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II 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究 摘要 滾珠絲杠是因其自身良好的可靠性 精度等級(jí)高 使用及維護(hù)成本 都比較低的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合 其中高精密機(jī)床上應(yīng)用甚多 所以研 究和優(yōu)化滾珠絲杠具有巨大的前景 本設(shè)計(jì)中具體對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行了多方面的 學(xué)習(xí) 包括滾珠絲杠相關(guān)各種參數(shù)的計(jì)算及其校核 并對(duì)絲杠周圍部件進(jìn)行了 了解 除此之外 本設(shè)計(jì)還對(duì)滾珠絲杠的高速化及其優(yōu)化方案也進(jìn)行了簡(jiǎn)述 關(guān)鍵詞 滾珠絲杠 設(shè)計(jì)方案 高速化 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 III 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 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 IV 目 錄 摘要 I Abstract II 目錄 III 1 緒論 1 1 1 滾珠絲杠概述 3 1 2 本課題研究的意義 8 2 滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 8 2 1 原始數(shù)據(jù)與技術(shù)條件 9 2 2 滾珠絲杠的主體參數(shù)設(shè)計(jì) 9 2 2 1 導(dǎo)程的選擇 10 2 2 2 絲杠軸長(zhǎng)度的選擇 11 2 2 3 絲杠軸直徑的選擇 13 2 2 4 絲杠軸支撐方式的選擇 12 2 2 5 螺母的選擇 13 3 各零部件的校核 14 3 1 容許軸向負(fù)載的計(jì)算 14 3 2 絲杠軸容許轉(zhuǎn)速的計(jì)算 15 3 3 螺母運(yùn)行距離的計(jì)算 15 3 4 螺母軸向平均負(fù)荷及其壽命校核 16 4 定位精度的探討 18 4 1 導(dǎo)程精度的探討 18 4 2 軸向間隙的校核 18 4 3 軸向剛性的校核 18 4 4 運(yùn)行姿態(tài)的探討 19 4 5 旋轉(zhuǎn)扭矩的校核 19 5 電動(dòng)機(jī)的選擇 20 5 1 旋轉(zhuǎn)速度 20 5 2 最小進(jìn)給量 20 5 3 電動(dòng)機(jī)扭矩 20 5 4 扭矩的有效值 21 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 V 6 滾珠絲杠高速化研究 21 1 精密滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)高速化要解決的主要矛盾 21 2 滾珠絲杠副高速化的技術(shù)對(duì)策 22 7 總結(jié) 23 參考文獻(xiàn) 24 致謝 25 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 1 1 緒論 1 1 滾珠絲杠的概述 滾珠絲桿是一種能在直線進(jìn)給和周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之間互相轉(zhuǎn)換的理想的機(jī)械產(chǎn)品 因具有傳動(dòng)效率 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 高精度 高耐磨性 高同步 高可靠性 無(wú)背隙 和高剛性的諸多優(yōu)點(diǎn) 并被廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè) 傳統(tǒng)的滾珠絲杠采用循環(huán)方式主要有三種 第一 外循環(huán) 管路式 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于使用 在滾珠滾道內(nèi)通過一根 插管將進(jìn)口和出口相連接 從而達(dá)到無(wú)限循環(huán) 