滚珠丝杠精度保持性测试试验台设计 - 图文

滚珠丝杠精度保持性试验台设计

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。

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1.1.2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d03n（公称直径3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

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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”(Lead Accuracy Measuring System)。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。

（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

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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300 m /m in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。

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4.1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继续不断地参与工作。为了消除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分外，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清除掉，并确保有效润滑。在许多应用场合，擦拭器可延长滚珠丝杠的寿命并提高机械的可靠性。擦拭器可安装在滚珠丝杠的外部或内部。

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4.1.1.2滚珠丝杠副的传动特点

滚珠丝杠副作为精度高的传动元件在精密机床、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，可用作精密定位自动控制、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：

1. 传动效率高，可达0.9～0.98，平均为滑动丝杠传动的2～3倍，可节省动力1/2～3/4，有

利于主机的小型化及减轻劳动强度；

2. 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；

5. 具有很好的高速性能，其临界转速之dn值 （d为轴径，mm；n为转速，r/min）可达40000

以上，可实现线速度120r/min的高速驱动；

6. 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；

7. 已经实现系列尺寸标准化，并出现了冷轧滚珠丝杠，提供了多用途廉价产品，应用于精度要

求高的场合，节能并延长寿命； 8. 不能自锁；

9. 抗冲击震动性能较差； 10. 承受轴向载荷的能力差；

11. 结构较复杂，成本较高(但结构比静压螺旋简单且维修方便)； 12. 有专业厂生产，选用配套方便。 4.1.2滚珠丝杠的结构形式

对于滚珠丝杠，除螺纹滚道截面的形状不同外，各种类型的滚珠丝杠的结构基本相同。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、成本及轴隙调整均有重要影响，对滚珠流畅性能更有直接关系。

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4.1.2.1 滚珠法向截面形状与特性

()单圆弧形()双圆弧形

图4.2 滚珠法向截面形状

单圆弧滚道截面（图4.2a）的特点是磨削滚道的砂轮成型方便，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，不易控制，因而起传动效率、承载能力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，消隙及预紧必须采用双螺母。

因此应用较少。

双圆弧形滚道截面（图4.2b）的特点是能保持一定的接触角?，传动效率、承载能力和轴向刚度比较稳定，但砂轮成型比较复杂，不易获得较高的加工精度，螺旋槽底部不与滚珠接触，可存纳一定的润滑油与脏物，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，以消除轴向间隙。 根据螺纹法向截面形状特点和设计要求选用双圆弧形滚道截面。 4.1.2.2滚珠循环方式的选择

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。通常一个螺母上装有三个返向器，这三个返向器沿螺母圆周错开120°，轴向间隔4／3～7／3个导程，或装有两个返向器，返向器错开180°，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，但这种返向器结构复杂，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，容易产生较大的阻力，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。

内循环结构，反向器尺寸，承载的钢球数减少，钢球高速时流畅性差，浮动式具有较好的摩擦特性，预紧力矩为固定反向器的1/3～1/4。在预紧时，预紧力矩上升平缓。结构紧凑，刚性好，使用可靠，工

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作寿命长，但工艺性差，制造成本高。适用于各种高灵敏、高刚度的精密定位系统。重载荷、多头螺纹、大导程不宜采用。

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，再在螺母的外表面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，这种结构制造简单，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。

外插管式结构简单，工艺性优良，承载能力大，不受导程控制，适合成批生产。回珠管可设计，制造成理想的运动通道。滚珠循环链较长，但轴向排列紧凑，轴向尺寸小，螺母配合外径较小，制造成本低。适用于重型载荷、高速运动几精密定位系统，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情况下要求钢球的流畅性好，宜采用大导程螺纹。同时考虑到节约成本，本试验台拟采用内循环插管式导珠管埋入式大导程滚珠丝杠。 4.1.2.3滚珠丝杠支承形式的选择

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，

除了应采用高精度、高刚度的滚珠丝杠副外，还必须充分重视支承的设计。滚珠丝杠采用两端固定支承比一端固定一端自由有更大的安全性和更大的临界速度(相差值为6～7倍)和更高的刚性(3～4倍)，所以采用两端固定支承方式，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，故结构复杂，工艺教困难； 2) 轴向刚度 只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍 3) 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

4) 可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需要一套预拉伸的机构，结构

及工艺都比较复杂

5) 要进行预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于公称行程，减小量等于拉伸量 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装 7) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转 支承形式如图2.3所示。

