文献综述-滚珠丝杠副预紧转矩测量仪的机械结构设计

文献综述随着机床加工精度越来越高，滚珠丝杠副以其许多独特的优点，越来越多出现在有较高精度的机床上。滚珠丝杠螺母机构如图2-1所示，丝杠1和螺母2都具有圆弧形螺旋槽，合起来形成螺旋线滚道，连续装入若干（一般小于150个）等直径的滚珠3.当丝杠与螺母传动时，滚珠便沿螺旋槽滚动，数圈后经由回程引导装置，重新回到丝杠与螺母之间，形成一个闭合的循环回路[6]。一般滚珠丝杠副根据螺母的数量可以分为单螺母滚珠丝杠结构和双螺母滚珠丝杠结构如图2-2。图2-1滚珠丝杠单螺母结构1.丝杠2.螺母3.滚珠图2-2滚珠丝杠双螺母结构滚珠丝杠螺母副的特点它是一种新的滚动摩擦传动机构，与滑动丝杠螺母机构相比具有以下特点：1.传动效率高，摩擦损失小92%～96%20%～40%提高2~4倍，而消耗的功率仅为滑动丝杠螺母的1/4～1/32.动作灵敏无爬行现象滚动摩擦的启动阻力很小（几乎与运动速度完全无关），运动平稳、动作灵敏，在低速下能均匀运动且不易出现爬行现象，特别适于位移速度较低的高精度传动。3.精度保持性好滚动摩擦的磨损小，寿命长在长期运转中能保持较好的精度4.经适当预紧能实现无间隙传动采用双螺母加预紧力控制弹性变形，经调整后能基本上消除轴向间隙，提高轴向精度，在无间隙和过盈下能正常运转，并具有较高的定位精度和位移精度。机床上采用滚珠丝杠螺母传动，是一种精密而又省力的运动转换装置。滚珠丝杠螺母传动的结构滚珠丝杠螺母在结构上形式很多，主要分两大类：1.外循环如图2-3所示，滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触的结构形式称为外循环式。在螺母2上，相隔2.5-3.5个圈数螺旋槽上钻出两孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口和出口。在螺母的外圆表面上铣出螺旋槽（螺旋方向与螺母旋线方向相反）沟通两孔，以构成循环回路。在螺母的进出口处各装上一个直径与滚珠直径相同呈螺旋状的挡珠器4，再铜焊上一段螺栓6，用螺帽5固定在螺母的螺旋槽内。挡珠器4的一端修磨成圆弧形，与螺母上的切口相衔接。当滚珠3滚到出口即被挡珠器4爪端挡住而引入回程道；当滚珠3由回程道滚到出口处则被另一个挡珠器的爪端顺利地引入螺旋槽中。这种结构由于回程道的制造简单，转折较平缓、顺利而便于滚珠返回，目前在各种机床应用广泛，常制成单列或双列的回程道结构形式。图2-3滚珠丝杠螺母外循环结构1.丝杠2.螺母3.滚珠4.反向器2.内循环如图2-4所示，滚珠在循环回路中与丝杠始终保持接触的结构形式称为内循环式。在螺母外侧孔中装一个接通相邻两滚道的反向器3，利用平键和外圆柱定位，借助于反向器迫使滚珠翻越过丝杠的牙顶而进入相邻滚道，实现循环。一般在一个螺母上采用三个反向器，沿螺母圆周相互错开120。这种结构由于一个循环只有一圈滚珠，因而具有回路短，工作滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失少，传动效率高，径向尺寸紧凑，轴向刚度好，承截能力较大等优点。缺点是反向器结构复杂使得加工困难。需要在专门机床上加工。图2-4内循环式结构1.滚珠丝杠2.螺母3.滚珠4.反向器单螺母滚珠丝杠的预紧方式单螺母滚珠丝杠的预紧方式是通过采用变位导程的结构形式而得以进行的，其工作原理如图2-5所示，是在滚珠螺母体内得两列循环滚体链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个的轴向突变量，从而使两列滚珠在轴向错位以实现预紧。预紧力的大小取决于和单列滚珠的径向间隙。这种结构形式除了具有消除传动间隙、轴向刚度高、工作寿命长及运动平稳等优点外，还具有结构紧凑、制造成本低的优点。在变位导程预紧中，接触角影响丝杠的轴向刚度、承载能力、空转力矩和传动效率。接触角越大，滚珠丝杠的承载能力和轴向刚度越大。接触角小时，丝杠能承受的轴向力变小，在同样的负荷作用下，会使得径向力增大，降低丝杠的使用寿命。图2-5单螺母滚珠丝杠的预紧示意图双螺母结构的预紧方式对于双螺母结构，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钱，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一定得接触压力，得到一定得预变性。