圖 1 5 外循環(huán) 第二 內(nèi)循環(huán) 哥德式 其結(jié)構(gòu)緊湊 也比較易于小型化 但制造成本 較高 圖 1 6 內(nèi)循環(huán) 第三 端蓋式 端面式 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2 圖 1 7 端蓋式 滾珠絲杠至誕生以來(lái) 就得到了世人的許多關(guān)注 也進(jìn)行了比較大的改進(jìn) 和融合 并發(fā)展出了許多不同用途 不同型號(hào)的滾珠絲杠產(chǎn)品 如在日本相關(guān) 專利方面就有除了傳統(tǒng)內(nèi)外循環(huán)的滾珠絲杠外 還出現(xiàn)了不使用循環(huán)的滾珠方 案 并且得到了諸多應(yīng)用 以下以舉例的形式表達(dá)一種非循環(huán)的滾珠絲杠方式 如圖 該發(fā)明滾珠絲杠螺母內(nèi)加入彈性元件 并使其能夠很方便放入滾道內(nèi) 使之隨著滾珠體一起進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 在 1 1 1 2 圖中 當(dāng)滾珠體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí) 會(huì) 壓迫彈性元件也向逆時(shí)針運(yùn)動(dòng) 當(dāng)該方向運(yùn)動(dòng)結(jié)束后 彈性元件便會(huì)將滾珠體 再壓回原來(lái)位置 同理也有另外一個(gè)方向 如圖 1 3 所示 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 3 圖 1 1 一種非循環(huán)方式的滾珠絲杠裝置 循環(huán)軌道中的彈性元件能夠在運(yùn)動(dòng)的開始和結(jié)束狀態(tài)起到儲(chǔ)能的作用 也 是實(shí)現(xiàn)非循環(huán)方式運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 4 圖 1 2 一種非循環(huán)方式逆時(shí)針方向動(dòng)態(tài)圖解 圖 1 3 一種非循環(huán)方式順時(shí)針方向動(dòng)態(tài)圖解 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 5 可以想象如此設(shè)計(jì)能夠最大限度地縮小螺母的徑向長(zhǎng)度 從而為滾珠絲 杠的小型化開辟了道路 圖 1 4 一種非循環(huán)方式滾珠絲杠三維圖例 1 2 本課題研究目的 CNC 數(shù)控機(jī)床中 進(jìn)給系統(tǒng)的主體實(shí)現(xiàn)元件是滾珠絲杠副 雖然滾珠絲杠 已經(jīng)出現(xiàn)了近百年的歷史 但其優(yōu)越性能仍然是現(xiàn)在許多元件無(wú)法替代的 并 且具有很大的優(yōu)勢(shì) 啟動(dòng)力矩小 定位精度高 運(yùn)行可靠 并且隨著其他相關(guān) 技術(shù)的成熟進(jìn)步 尤其是材料性能的改善和工藝技術(shù)的改進(jìn)優(yōu)化 滾珠絲杠副 的優(yōu)勢(shì)將更加凸顯 所以我們很有必要將滾珠絲杠副的優(yōu)化設(shè)計(jì)放在自己的設(shè) 計(jì)理念中 并將其優(yōu)點(diǎn)發(fā)揚(yáng)光大 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 6 2 滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 2 1 原始數(shù)據(jù)與技術(shù)條件 表 1 1 滾珠絲杠的主體設(shè)計(jì)要求 工作臺(tái)重量 W1 25kg 工作及夾具最大重量 W2 80kg 工作臺(tái)最大行程 L K 1000mm 快速進(jìn)給速度 Vmax 60m min 動(dòng)摩擦系數(shù) 0 003 定位精度 0 02mm 300mm 重復(fù)定位精度 0 01mm 全行程定位精度 0 025mm 要求壽命 30000 h 導(dǎo)向面阻力 15N 額定轉(zhuǎn)速 3000 r min 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) AC 伺服電機(jī) 減速器 