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FLcF

图4.3 两端固定的支承形式

4.1.2.4滚珠丝杠副预紧方式的选择 1、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、停止，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。要做到完全消除间隙是比较困难的，通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形量控制在最小限度内。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，基本上能消除轴向间隙。应用此结构时，应注意通过预紧力产生预拉变形以减少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一定的接触压力-得到一定的预变形。通过产生预变形，就可达到消除轴向间隙，提高滚珠丝杠副的轴向刚度的目的。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，以达到消除间隙与产生预紧力的目的。这种结构需要修磨垫片厚度，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，前者采用较多。

这种结构的特点是结构简单，可靠性好，刚度好及装卸方便，但调整费事，并且在工作中不能随意调整。除非更换厚度不同的垫片。轴向刚性好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好,预紧可靠，不可调整，轴向尺寸适中，工艺性好，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。适用于高强度、重载荷

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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，即可消除间隙，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，结构简单、紧凑，工作可靠，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，结构紧凑，调整方便，故应用广泛，但双螺母调整间隙不很精确。

(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相同齿数时，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，达到消除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e?P/Z1Z2。齿差式调隙调整间隙，调整准

确，但结构尺寸大，装配比较复杂，使用于高精度的传动机构。

（4） 对旋调隙式

原理与齿差式相同，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。只能进行压缩预紧。

不用拆卸螺母就可以进行调整，方便、省事、在双螺母预紧结构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（比段内无负荷滚珠）整数倍基本导程变为：n*?n??h，取负值为压缩预紧，一般为正值。这种预紧方式下的滚珠丝杠副承受拉力和压力，特点是结构紧凑、简单，完全避免了双螺母结构中形位误差的干扰，技术性强，不可调整，适用于中等载荷以下，且对预加载荷有要求的精密定位、传动系统。）和单螺母钢球过盈预紧方式(结构简单、紧凑，但不适宜预紧力过大的场合。不可调整，轴向尺寸小)。

2、双螺母预紧的工作方式

由滚珠丝杠副装配结构可知，预紧垫片是实现滚珠丝杠副预紧力的关键零件，调整滚珠丝杠副的预紧力只需要调整预紧垫片厚度，增减过盈量。

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1-防尘垫； 2-螺母?; 3-滚动体 4-止动销；

5-预紧垫 ；6-螺母?； 7-滚珠丝杠 图2.4 双螺母垫片预紧的滚珠丝杠

1-螺母?；2-预紧垫片； 3-螺母?；4-滚动体；5-滚珠丝杠

图2.5 双螺母预紧示意图

双螺母预紧垫片式滚珠丝杠结构如图2.4，该滚珠丝杠采用带有法兰盘的螺母?，不带有法兰盘的螺母?，中间夹以带有一定过盈量的预紧垫片组成。为了防止螺母?、?错动松开，预紧垫片上带有止动销，装配时，在专用的工艺基础上轴向加压预紧垫片，并和螺母?、?以一个整体形式旋合道丝杠上。预紧力的大小决定于预紧垫片的厚度过盈量。生产厂家在装配时，根据丝杠对付的精度等级，觉得预紧力的大小，并通过调整预紧垫片的厚薄来达到所需要的预紧力。其原理是：通过预紧垫片使螺母?、?所构成的组合螺距t相对于滚珠丝杠的螺距产生一定的附加量?t，如图2.5所示这样螺母?、?在预紧垫片过盈量产生的轴向力F作用下，通过滚动体和滚珠丝杠弧形滚道紧密接触，达到完全消除间隙的目的。从图2.5可以看出，螺母?、螺母?在预紧力F的作用下，使运动部件前、后移动时，螺母?、?都起作用，达到在预紧状态下消除反向空行程死区。

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4.1.3滚珠丝杠高速化后的结构形式

滚珠丝杠作为驱动、传递直线进给装置，具有各种综合功能、高的那些价格比、控制性能好、使用方便等优点，至今不但一直北广泛应用，而且起应用领域也在不断扩大。近0年来，数控机床、机器人、电子装置等机械设备的进给速度越来越快，提高了2～3倍，如数控价格中心，原来的一般进给速度为30～40m/min，而现在达到了60m/min。但是在高速化以后随之而来，产生了一系列的问题。滚珠丝杠高速化以后所面临的问题主要有以下几方面： 1、滚珠丝杠高速回转时温度上升及其热位移的增大

