的入口处，从而使滚珠能在螺纹滚道上连续不断地参与工作。为了消退间隙和提高传动精度及刚度，滚珠螺母常由两段组成。滚珠丝杠副除了上述四个部格外，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去除掉，并确保有效润滑。在很多应用场合，擦拭器可延长滚珠丝杠的寿命并提高机械的牢靠性。擦拭器可安装在滚珠丝杠的外部或内部。54.1.1.2滚珠丝杠副作为精度高的传动元件在周密机床、数控机床上得到广泛的应用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等各个领域应用的很普遍，可用作周密定位自动掌握、动力传递和运动转换。滚珠丝杠副传动与滑动丝杠传动相比其主要特点是：0.9～0.98，2～31/2～3/4，有利于主机的小型化及减轻劳动强度；摩擦力矩小，接触刚度高，使温升热变形减小，有利于改善主机的动态性能和提高工作精度；3.工作寿命长。平均可达滑动螺旋传动的10倍左右；4.传动无间隙，无爬行，运转平稳，传动精度高；具有很好的高速性能，其临界转速之dn〔dmm；n速，r/min〕40000120r/min具有传动的可逆性。既可以把旋转运动变为直线运动，也可以把直线运动变为转化为旋转运动，且逆传动效率与正传动效率相近；已经实现系列尺寸标准化，并消灭了冷轧滚珠丝杠，供给了多用途廉价产品，应用于精度要求高的场合，节能并延长寿命；8.不能自锁；9.抗冲击震惊性能较差；10.承受轴向载荷的力量差；11.构造较简单，本钱较高(但构造比静压螺旋简洁且修理便利)；12.有专业厂生产，选用配套便利。4.1.2对于滚珠丝杠，除螺纹滚道截面的外形不同外，各种类型的滚珠丝杠的构造根本一样。滚珠螺母的构造主要与滚道的循环方式及预紧方式有关，且循环方式对滚珠螺旋传动的设计、制造、精度、寿命、本钱及轴隙调整均有重要影响，对滚珠流畅性能更有直接关系。6单圆弧形双圆弧形4.2单圆弧滚道截面〔4.2a〕的特点是磨削滚道的砂轮成型便利，容易获得较高的精度，滚道与滚子的接触角随初始间隙和轴向力大小而变化，不易掌握，因而起传动效率、承载力量和轴向刚度均不够稳定，影响传动精度。在施加较大的预紧力之前，丝杠刚度很低，消隙及预紧必需承受双螺母。因此应用较少。双圆弧形滚道截面〔4.2b〕的特点是能保持肯定的接触角，传动效率、承载力量和轴向刚度比较稳定，但砂轮成型比较简单，不易获得较高的加工精度，螺旋槽底部不与滚珠接触，可存纳肯定的润滑油与脏物，使磨损减小，对滚珠流畅有利。适用于双螺母预紧和单螺母增大钢球预紧，以消退轴向间隙。依据螺纹法向截面外形特点和设计要求选用双圆弧形滚道截面。4.1.2.2环方式的选择滚珠丝杠的循环方式有：外循环和内循环。外循环分插管式和螺旋槽式；内循环分反向器式和端盖式。内循环使用反向器实现滚珠循环。在螺母的外侧钻孔，装上连通相邻滚道的返向器，迫使滚珠越过螺纹牙顶进入相邻滚道。通常一个螺母上装120°，4／3～7／3180°，轴向间隔为3／2个导程。返向器有两种形式，圆柱凸键反向器与扁圆镶块返向器，两种返向器相比，后者的尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸，缩短了轴向尺寸，但这种返向器构造简单，制造困难，且不能用于多头螺纹传动。在滚珠的循环中，滚珠在进入与离开循环返向装置时，简洁产生较大的阻力，而且滚珠在返向滚道中的运动多属于前珠推后珠的滑移运动。很少有滚动，因而滚珠在返向装置中的摩擦力在整个滚珠丝杠副的摩擦力中，所占的比重较大，而不同的循环返向装置由于回珠通道连接与运动的不同，以及回珠曲线的差异，比重也有所不同。内循环构造，反向器尺寸，承载的钢球数削减，钢球高速时流畅性差，1/3～1/4。在预紧时，预紧力矩上升平缓。构造紧凑，刚性好，使用牢靠，工7作寿命长，但工艺性差，制造本钱高。适用于各种高灵敏、高刚度的周密定位系统。重载荷、多头螺纹、大导程不宜承受。外循环是在螺母体上轴向相隔数个半导程处钻两个孔，孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口，再在螺母的外外表上铣出回珠槽并沟通两孔，并在两孔处装上挡珠器，以回珠管相连，形成一个封闭的循环滚道，这种构造制造简洁，使用广泛。但滚道与挡珠器的接缝处，难以作的平滑，影响滚珠滚动的平稳性，并产生噪声。外插管式构造简洁，工艺性优良，承载力量大，不受导程掌握，适合成批生产。回珠管可设计，制造成抱负的运动通道。滚珠循环链较长，但轴向排列紧凑，轴向尺寸小，螺母协作外径较小，制造本钱低。适用于重型载荷、高速运动几周密定位系统，在大导程、多头螺纹中显示出其独特的优点。对于滚珠丝杠副在高速转动的状况下要求钢球的流畅性好，宜承受大导程螺纹。同时考虑到节约本钱，本试验台拟承受内循环插管式导珠管埋入式大导程滚珠丝杠。4.1.2.3为了一般来说，一根轴需要有两个支点，每个支点可由一个或者一个以上的轴承组成。合理的支承形式应考虑轴在可及其中有正确的位置，防止轴向窜动以及轴承受热膨胀后不致将轴承卡死等因素。