A 1 電動(dòng)機(jī)的慣性扭矩 0 001 2mkg 圖 2 1 滾珠絲杠裝置整體受力圖 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 7 表 1 2 滾珠絲杠的主體參數(shù) 絲杠軸直徑 導(dǎo)程 螺母型號(hào) 精度 軸向間隙 絲杠軸支撐方式 電動(dòng)機(jī)功率 2 2 1 導(dǎo)程的選擇 導(dǎo)程的選擇必須與所需要的最高速度相配合 本設(shè)計(jì)中的滾珠絲杠裝置 最高速度選取 1m s 也即 60000mm min 電動(dòng)機(jī)擬采用 AC 伺服電機(jī) 其 最大轉(zhuǎn)速為 3000r min 綜上 可計(jì)算出導(dǎo)程的許用最小值 L 為 mm2036nVLmax 在這里 根據(jù)機(jī)械手冊(cè)中查表數(shù)據(jù)可得滾珠絲杠的導(dǎo)程取 L 20mm 2 2 2 絲杠軸長(zhǎng)度選擇 絲杠軸的選擇必須考慮到螺母的長(zhǎng)度 現(xiàn)在暫定其長(zhǎng)度為 160mm 絲杠軸兩 末端支撐長(zhǎng)度為 160mm 根據(jù)實(shí)際需求 絲杠長(zhǎng)度行程長(zhǎng)度選擇為 1000mm 則絲杠軸全長(zhǎng)為 1320m 6 10 2 2 3 絲杠軸直徑的選擇 本設(shè)計(jì)中絲杠軸擬采用一端固定 一端支撐的方式 公式 2 1 72 72210fLndr 10LdrfAgIE 當(dāng)安裝方式為固定 支撐時(shí) 查表 f 15 1 則 Dr 21 9mm 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)所示滾珠絲杠型號(hào) 絲杠軸直徑 導(dǎo)程 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 8 20mm 20mm 20mm 40mm 30mm 60mm 由上所述 根據(jù)機(jī)械手冊(cè)查表最終確定絲杠軸直徑 40mm 導(dǎo)程 20mm 的設(shè)計(jì)方案 絲杠軸的設(shè)計(jì)到此為止 總體的設(shè)計(jì)圖例見下 圖 4 1 絲杠軸 2 2 4 軸支撐方法的選擇 本設(shè)計(jì)中滾珠絲杠的最大行程為 1000mm 屬于遠(yuǎn)跨距安裝 速度為 1m s 屬 高速使用 而且考慮到升溫比較有可能會(huì)導(dǎo)致絲杠軸變形彎曲 故而確定該支 撐方法采用固定 支撐的方式 圖 2 2 絲杠形變 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 上圖為固定 支撐安裝方式的絲杠允許最大變形量的安裝間距 從圖上可以 看出 安裝間距為 1000mm 的該滾珠絲杠符合要求 圖紙?jiān)O(shè)方案如圖 圖 2 3 絲杠軸左端支撐方式 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 圖 2 4 絲杠軸右端支撐方式 絲杠軸被固定于四個(gè)軸承上 左邊的一端被緊固落螺母固定 從而達(dá)到固 定的目的 如圖 2 3 右端為支撐端 如圖 2 4 所示為滾珠絲杠右端支撐方式 與左端不同之處在于這端并未采用緊固螺母 為自由端 兩端都采用角接觸球 軸承和深溝球軸承疊加安裝 這樣既能夠使軸既能夠承受軸向載荷 又能夠承 受徑向載荷 從而滿足滾珠絲杠正常工作時(shí)的實(shí)際要求 2 2 5 螺母的選擇 螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠 是把滾珠絲杠螺母與支撐軸承一體的螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠 絲杠裝置 其螺母為使用外循環(huán)方式的鋼球循環(huán)結(jié)構(gòu) 鋼球沿著滾道從入口到 出口完成不間斷的循環(huán) 而傳統(tǒng)螺母外周嵌套有一個(gè)套筒 套筒外徑與一個(gè)調(diào) 心滾子軸承相連接 通過調(diào)心滾子軸承將傳統(tǒng)螺母的徑向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 與軸向的 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相互分離 從而達(dá)到螺母一邊旋轉(zhuǎn) 