滚珠丝杠的发热量由摩擦扭力及转速求得，定位精度与螺杆热膨胀有关。当进给速度低时，滚珠丝杠产生的热量无法实时散发而造成温升，引起滚珠丝杠变形。长时间加工时无法确保工件与刀具的相对位移，使加工精度降低。 2、滚珠循环系统强度问题

在滚珠丝杠的转速加快时，反复的冲击力会使滚珠丝杠的滚珠循环系统结构减弱，往往造成循环系统中导珠器因冲击疲劳而容易断裂。 3、噪声与振动问题

高速进给噪声的来源：滚道截面表面粗糙度、滚道面形状、转速和滚珠与滚珠碰撞、还应该考虑滚珠丝杠回转时的共振现象。 4、定位精度变换问题

滚珠丝杠配合高速小惯量伺服电动机，可使进给速度达到40m/min以上，加速度提高至0.5～1g（因为加速度与滚珠丝杠加伺服电动机的惯性矩成反比）。 5、大导程加工技术

6、螺旋滚道面润滑油膜变形造成润滑不均

高速回转除因离心力易造成润滑不足外，高速进给伴随高加减速运动，根据试验在角加速度1500rad／s 时可能使滚珠由滚动转为滑动，即容易破坏油膜厚度的稳定性而造成润滑不均导致加剧磨耗和温升。

7、预压力变化

一般中低转速注重精度及刚性，高转速注重进给速度，两者必有不同的预压机制。虽然很难获得精确的预压力值，但以各种不同的预压弹簧力配合压缩距离可得到压力大小的特征值，进而与前述测量的

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

温升值进行比较。

滚珠丝杠高速化所呈现的问题环环相扣，互有牵连。在选用时用同时确认整体结构振动性，其中包括夹具、刀具、冷却系统、主轴以及工作台等都需要配合，以达到最佳化设计的目的。

第五章 试验台的结构设计

5.1试验台总体结构设计

选取滚珠丝杠副，丝杠公称直径为40mm，导程为10mm，有效行程为1800mm。滚珠丝杠由伺服电动机驱动，电机安装在床身上，通过联轴器与丝杠直联。床身为大型铸件，上面安装直线滚动导轨。丝杠由轴承固定在床身上，丝杠与螺母相联，螺母安装在螺母座上，螺母靠螺栓和工作台相联。丝杠转动工作台通过滑块在导轨上平动。工作台上安装由加速度传感器用来测量丝杠的加速度；左右轴承座和螺母座上安装有温度传感器，用来测量温度变化；丝杠轴端安装位移传感器用来测量丝杠的热伸长；床身安装光栅尺，用来测量工作台的定位精度。各种传感器输出信号经过放大处理，计算出各种转换后输入到计算机内，通过计算机内部软件出来，计算出各种变化曲线，完成各个参数的测量，试验台总体组成示意图如图2.6所示。

1—交流伺服

3—滚珠丝杠 4—压电加速度传感器

5—工作台 6—带温度传感器的螺母 7—直线导轨 8—电感位移传感器

图4.6试验台总体组成示意图

电动机 2—联轴器

5.2床身及工作台

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

试验台为保证丝杠大于1800mm的有效行程，由于床身上要安装伺服电机，左右轴承座、光栅尺，因此设计床身长度为2.4m左右。宽度的选择盈考虑傻瓜平板的大小，拟选择宽度为800mm左右，高度700mm左右。使床身既能满足检测要求，又看起来美观。床身示意图如图3.1所示。

图3.1 床身及导轨示意图

5.2.1床身的技术条件

采用HT200灰铸铁铸造。力学性能不得低于GB/T9437的规定，即硬度为HBS170～220,抗拉强度为200Mpa左右。 5.2.2床身的技术要求

1、铸件上的型砂应清除干净，对浇口、冒口、结疤和夹砂等均应铲除或打磨掉，清理后的毛坯表面应平整、光洁；

2、铸件表面不允许有裂纹、气孔、缩孔、渣眼、浇注不足以及其他能降低床身强度和明显损害外观的铸造缺陷存在；

3、床身铸件在机械加工前应进行时效处理，以消除残余应力； 4、安装导轨的平面应保证好的平行度。 5.2.3工作台的材料

选择HT200铸铁，作时效处理。

工作台（图3.2）用M10的圆柱头内六角螺母固定在滑块上，滑块沿导轨移动，工作台上装有压电

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

式加速度传感器。

图3.2 工作台结构示意图

5.2.4导轨材料和热处理

用于机床导轨的材料应具有良好的耐磨性，摩擦系数小和动静摩擦系数（见表3-1）小。加工和使用内应力产生的变形小，尺寸稳定性好等性能。导轨副应尽量由不同的材料组成，如果选用相同材料，也应采用不同的热处理或者不同的硬度。通常动导轨（短导轨）选择较软和耐磨性低材料，固定导轨（长导轨）选择较硬和耐磨材料制造。根据以上要求，机床滑动导轨材料的选择如下；固定导轨选择HT200灰铸铁，动导轨选择HT150灰铸铁。