满足高精度、高刚度进给系统的需要，除了应承受高精度、高刚度的滚珠丝杠副外，还必需充分重视支承的设计。滚珠丝杠承受两端固定支承比一端固定一端自由有更大的安全性和6～7(3～4端固定支承方式，并保证两端支承座孔和螺母座孔的精度和同轴度。两端固定支承方式的特点是：1)需保持螺母与两端支承同轴，故构造简单，工艺教困难；2)轴向刚43)丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高可以预拉伸，预拉伸后可削减丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需要一套预拉伸的机构，构造及工艺都比较简单要进展预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于公称行程，减小量等于6)适用于对刚度和位移精度要求高的场合，适用于较长的丝杠安7)丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转支承形式如2.38FLcF4.34.1.2.41、滚珠螺母预紧的类型滚珠丝杠副除了对本身单方向的进给精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求，以保证反向传动精度，滚珠丝杠副的轴向间隙，会造成滚珠丝杠副起动、停顿，以及受冲击载荷时运动的不稳定，反向时有空行程，影响传动精度与定位精度，滚珠丝杠副的轴向间隙，是负载的滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量与螺母原有间隙的总和。要做到完全消退间隙是比较困难的，通常承受双螺母预紧的方法，把弹性变形量掌握在最小限度内。目前制造的外循环单螺母的轴向间隙较大，而双螺母经过预紧后，根本上能消退轴向间隙。应用此构造时，应留意通过预紧力产生预拉变形以削减弹性变形所引起的位移时，该预紧力不能太大，否则会引起驱动力矩较大，传动效率降低，使用寿命缩短。由于双螺母构造预紧力的施加是通过调整两个螺母之间的轴向位置。使两螺母中的滚珠在承受工作载荷前，分别与丝杠滚道的两个不同侧面接触。只使滚珠和滚道圆弧面间产生肯定的接触压力-得到肯定的预变形。通过产生预变形，就可到达消退轴向间隙，提高滚珠丝杠副的轴向刚度的目的。目前，依据使两个螺母产生轴向位置变化方法的不同，有多种调整预紧方式，如垫片调隙式、螺纹调隙式、齿差调隙式、对旋调隙式。其特点如下：(1)垫片调隙式通常用螺钉来连接滚珠丝杠副两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片，通过调整垫片的厚度，来使螺母产生轴向位移，以到达消退间隙与产生预紧力的目的。这种构造需要修磨垫片厚度，使螺母产生轴向位移。分别有拉伸预紧和压缩预紧两种预紧方式，前者承受较多。这种构造的特点是构造简洁，牢靠性好，刚度好及装卸便利，但调整费事，并且在工作中不能随便调整。除非更换厚度不同的垫片。轴向刚性好，预紧牢靠，轴向尺寸适中，工艺性好,预紧牢靠，不行调整，轴向尺寸适中，工艺性好，滚道有磨损时不能随时消退间隙和进展预紧。适用于高强度、重载荷9的传动，目前应用最广泛。(2)螺纹调隙式双螺母中的一个螺母的外端有凸缘而另一个没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定这。旋转圆螺母时，即可消退间隙，并可产生预拉紧力。调整好后，再用另一个圆螺母把它锁紧。通常调整端部的圆螺母，使滚珠丝杠螺母产生轴向位移，构造简洁、紧凑，工作牢靠，滚道磨损时，可随时调整，但预紧不准确，应用普遍。可以调整预紧力，但不能实现定量调整，螺母轴向尺寸大，适用于不需要准确预加载荷且用户自调的场合。双螺母调整的特点是，构造紧凑，调整便利，故应用广泛，但双螺母调整间隙不很准确。(3)齿差调隙式在两个螺母的凸缘上分别有圆柱齿轮，两者相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈钉或定位销固定在套简上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套简同方向转动一样齿数时，一个滚珠螺母相对于另一个滚珠螺母产生相对角位移，从而使滚珠螺母相对于滚珠丝杠副的螺旋滚道产生相对位移，到达消退间隙并施加预紧力的目的。设滚珠丝杠副的螺距导程为P，两侧的内齿轮齿数分别为Z1、Z2，如两齿沿同一方向各转过一个齿时，其轴向位移量为eP/Z1Z2。齿差式调隙调整间隙，调整准确，但构造尺寸大，装配比较简单，使用于高精度的传动机构。对旋调隙式原理与齿差式一样，将两个螺母相互反方向预紧，使两个螺母滚道接触点产生相对轴向位移。只能进展压缩预紧。不用拆卸螺母就可以进展调整，便利、省事、在双螺母预紧构造中对旋的轴向尺寸最小。预紧调整后，在中间隔圈配打放松定位销。除了上述的四种双螺母加预紧力的方式外，还有单螺母变导程自预紧〔在一个螺母体内将两个闭式滚珠链中间过渡区域内〔