通过产生预变性，就可以达到消除轴向间隙，提高滚珠丝杠副的轴向刚度的目的，如图2-6所示，图中Fp，为预紧力，F接触角。目前，按照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，如垫片调整式、螺纹调整式、齿差调整式、弹簧调整式，其中比较典型的是垫片调整式，如图2-7所示，图中Fp为预紧力，FA、FB分别为A、B螺母的总轴向力。垫片调整式是采用最多的预紧方式。其工作原理是通过改变垫片的厚薄来改变两个螺母之间的轴向距离，以实现调整轴向间隙和达到预紧的目的。这种方式的优点是结构简单、刚度高、可靠性好。它的缺点是精确调整比较困难，而且，当滚道和滚珠有磨损时，不能随时消除间隙。对于不同形式的滚珠丝杠副，为防止预紧后出现间隙，须选定可靠的预紧力据分析，可靠的预紧力应选为最大轴向工作载荷的1/3。只有准确地计算出滚珠丝杠所能承受的最大轴向工作载荷，才能合理地确定预紧力的大小。在此可以看出轴向外载荷的作用也是不容忽视的。当轴向外载荷很小，滚珠丝杠的刚度主要由预紧力决定的，而当轴向外载荷很大时，滚珠丝杠的刚度则主要取决于轴向外载荷。因此，在给滚珠丝杠副施加预紧力时要，充分考虑轴向外载荷的影响。图2-6双螺母结构预紧示意图1.工作螺母2.丝杠3.预紧螺母4.滚珠滚珠丝杠副的预紧力检测随着机床工业的发展,特别是数控机床产品的发展和精度的提高都对滚珠丝杠副在精度、性能、可靠性等方面提出了更高的要求。对滚珠丝杠副进行预紧不但可以提高滚珠丝杠副传动精度、稳定性，而且可以增加滚珠丝杠副的使用寿命。动态预紧转矩极限偏差则是滚珠丝杠副的重要指标之一，在贯彻标准中动态预紧转矩的测量是必不可少的项目。以往的滚珠丝杠副动态预紧转矩的检验方法如图3-1。有预加载荷的滚珠丝杠副经跑合清洗干净后,安装在转矩仪上测量。测量时卡紧丝杠,并使丝杠转动,螺母移动。测力传感器与螺母连接,接收阻止螺母转动的转矩信号。此时螺母与丝杠的预紧转矩以力F的信号传至电器箱，并通过转矩仪将力的大小转换为数字量，同时乘以力臂因数即可得到所测量的预紧力矩。图3-1滚珠丝杠动态预紧转矩测量方法示意1.测力传感器2.测力杆3.丝杠4.螺母参考文献1张志强;滚珠丝杠摩擦力矩动态检测系统的研制[D];厦门大学;2014年2韩新健;高速滚珠丝杠副摩擦性能分析及实验研究[D];兰州理工大学;2011年3张刚;滚珠丝杠副摩擦力矩测量仪研制及其实验分析[D];山东大学;2007年4(日)NSK.BallScrewswithLowInertiaRotatableNut.NSKTechnicalJournal，2001，(671)5黄育全.愈忠志.我国滚珠丝杠副发展历程及未来趋势[J]，MC现代零部件，2004，(10)：57-626谢应善.滚珠丝杠副的结构和调整方法[J]，机械工人，2003，(5)：19-237孔庆令.外循环滚珠丝杠副的几点改进[J]，机械制造，2007(5)：134-1368彭福田.内循环滚珠丝杠副反向器理想轨迹的设计[J]，机械制造，1999，(9)：8-129唐利平.滚珠丝杠副误差补偿及故障诊断[J]，中国科技信息，2006，(23)：75-7610刘晓慧.宋现春.滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素及测试方法研究[J]，工具技术，2006年06期11刘建素.孙健利.杨克冲.影响滚动直线导轨副摩擦力的因素[J]，制造技术与机床，1995，(3)：26-2812初永坤.李益民.白绥滨.精密滚珠丝杠螺母副预紧的方法[J]，机械工艺师，1996，(9)：13-1713WangZH.ZhuWG.YaoX.TypeInplaneBendingMultiLayerPiezoelectricMicroactuators-ADesignConceptandit’sApplications[J]Actuators，2002，(101):262-268.14孙健利.张朝辉.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)：47-4916肖正义.滚珠丝杠发展趋势[J]，制造技术与机床，2000，(4)：10-162黄祖尧.国外滚珠丝杠副技术发展动向，[J]，新技术新工艺，1991(2)：16-17