安装时，通过刮研导轨的方法保证导轨的表面粗糙度。 导轨的热处理是采用铸铁粗加工后进行一次时效处理。

5.3轴承及其它零件

5.3.1轴承的选择

轴承是机械中重要的元件。机床主轴高速化的一个关键技术就是轴承，轴承首先必须满足高速运转的要求，并具有较高的回转精度和较低的温升；其次，必须具有尽可能高的径向和轴向刚度；此外，还要具有较长的使用寿命，特别是保持精度的寿命。滚动轴承因产品以标准化、互换性和通用性好、结构简单、维护保养容易等优点，得到了广泛应用。

作为高速滚珠丝杠所使用的轴承应该具有旋转精度高、刚度高、承载能力强、抗振性好，极限转速高适应范围大、摩擦功率小、噪声低、寿命长等性能，同时应满足制造简单，使用维修方便，成本低，结构尺寸紧凑等要求。

丝杠初步选择公称直径为40mm。根据使用要求滚珠丝杠采用两端固定的轴承配置形式。这种支承形式常使用角接触球轴承或者圆锥滚子轴承。两个轴承各限制一个方向的轴向位移。在使用时，为提高支承的刚性和旋转精度，有时也为承受较大的径向、轴向载荷，常将两套单列角接触球轴承装在同一支点上，常用的配置型式：

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

一是正安装，如图3.3（a）所示，或称面对面安装，此种配置方式两轴承外圈的窄边相对，从另一方面看，两轴承的载荷作用中心a、b落到支承跨距点C d之内；二是反安装，如图3.3（b）所示，或称背对背安装。此种配置方式是两轴承外圈的宽边相对，从两轴承的载荷作用中心a、b看，其落到支承跨距点C、d之外。

图3.3 分装于两支点角接触轴承装配方式

图3.4 组合为一支点角接触轴承装配方式

面对面安装时受力作用线向内收敛，压力中心间的距离小，悬臂较长，支承刚性较差。在受热变形方面，因为运转时轴的温度一般高于外壳的温度，轴的轴向和径向热膨胀将大于外壳的热膨胀，这时若采用面对面的安装方式，因为减小了预调的间隙，可能导致卡死。这种安装方式使用较少。

背对背安装时力的作用线向外侧散，在支承距离相同的情况下压力中心间的距离比面对面安装时的大，轴承间的有效支点距离增大，悬臂较短，支承的刚性比面对面安装时的好。安装时，通过调整轴承

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外圈或者内圈的轴向位置，可使轴承达到理想的游隙或所需要的预紧程度。因此在两端固定的支承形式下采用一对角接触球轴承背对背安装的形式。

角接触球轴承的特点是可以同时承受径向载荷和轴向载荷，也可单独承受轴向载荷。接触角越大，承受载荷的能力越大，极限转速高。初步选择角接触球轴承的型号为7006AC/DB，公称接触角为25°，支承采用脂润滑，极限转速为6700r/min。

轴承采用轴肩和圆螺母定位。

丝杠右端装有电感式位移传感器，用于测量热伸长。 5.3.2轴承座

轴承座作为支承轴承的零件可以选择铸件，在抗拉强度上要满足要求，铸造上时要注意避免铸造缺陷的产生。对于轴承座的设计要求主要如下： 1、滚动轴承座的材料

图3.5 轴承座

应采用HT200灰铸铁铸造，其力学性能不得低于GB/T9439的规定，轴承座也可采用与其性能相同或者相近的其他材料铸造。可下载硬度范围在HBS170～220,抗拉强度200Mpa左右。[滚动轴承座的技术条件（JB/T8847-2000） 示意图见图3.5] 2、对滚动轴承座铸件的要求