一邊軸向進(jìn)給 而不影響與之相 連接的工作臺(tái)只有軸向進(jìn)給的需求 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 11 圖 3 1 螺母旋轉(zhuǎn)方式實(shí)現(xiàn)方案 兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)允許和絲杠軸 滾珠絲杠的螺母進(jìn)行獨(dú)立聯(lián)接 并通過與螺母套 筒相連接的齒輪將旋轉(zhuǎn)力矩傳遞給螺母和套筒 并可以使微量進(jìn)給控制在電動(dòng) 機(jī)的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi) 因其獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的特性 該設(shè)計(jì)方案可以使用兩個(gè)伺服電 機(jī)驅(qū)動(dòng) 令兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)的方案 將兩個(gè)速度進(jìn)行組合 可以擴(kuò)大整個(gè)運(yùn) 動(dòng)副的速度控制范圍 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 12 3 零件的初步校核 3 1 容許軸向負(fù)載的計(jì)算 最大軸向負(fù)荷的計(jì)算 導(dǎo)向面的阻力 無(wú)負(fù)荷時(shí) 15Nf 工作臺(tái)質(zhì)量 kg m 工件質(zhì)量 2 導(dǎo)向面上的摩擦系數(shù) 0 3 最大速度 s1Vmax 重力加速度 2 9 87 g 加速時(shí)間 s05T1 由此可知 所需數(shù)值如下 加速度 公式 3 1 21max6 7 s tV 去路加速時(shí) N 50 f g F2121a1 去路等速時(shí) 7f m21a2 去路減速時(shí) N 516 f g F2121a3 返程加速時(shí) 0 m f m2121a4 返程等速時(shí) N 7 f gF21a5 返程減速時(shí) 516 m f m2121a3 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 13 作用在滾珠絲杠上的最大軸向負(fù)荷如下所示 50N Fa1mx 現(xiàn)在選定直徑為 40mm 的絲杠軸 導(dǎo)程為 20mm 最小溝槽谷徑 37 4mm 的絲杠軸進(jìn)行撓曲載荷和容許壓縮拉伸負(fù)荷的計(jì)算 絲杠軸撓曲載荷 與安裝方法相關(guān)的系數(shù) 20 絲杠軸溝槽谷徑 m 37 4d1 公式 3 2 Nl 54221 109 3 P 容許壓縮拉伸負(fù)荷 10 62 473 1d 6 P522 由此可見 絲杠軸的挫曲載荷和容許拉伸壓縮負(fù)荷至少等于最大軸向負(fù) 因此 滿足這些條件的滾珠絲杠在使用上沒有問題 3 2 絲杠軸容許轉(zhuǎn)速的計(jì)算 絲杠軸直徑 40mm 導(dǎo)程 20mm 最大速度 60000mm min 306 2 PhVNmaxa 由絲杠軸的危險(xiǎn)速度所決定的容許轉(zhuǎn)速 與安裝方法 安裝方法按固定 支撐 相關(guān)的系數(shù) 15 2 安裝間距 推算 10 Lb 絲杠軸直徑 40mm 導(dǎo)程 20mm 則許用的絲杠軸的最大轉(zhuǎn)速為 公式 3 3 min rad4680105 37 10LdN7272b1max 絲杠軸直徑 40mm 導(dǎo)程 20mm 和 40mm 大導(dǎo)程滾珠絲杠 按絲杠軸的危險(xiǎn)速度計(jì)算可得選用絲杠軸直徑為 40mm 和導(dǎo)程為 20mm 的 絲杠軸沒有問題 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 14 3 3 螺母運(yùn)行距離的計(jì)算 最大速度 m s 1 Vax 加速時(shí)間 5 0t 減速時(shí)間 s3 加速時(shí)的運(yùn)行距離 公式 3 4 mltV75102 103324 1max 等加速時(shí)的運(yùn)行距離 公式 ttls 85012 015 012 33max1ax5 2 3 5 減速時(shí)的運(yùn)行距離 公式 3 6 mtVl 75102 10233max6 