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试验台设计1第一章概述1.1课题背景及意义1.1.1课题背景近年来，随着数控技术及相关专业的发展，滚珠丝杠副作为一种高效、节能、高精度、低成本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，必然带动滚珠丝杠副向高速化的方向发展。滚珠丝杠副产品出现了供不应求的局面。在数控技术方面随着现代制造技术的发展突飞猛进，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20世纪40～50年代的“敏捷省能传动”到70年代“精密定位”，再从80年代的“大导程快速驱动”到90年代后期的“精密高速驱动”，在这一发展过程中，产品不断升级换代，达到质的飞跃。在驱动速度不断提高并向更高速度推进的过程中，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）大进给速度应达到40m/min或更高;（2）加速度要高达到1g以上;（3）动态性能要好,达到较高的定位精度。因此为适应高速化要求（40m/min以上）、满足承载要求且能精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，其发展必然与具有高效快速、节省能源、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发展同步，将始终占据直线运动应用领域的绝大部分市场。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发展趋势。它要求滚珠丝杠副在高速度的基础上具有高的精度稳定性，达到高刚度、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新。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原因主要有：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结构设计开始，对存在的问题采取措施；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，随着社会的不断发展，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、开发新品种，以满足用户的需求。滚珠丝杠精度保持性试验台设计21.1.2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始重视起来，以前人们只重视滚珠丝杠副综合行程误差曲线，现在也开始重视滚珠丝杠副预紧转矩的曲线因为有了这两条曲线，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，北京机床研究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，提供了可靠的检测手段。制造和测量是密不可分的，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。对材料进行相关的试验，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，还必须从检测技术上依靠科技求创新。精确的检测手段及完善的试验设备是保证产品质量和研究产品性能的前提。长期以来，我国过于追求对检测滚珠丝杠副的螺距精度的研究，而在滚珠丝杠副的性能研究上相对滞后，甚至在一些性能的项目如滚珠丝杠副噪声、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发展的主要原因之一。要实现滚珠丝杠副高性能，就必须从检测技术上依靠科技求创新。精确的检测手段及完善的试验设备是保证产品质量和研究产品性能的前提。随着数控机床向高速化发展（驱动速度≥40m/min），现有的滚珠丝杠副满足不了要求，出现温度上升，噪声增大，定位精度下降等现象，有的可能由于0d×n（公称直径×转速）的增大，丝杠副结构产生破坏，因此高速滚珠丝杠副的结构与普通滚珠丝杠副结构是不同的。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情况。随着用户对滚珠丝杠副性能要求的逐步提高制造厂必须改进结构设计及工艺，提高产品质量，因此需要通过测量了解产品的性能，为产品的改进提供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行测试,为用户提供准确可靠的检测报告。第二章滚珠丝杠现状及发展趋势等近年来国内外在滚珠丝杠（副）方面的发展主要在以下几个方面：2.1滚珠丝杠副在国内的发展情况：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滚珠丝杠精度保持性试验台设计3造水平逐渐提高，滚珠丝杠副制造技术经历了以下几个阶段：1.起步——行业标准的制定（1964～1982年）；2.发展——部颁标准的形成（1982～1991年）；3.成熟——国家标准的制定（1991～1998年）；4.赶超世界潮流（1998年～）四个阶段。经过近40年的发展和努力，滚珠丝杠制造行业现在已基本形成一定的规模，满足了国内70％左右的市场需求。在滚动功能部件协会内部有20多个生产厂家，而在协会以外，则星罗棋布大大小小有近100多个生产企业。但是在这么多的生产企业中，真正能够全规格、大批量、完全供应所有的滚动功能部件的，又寥若晨星，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，但大部分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，但绝大部分是低层次、低水平的，很难跟上数控机械行业的快速发展。随着科学技木的不断发展，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相同。国际标准ISO34083-1992以及部颁标准JB3162.2-92规定了在转速为100r／min时，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一致，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。2.2滚珠丝杠副在国外的发展：早在l9世纪末就发明了滚珠丝杠副，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年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副，1943年，滚珠丝杠副开始用于飞机上。精密螺纹磨床的出现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发展，促进了滚珠丝杠副的研究和生产。从5O年代开始，在工业发达的国家中，滚珠丝杠副生产厂家如雨后春笋般迅速出现，例如：美国的WARNER—BEAVER公司、GM—SAGINAW公司；英国的ROTAX公司；日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。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可靠保证。国外许多制造滚珠丝杠的公司，除了致力于改革加工工艺外，都把检测手段的更新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注意的特点:（1）采用微处理机或计算机，对检测数据自动判别和处理。如日本NSK公司，在LMS型3m激光丝杠动态测量仪上加了一套“导程精度自动评定系统”(LeadAccuracyMeasuringSystem)。它具有三个功用:①迅速完成数据处理，输出导程误差曲线，并根据JIS或ISO滚珠丝杠标准判断出精度等级;②通过图形放大、滤波获得精确数据，对误差做出统计分析;③对导程误差曲线进行谐波分析。滚珠丝杠精度保持性试验台设计4（2）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）测量方式向动态连续机自动化方向发展。测量方式采用动态连续测量，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NSK公司研制了卧式连续动态预紧力矩测量机，安装在生产现场的装配工段。使用时，可以自动的滚珠丝杠仪300m/min的速度跑合50个回合，然后自动转入低速并开始自动测量和记录。综上所述，当前国内外滚珠丝杠动态测量仪的发展，主要有以下几个方面:(1)仪器能适应最新的国家标准和ISO标准，为企业技术改造提供依据，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提供依据保证。(2)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，大大降低了检测成本。第三章设计的用途、主要技术性能及特点3.1论文主要完成以下几个方面的研究工作：(1)研究丝杠的动态测量方法，针对实际应用的要求选择合适的测量手段，选择合适的测量工具。(2)完成测量平台主轴控制系统的设计，选用合适的驱动电机及控制方式，以达到测量的要求．(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控制、测量信号的采集。3.2设计方案的基本原则1）在分析高速滚珠丝杠副动态测量系统功能、结构、系统、操作程序的基础上，结合成功的经验提出技术方案。保留成功可行的操作，以利于操作人员操作——利于操作原则。2）在开发中淘汰过时，落后的系统和器件，确保系统的先进性，快速性和可维修性——先进性于可维修性。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研究对象在机械结构设计中应该对滚珠丝杠副的工作原理、传动特点、循环方式、结构形式做了详细的讲述，并讨论了滚珠丝杠高速化以后的结构形式。在设计时同时考虑到控制部分的设计，对滚珠丝杠的总体结构设计进行了讲述。滚珠丝杠精度保持性试验台设计54.1滚珠丝杠副的工作原理及结构形式4.1.1滚珠丝杠副的工作原理及其传动特点4.1.1.1工作原理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。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。如图2.1所示。a)为外循环方式b)为内循环方式1-滚珠丝杠2-螺母3-滚珠4-反向器图4.1滚珠丝杠副结构从4.1可知，滚珠丝杠副就是指在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间，连续填满滚珠作为中间体的螺旋传动。其工作原理如下：当螺母2(或丝杠1)转动时，在丝杠与螺母间布置的滚珠3依次沿螺纹滚道滚动，同时滚珠3促使丝杠1(或螺母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