（1）铸件上的型砂应清除干净，对浇口、冒口、结疤和夹砂等均应铲除或打磨掉，清理后的毛坯表面应平整、光洁；

（2）铸件表面不允许有裂纹、气孔、缩孔、渣眼、浇注不足以及其他能降低轴承座强度和明显损害外

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

观的铸造缺陷存在；

（3）轴承座铸件在机械加工前应进行时效处理。 3、对滚动轴承座机械加工后的要求

（1）轴承座加工后的表面不得有砂眼、毛刺和锐边；

（2）轴承座上盖与底座相配后，其铸造外形不得有明显错位

轴承座内孔直径D与铸造外缘不得有明显的偏心。在轴外不得有明显的偏移。

（3）轴承座中心高H（或h）的极限偏差应符合GB/T1800.4-1993表22中h13的规定。轴承座内孔直径D的极限偏差应符合GB/T275-1993表A2、A4中H8的规定。其他尺寸：孔按H14,轴按h14，其他按

?（4）轴承座内孔直径D和孔肩端面的表面粗糙度应符合GB/T275-1993中表7的规定；

轴承座上盖底面与底座的配合面以及底座底面，其表面粗糙度Ra的最大值位6.3μm

（5）轴承座内孔圆柱度以及内孔端面垂直度应符合GB/T275-1993中表6的规定；轴承座内孔轴心线对底面的平行度应符合GB/T1184-1996中表B3规定的公差等级8级的公差值。

预紧调整后，在中间隔圈配打防松定位销。 5.3.3.螺母座

IT14执行； 2 图3.6 螺母座

螺母座是支承滚珠螺母的元件其主要的技术要求如下。螺母座的结构见图3.6。螺母座的材料采用HT200灰铸铁铸造，其力学性能不得低于GB/T9439的规定，即硬度为HBS170～220，抗拉强度在200Mpa左右。

第六章 动力设计计算

6.1 电机功率的选择和计算

伺服电动机也称为执行电动机，一般为永磁式同步电动机，伺服电动机有直流和交流两种，它们的

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最大特点是可控。在有控制信号输入伺服电动机转动；没有控制信号输入时，则停止转动。改变控制电压的大小和相位(或极性)，就可以改变伺服电动机的转速和转向。因此，它与普通电动机相比具有如下特点：

（1）调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电压改变，能连续地在较大的范围内调节。 （2）转子的惯性小，能实现迅速启动、停转。 （3）控制功率小，过载能力强，可靠性好。

6.1.1直流伺服电动机与交流伺服电动机的主要区别：

由于直流伺服电动机具有良好的调速功能，因此长期以来，在要求调速性能较高的场合，直流电动机调速系统一直占据主导地位。但由于电刷和换向器易磨损，需要经常维护，并且有时换向器换向时产生火花，电动机的最高速度受到限制；且直流伺服电动机结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，成本高，所以在使用上受到一定的限制。由于交流伺服电动机无电刷，结构简单，转子的转动惯量较直流电动机小，使得动态相应好，且输出功率较大，因此在很多场合，交流伺服电动机已经取代了直流伺服电动机。在使用中直流伺服电动机和交流伺服电动机主要有以下区别：

1、直流伺服电动机需要电刷和换向器，使得其结构变得复杂，工作的稳定性和可靠性较差，而且换向器上产生的火花引起的无线电干扰回影响徐图的正常工作同时由于电刷的阻力矩，使电动机的灵敏性；而交流伺服电动机结构简单，运行可靠，在不易检修的地方使用时，优点更加突出。

2、直流伺服电动机的机械特性是线性的，在不同控制电压下，机械特性是相互平行的，而且特性很硬。但是交流伺服电动机的机械特性是非线性的，其特性的斜率随控制信号的不同而变化，机械特性很软，特别在低速段更加严重。

3、直流伺服电动机机电时间常数比交流伺服电动机的大的多，但在带动较大负载时，直流伺服电动机的机电时间常数就比交流伺服电动机的小。

4、直线伺服电机具有高刚度，宽的调整范围，高的系统动态特性，平滑运动，定位精确以及无磨损，无需维护等优点。被广泛应用到生产，生活的各个领域。在工业自动化领域，直线电机在工业机器人，机床及各种需要直线运动的机械装置中都有应用，如数控机床的直线进给行程较短，一般不超过几百毫米，在很高的进给速度下，只有瞬间达到设定的高速状态和在高速下瞬时准确停止运动，这样的场合，直线伺服电动机最适用。