3 3 4 螺母軸向平均負(fù)荷及其壽命校核 正符號(hào)方向的軸向平均負(fù)荷 因載荷方向相異 取 計(jì)算軸向平均負(fù)荷 N0F5 43a 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 15 公式 3 7 Nlll25FF3 6543213a2aam1 負(fù)符號(hào)方向的軸向平均負(fù)荷 因載荷方向相異 取 計(jì)算軸向平均負(fù)荷 0F6 21a 公式 3 8 Nlll 25F3 6543213aam1 因 所以軸向平均負(fù)荷為 21F 2m1 平均轉(zhuǎn)速 每分鐘往返次數(shù) 1in 4 行程 LS 1000 mm 導(dǎo)程 m20Ph 公式 3 9 1min4021PhnN sl 工作額定壽命 額定壽命 rev10 7 4 L7 每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù) 1m8inN 公式 3 10 h304607 h9 額定運(yùn)行距離壽命 額定壽命 rev1 7 4 L7 導(dǎo)程 m20Ph 公式 3 11 k980 6s 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 16 4 定位精度的探討 4 1 軸向剛性的探討 對(duì)軸向剛度影響最大的是發(fā)熱變形 所以在此僅對(duì)熱變形進(jìn)行校核 假設(shè)在滾珠絲杠在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中 系統(tǒng)溫度升高 5 這時(shí)引起的軸向定位誤 差為 公式 4 1 m 0 6 510 2L t 絲 杠 總 長(zhǎng) 溫 度固 有 溫 升 系 數(shù) Lt 4 2 運(yùn)行中姿勢(shì)變化的探討 假設(shè)垂直公差 在 10 秒以下 絲杠 L 因垂直公差而引起的定位誤差為 a L sin 150 sin 10 0 007 mm 公式 4 2 由此可知 定位精度 如下 p 公式 4 3 m234 06 7 0310 5 4 3 旋轉(zhuǎn)扭矩的探討 由外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩如下 公式 4 4 mNAPh 6019 27FTa1 滾珠絲杠副加速時(shí)所需的慣性力矩為 則絲杠軸 kg 23 2 全長(zhǎng) 1320mm 的慣性力矩如下 2 3s c 1 6 0 1 2J 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 17 公式 4 5 2 3cmkg10 62 公式 4 6 24 24 6 22s6 21mKg09 7210 315AJphJ 公式 4 7 211rad s05t6tN 根據(jù)上述 加速所需要的扭矩如下 m4 61N 05 03 9 JT3 3m2 4 61 N mm 公式 4 8 310 因此 所需扭矩如下 加速時(shí) mN 532 104 6 12T 1k 等速時(shí) mN 0 1t 減速時(shí) mN 490 14 6 2T31g 5 電動(dòng)機(jī)的選擇 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 18 5 1 旋轉(zhuǎn)速度 電動(dòng)機(jī)選擇使用 AC 伺服電機(jī) 最高使用轉(zhuǎn)速 3000 r min 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn) 速 3000 rad min 5 2 電動(dòng)機(jī)扭矩 設(shè)計(jì)中選擇的 AC 伺服電機(jī)能產(chǎn)生的最大扭矩為 m4730N Tmax 5 3 扭矩的有效值 加速時(shí) mN 4730 Tv s 15 等速時(shí) 20Tt s 85 減速時(shí) mN 490Tg s 153 停止時(shí) 0 Ts 2 64 公式 5 1 mN13052 60 15 8 1 15 049247ttTT2342g212krms 電動(dòng)機(jī)的額定扭矩通過以上計(jì)算必須為 1305N mm 而正常使用時(shí)電動(dòng)機(jī) 產(chǎn)生的扭矩必須為此數(shù)值之上 市面上 CA 伺服電機(jī)的種類繁多 選擇余地也 