在小功率随动系统中经常采用交流伺服电动机，在控制系统中交流伺服电动机也常被用作执行元件。作为伺服电动机使用的交流电动机通常为两相交流电动机，它的结构与普通的感应电动机相近，但在特性上有很大的差别，即除了具有良好的控制性能以外，还应具有宽广的调速范围、稳定的运行性能、机械特性和调节特性的线性度好、无自转现象、控制功率小、起动转矩大以及快速响应好等特点。

交流伺服电动机都可以作为控制系统中的执行元件，但是应该根据各自的使用特点具体情况，合理

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

选用。

6.1.2伺服电动机的选择计算

在设计的试验台系统中驱动滚珠丝杠的电动机选择日本安川交流伺服电动机，下面是具体的选择步骤：

初步拟定工作台重500kg，加速度为1g，在0.1s的加速时间内可以从零加速到60m/min。v=at，将数据代入公式得：

v?at?10?0.1?1m （4-1）

s丝杠的导程初步选择为10mm，则电动机的转速为：

v=60/0.01=6000

（4-2）

初步定直线导轨摩擦系数为0.02，则运动阻力为：

F?0.02mg?0.02?500?9.8?98N （4-3）

(1) 计算等效转动惯量：

由于速度为60m/min，转速为6000r/min,移动工作台的重秒量500kg，故等效到电机轴的等效惯量为：

(4-4)

2

滚珠丝杠和联轴器总的转动惯量可以按0.001 kg2m计算，这样，总的等效转动惯量为 J=0.006 kg2m。

按照一般电机的惯量匹配原则，即电机惯量应在大于J到小于4J，即在0.006到0.024之间。 (2) 计算等效力矩

由于速度 n=6000 r/min，电机惯量 J=0.006 kg2m，加速时间 t=0.1s，故加速力矩为： T1=

2

2

2πnJ2?3.14?6000?0.006==37.68N2m (4-5) 60t60?0.1摩擦系数按0.02计算，运动阻力为：

f??mg?0.02?500?10?100N (4-6)

移动件的等效力矩为：

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

T2=fv=

100?60=0.16 N2m (4-7)

2?3.14?60002πn所以移动件的总的力矩为：

37.68+0.16=37.84 N2m

(3) 交流伺服电动机的选择

我们所要选择的伺服电机，最高转速应在6000r/min，最好能够选择的高一点。电机转动惯量0.02 kg2m左右，扭矩不小于40Nm。 6.1.3选择电机特性

经过认真的思考和性价比分析，我们选择安川伺服电机，其各性能参数如表4-1所示（转子惯量：2310kg2m；容许负载惯量：电机惯量5倍以下）

表4-1：电机参数

-4

型号 电压(V)

额定输出功率(KW)

额定转矩（Nm）

瞬时最大转矩（Nm）

额定转速（r/min）

最高转速（r/min）

转子惯量

SGMGH-44A-A 200 4.4 48.4 71.1 3000 6000 67.5

6.2 直线电机的发热及其它相关的计算

摘 要：提出了扁平型直线感应电动机温度场的二维计算模型。确定了直线电机中不同材料的导热系数和表面换热系数，考虑了瞬态温度场计算时直线电机绕组端部的影响，分别计算了初级槽部和初级铁心等效单元体的密度以及比热容，在此基础上利用有限元分析软件Ansys计算了直线电机运行在短时定额下的温度场。 关键词：扁平型直线感应电动机；温度场；有限元1.引言 扁平型直线感应电动机常用在短行程，往复运动的场合，它的发热过程是一个非稳定的过程。虽然扁平型直线感应电动机的散热效果很好，但是这类电机一般没有通风冷却装置，随着它的应用场合越来越广泛，单机容量不断上升，它的发热和冷却问题越来越突出，对其温度场的研究就显得日益重要【1】。本文的研究工作主要是以额定电压为660V，额定电流为13.54A的扁平型直线感应电动机为研究对象，采用有限元计算软件Ansys计算了直线电机运行在短时定额状态下的瞬态温度场。2.热参数和热源的计算 不同物质的导热系数不相同，即使同一材料的导热系数，影响其因素也很多，诸如温度、压力、湿度、多孔性和均匀性等。但通常还是温度起决定性作用。纯金属的导热系数随着温度的增加趋向于降低；合金材料和非金属材料的导热系数随着温度的增加而增大 。导热系数可近似认为是线性规律变化【2】。 本文在温度场的求解过