比較大 所以在這里我們的選擇只需滿足上述條件的精度和扭矩即可 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 19 6 滾珠絲杠高速化研究方案 6 1 精密滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)高速化要解決的主要矛盾 高速化不僅僅只是將滾珠絲杠副所連接的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高了這一種實(shí)現(xiàn) 方案 而應(yīng)該采用整體優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案 1 速度較高時(shí) 整個(gè)滾珠絲杠系統(tǒng)可能會(huì)出 現(xiàn)加大的震動(dòng) 系統(tǒng)共振時(shí)與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20 公式 6 1 式中 支承系數(shù) L 支承間距 mm E 材料縱向彈性模量 Mpa I 小徑最小慣性矩 mm 4 g 重力加速度 mm s 2 材料密度 N mm3 A 小徑橫截面積 mm 2 從上式可以看出 滾珠絲杠速度的控制因素不止一種 3 2 滾珠受安全轉(zhuǎn)速的限制 滾珠絲杠副通常使用 d0n 值 此處 d0 為絲杠的名義直徑 n 為絲杠的轉(zhuǎn)速 表 示滾珠絲杠副的速度極限 也稱作 DN 值 滾珠絲杠系統(tǒng)中的 DN 值越大 表 明其運(yùn)行的最高速度也最大 承載能力也最強(qiáng) 3 溫升和熱變形的限制 高速轉(zhuǎn)動(dòng)下的滾珠絲杠螺母副會(huì)發(fā)熱變形 進(jìn)而降低滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)精度 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 21 圖 6 1 不同安裝方式下滾珠絲杠副的熱變形 從上圖可以看出 滾珠絲杠在不同安裝方式下 在正常工作狀態(tài)下 都會(huì) 發(fā)熱變形 而不同的安裝方式下 其滾珠絲杠副的變形類型和性質(zhì)又不近相同 其中固定 支承方式下可以允許絲杠副有微小的軸向變形 但不能過大 而固定 固定形式的支承方式因?yàn)檩S向的變形不允許 其發(fā)生的彎曲變形較前者則大的 多 而固定 自由型的安裝方法因其自身的類似懸臂梁的結(jié)構(gòu) 所以決定了它并 不能承受過大的載荷而只能使用在很小的范圍內(nèi) 4 噪聲較大 環(huán)保性差 任何機(jī)械在運(yùn)行過程中都會(huì)或多或少地發(fā)出噪聲 而滾珠絲杠也不例外 高速條件下 其本身會(huì)隨著速度的提高而發(fā)出過多的噪音 6 2 滾珠絲杠副高速化的技術(shù)對(duì)策 上述面臨的問題是滾珠絲杠副高速化的優(yōu)化目的最大的障礙 本設(shè)計(jì)依據(jù) 以上的分析有針對(duì)性地提出了以下的技術(shù)和對(duì)策 1 增大絲杠的導(dǎo)程和螺紋頭數(shù) 絲杠方面的資料和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)告訴我們提高滾珠絲杠轉(zhuǎn)速或是加大滾珠絲杠 導(dǎo)程都能夠提高滾珠絲杠的運(yùn)行速度 而導(dǎo)程的增加 會(huì)導(dǎo)致絲杠的運(yùn)行精度下降 而且絲杠系統(tǒng)啟動(dòng)力矩也會(huì) 隨之升高 影響整體傳動(dòng)的平穩(wěn)性 所以我們必須在轉(zhuǎn)速和導(dǎo)程之間取得一個(gè) 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 22 平衡點(diǎn) 從而達(dá)到滾珠絲杠副的最優(yōu)化設(shè)計(jì) 有設(shè)計(jì)方案采用雙頭螺紋 這既能提高其剛度和承載能力 又能提高運(yùn)行 中的平穩(wěn)性 5 但也不是完全一味地增大 2 采用強(qiáng)冷技術(shù) 圖 6 2 螺母空心冷卻液強(qiáng)冷方式 如圖為滾珠絲杠的發(fā)明裝置 該裝置利用加在螺母上的空心孔 通過孔中 流動(dòng)的冷卻液達(dá)到為滾珠絲杠副降溫的目的 4 改進(jìn)滾珠循環(huán)返向裝置和滾珠的流暢性 5 優(yōu)化滾珠反向器的結(jié)構(gòu) 發(fā)熱和噪聲都是由摩擦造成的 所以依據(jù)此原理 可以將滾道內(nèi)的摩擦系 數(shù)降到最低 從而達(dá)到最根本改善和優(yōu)化滾珠絲杠副 傳統(tǒng)的滾珠絲杠使用的 都有一個(gè)反向器 而其精度也決定了滾珠在滾道內(nèi)的順利運(yùn)行 6 無(wú)循環(huán)反向裝置 傳統(tǒng)循環(huán)方式中采用循環(huán)滾道的設(shè)計(jì)方案對(duì) DN 值有極大的制約 所以有 人提出了無(wú)返向裝置的滾珠絲杠副 而本設(shè)計(jì)說(shuō)明中緒論部分也進(jìn)行過介紹 在此 將不再贅述 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 23 圖 6 3 行星滾柱絲杠副 上圖為一種新型的滾珠絲杠裝置 其使用非循環(huán)的滾柱絲杠形式 具有與 滾珠絲杠不同的支撐部件 使用滾柱 加強(qiáng)了絲杠副的剛性和承載能力 使用 壽命和正常使用速度也較普通滾珠絲杠有了很大的提升 7 采用雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 兩臺(tái)獨(dú)立于絲杠軸和滾珠絲杠的螺母的電動(dòng)機(jī)分別連接 并通過與螺母套筒 相連接的齒輪將旋轉(zhuǎn)力矩傳遞給螺母和套筒 這樣做擴(kuò)大了進(jìn)給控制系統(tǒng)的穩(wěn) 定旋轉(zhuǎn)速度范圍 因其獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的特性 該設(shè)計(jì)方案可以使用兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū) 動(dòng) 令兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)的方案 將兩個(gè)速度進(jìn)行組合 可以擴(kuò)大整個(gè)運(yùn)動(dòng)副 的速度控制范圍 所以本課題的研究方向是探究一種能夠?qū)崿F(xiàn)滾珠絲杠的高速運(yùn)行的創(chuàng)新裝 置 能夠在保證精度和機(jī)械運(yùn)行的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上 達(dá)到高速 自鎖的優(yōu)化型 滾珠絲杠 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 24 總 結(jié) 經(jīng)過這段時(shí)間的系統(tǒng)性公關(guān) 對(duì)自己能力又是一次新的歷練 經(jīng)過這段時(shí) 間 在老師的教導(dǎo)下 我也學(xué)會(huì)了許多新的知識(shí)和技能 畢業(yè)設(shè)計(jì)促進(jìn)了自己 對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握 并且學(xué)到了許多實(shí)踐性的東西 對(duì)自己是很有意義的 其 中 有老師的諄諄教誨 龐老師對(duì)我也很嚴(yán)格 自己的也在虛心接受老師的指 導(dǎo) 我最應(yīng)該謝謝的人便是我的老師 他不僅僅是一個(gè)學(xué)術(shù)專業(yè)的教授 更是 我在日后從事機(jī)械行業(yè)研究工作的人生導(dǎo)師 在此我也對(duì)我學(xué)到的東西進(jìn)行一 下簡(jiǎn)單的總結(jié) 1 經(jīng)過了本次畢業(yè)設(shè)計(jì) 更加鞏固了我對(duì) CAD 制圖技術(shù)的熟練程度 為我 日后進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下來(lái)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 2 老師的學(xué)術(shù)品格深深把我折服 這將是我以后人生道路中又一個(gè)指路明 燈 這里我應(yīng)該好好謝謝老師 3 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓接?jì)算是從事機(jī)械研究的重要品行 小到微米級(jí)的計(jì)算單位大 到米級(jí)的大型機(jī)械 