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

程中，考虑到直线电机样机的温升限度只有百K左右，金属材料的导热系数变化微小，认为导热系数为常数。电机实际运行时，每种导热体引用的导热系数为：

由于槽中含有多种物质成分，在槽宽和槽高方向可将这些成分看成是由槽绝缘、空气层和绕组多层串联而成。然后假定沿槽宽和槽高方向的热量传递互不影响，分别采用等效的导热系数计之，这样将槽部的导热问题变成正交各向异性导热问题。 槽中绕组部分的材料性质比较复杂，它的导热系数与导体及导体在槽中的排列方式、浸漆工艺、绝缘漆的成分等因素有关。这里采用经验公 式【3】，绕组部分的导热系数为：

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

对流体交换包括两部分，当流体中存在温差时，流体分子热扩散而起导热作用，其次是流体中的热焓随流体运动而迁移。实际上计算由对流作用带走的热量时，为了方便，都采用牛顿换热定律：

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即单位时间内，固体表面与周围介质温差为1℃时所 放出的热量。 利用牛顿换热定律,在 为已知的情况下，只要知道 ，就可以求出温差 ，或者相反。这种计算方法之所以简单，是因为采用了换热系数 而把许多计算上的困难回避了。 用空气作为冷却介质时，其物理性能比较稳定。若忽略散热表面几何尺寸等因素的影响，则可近似的认为电机各部件的换热系数仅与空气的流速有关。根据实验，当空气流速在5~25m/s的范围内时， 与 之间的关系可表示如下【4】：

在设计电机时，有时需要计算电机作短时运行时的温升，例如计算电动机起动时的温升。对于不稳定温升的计算，需要知道材料的质量热容，又称比热容。所谓比热容，就是1kg工质温度升高（或降低）1K时所吸收（或放出）的热量。单位是J/(kg?K)，用 表示。对于由多种介质组合而成的单元体，

例如电机槽内绕组，它的等效比热容是【5】：

本文在计算直线电机横向截面的温度场分布时，由于绕组端部伸出槽外的长度相对于直线 电机的纵向长度来说不可忽略，因此我们将绕组端部周围一部分空气和初级铁心等效成为一个单元体，利用公式(5)计算这个单元体的等效比热容，如图2所示：

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

在图2中，绕组伸出初级铁心的长度为90mm，在等效成单元体的过程中，假设初级铁心的体积为V，则端部绕组周围的空气部分体积分别为0.9V，所以整个单元体的体积为2.8V，这样单元体的等效密度便可以方便的求出来，从而我们可以计算出这个单元体的等效比热容。 生热率Q的计算：其定义为单位时间内单位体积中内热源的生成热：

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

3.扁平型直线感应电动机的模型 根据机械行业标准JB/T 7823,直线电机温升的测定方法规定为运行法和静止法两种，优先采用运行法，如无条件可用静止法【6】。 静止法则是在没有次级的条件下，直线电机的初级绕组通以堵动电流 （短时运行基本在启动状态），从实际冷却状态开始，按要求的运行方式控制其通电和断电的时间（即工作的间歇时间），在电机各部分温升达到实际稳定时测定初级绕组的热态电阻，然后用电阻法计算温升。 本文静止法的基础上建立扁平型直线感应电动机的温度场计算模型。(1) 扁平型直线感应电动机在结构上左右对称，如图1所示。所以取直线电机的二分之一进行建模。(2) 铜的导热系数很大，所以沿铜导线方向的温度梯度很小，同一导线内部温度处处相等。(3) 由前面的讨论可知，硅钢片横向的导热系数远远大于其纵向的导热系数，因此可以认为热量主要沿硅钢片横向传播，然后通过对流散发到空气中。 基于以上原因，本文将直线电机温度场的分析从三维降到二维，大大缩短了计算时间。直线电机温度场的计算模型如图3所示：

为了简化数值计算，作出如下假设：(1) 不考虑由于直线电机的发热对周围室温的影响，室温 保持恒定。(2) 直线电机几何分布和损耗分布对称，图3-2中模型右侧边界设为绝热边界。(3) 初级槽部导线排列无序，并且绝缘层十分薄，将槽中的材料当作整体来考虑，其导热系数用等效导热系数来计算，其比热容用等效比热容来计算。4.热的传输问题

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

为了确定求解区域的边界条件，首先讨论传热学中的一些基本关系。 设某固体表面 的温度为 ，围绕固体表面的流体温度为 ，固体表面与流体之间的换热系数为 ，固体表面外法向方向为 。由传热学的知识，固体表面与围绕该固体的流体之间的热交换是以对流的方式进行的。 固体表面上对流换热