每一個(gè)裝配尺寸都是嚴(yán)格有依據(jù)的 決不能憑空捏造 應(yīng) 做到實(shí)事求是 4 機(jī)械工程是份神圣的行業(yè) 我們每一個(gè)中國(guó)人在現(xiàn)在嚴(yán)峻的技術(shù)革命形 勢(shì)下 決不能無(wú)動(dòng)于衷 甘于沉浸在已經(jīng)取得的成就中 而應(yīng)該向前看 以不 一樣的思維 開拓創(chuàng)新 為新機(jī)械制造業(yè)注入自己強(qiáng)大的動(dòng)力 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 25 參 考 文 獻(xiàn) 1 二宮瑞穗 高速高精度送 技術(shù) 1997 04 2 宮口和男 Ball screws for high speed drive J 2002 673 3 孫健利 滾珠絲杠副的高速化技術(shù)研究 J 制造技術(shù)與機(jī)床 2010 4 Yamaguchi H Ohkubo TDevelopment of NSK S1 Seris ball screuls and linear guides2008 671 5 郭慶鼎 王成元 周美文 高速化滾珠絲杠技術(shù)研究 2000 6 Bork B Gao Hua 羅冬梅 直線電機(jī)應(yīng)用之經(jīng)濟(jì)性與應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān) 1999 04 7 王先逵 陳定績(jī) 吳丹 精密滾珠絲杠綜述 J 制造技術(shù)與機(jī)床 2001 08 8 寧立偉 滾珠絲杠副 機(jī)床數(shù)控技術(shù) 高等教育出版社 2010 1 9 肖正義 滾珠絲杠副的發(fā)展趨勢(shì) 制作技術(shù)與機(jī)床 2000 04 10 黃祖堯 21 世紀(jì)初海外滾動(dòng)功能部件發(fā)展動(dòng)態(tài) 世界制作技術(shù)與裝備市場(chǎng) 2003 2 11 程光仁 施祖康 滾珠螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1987 08 12 喻忠志 我國(guó)滾動(dòng)功能部件產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析 制造技術(shù)與機(jī)床 2004 04 13 中國(guó)藝工滾動(dòng)功能部件產(chǎn)品綜合樣本及資料 14 肖正義 焦?jié)?高速滾珠絲杠副的研發(fā)與測(cè)試技術(shù) 制造技術(shù)與機(jī)床 2004 04 15 滾珠絲杠譯文集 南京工藝裝備廠 1980 08 16 THK 綜合產(chǎn)品目錄 臺(tái)灣 THK 滾珠絲杠設(shè)計(jì)公司 互聯(lián)網(wǎng) 2013 06 2016 05 17 PMI 產(chǎn)品目錄 PMI 滾珠絲杠設(shè)計(jì)公司 互聯(lián)網(wǎng) 2013 05 2016 05 18 上銀產(chǎn)品目錄 上銀滾珠絲杠設(shè)計(jì)公司 互聯(lián)網(wǎng) 2013 06 2016 05 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 26 致 謝 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中 我領(lǐng)悟了很多東西 要十分感謝我的導(dǎo)師的指導(dǎo) 還有 他的理解與包容 沒有老師我很難完成這篇設(shè)計(jì) 從設(shè)計(jì)資料的搜集 到最后 設(shè)計(jì)的修改的整個(gè)過程中 耗費(fèi)了老師很多心血和努力 我在這里表達(dá)我最真 摯的感情 以后我一定以自己最大的努力 積極獻(xiàn)身新型機(jī)械制造業(yè) 為實(shí)現(xiàn) 自己的人生價(jià)值和社會(huì)價(jià)值而奮斗 以報(bào)答您對(duì)我的恩情 九層之臺(tái) 起于累土 沒有前面其他機(jī)械老師的努力培養(yǎng) 我也不可能學(xué) 到如此有用的知識(shí)和能力 也非常感謝曾經(jīng)幫助過我的老師的悉心教導(dǎo) 設(shè)計(jì) 過程中也有其他同學(xué)的幫助 在這里我也非常謝謝他們?cè)诖髮W(xué)四年最后時(shí)光的 陪伴