的热流密度为：

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

5.温度场的计算 直线电机作短时定额运行时，电机温度短时间内上升很快。由于是短时运行，电机的热负荷一般取得较高，这样会使电机在短时间内达到较高的温度，因此分析直线电机短时工作制下的温度场具有实际意义。具体来说，直线电机短时运行时，其温度的变化是一个动态的过程。 通过计算，直线电机短时定额运行30分钟结束时的温度场分布如图4所示：

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

在图4中，直线电机模型的最高温度出现在第11号槽的中央附近，为94.224℃，最低温度 出现在第一个槽的槽楔上，为28.895℃。 此外，在电机运行过程中，有时需要知道电机不同位置点的温度随时间变化的情况。而POST26后处理模块可以对模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理。以模型中不同位置的三个节点为例，如图5所示：

三个节点在模型中的编号分别为6640、8682和11，分别命名为Num1、Num2 Num3。利用POST26的后处理功能，得到如图6所示的直线电机不同位置的节点温度变化历程图，图中从上至下三条曲线分别代表了Num3、Num2以及Num1。

在图6中，直线电机不同位置的三个节点在短时间内温度随时间呈线性上升，动态直观的反映了直线电机不同位置的温度随时间的变化过程。 温度的测取采用在槽中埋置传感器的方法，通过温度显示控制仪实现温度的读取。传感器埋置的位置对应于图5中模型的三个节点位置。直线电机短时定额运行

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

30分钟结束时3个埋置点温度随时间变化曲线如图7所示：

对比图6和图7，计算结果与实验结果的误差在5℃以内，约为5%，这表明了扁平型直线电机二维计算模型和计算方法的准确性。6.结论 本文建立了扁平型直线感应电动机温度场的二维计算模型，确定了电机的热参数、热源以及边界条件。利用Ansys计算了直线电机短时定额运行时的温度场，并通过实验对计算的结果进行了检验。结果表明了计算模型和计算方法的准确性。

第七章 主要零件的计算（或验算）

7. 1 滚珠丝杠验算

滚珠丝杠副的设计计算:

直线电机驱动负载W1=3000N 最大W2=5000N 工作台最大行程 LK=1800mm 工作台导轨的摩擦系数:动摩擦系数μ=0.002 静摩擦系数μ0=0.004 快速进给速度 Vmax=85m/min 定位精度20 μ

m

/300mm 全行程25μm 重复定位精度10μm 要求寿命连续工作不少于50小时

表1

工作时间百分比 % 丝杠轴向载荷 (N) 切削方式 纵向切削力 垂向切削力 进给速度 Pxi(N) Pzi(N) Vi(m/min) 丝杠转速 r/min

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

快速进给 0 0 80 10 800 6000 1)确定滚珠丝杠副的导程

（1）

因伺服电机与丝杠是通过联轴器联接，i=1.25 由表1查得

Vmax=80m/min ；nmax=6000r/min 代入得： Ph=10.6mm

由于计算出的Ph值应取较大值圆整，因此 ：Ph=10mm 2）预期额定动载荷 （1） 按预期工作时间估算

（2）

轻微冲击取 fw=1.3 ；1～3取 已知：Lh=50小时 代入得：Cm=700N

（2）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算：

中预载取 Fe=4.5

；可靠性97%取fc=0.44

；

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

代入得:

取以上两种结果的最大值

3) 传动系统刚度 （1）丝杠抗压刚度 1）丝杠最小抗压刚度

Ksmin=6.6d2310/L1 （3）

Ksmin ：最小抗压刚度 N/d2 ：丝杠底径 L1 ：固定支承距离 Ksmin=575 N/

m

m

2

2

2）丝杠最大抗压刚度

Ksmax=6.6d2L1310/4L0(L1-L0) （4） Ksmax ：最大抗压刚度 N/

Ksmax=6617 N/

m

m

2

2

(2) 支承轴承组合刚度

1)一对预紧轴承的组合刚度

KBO=232.34 （5）

KBO：一对预紧轴承的组合刚度 N/

m

32

滚珠丝杠精度保持性试验台设计

dQ ：滚珠直径 mm Z ：滚珠数

Famax ：最大轴向工作载荷 N ：轴承接触角 由样本查出7602030TUP轴承dQ=7.144 Z=17 Kamax=8700 N/KBO=375 N/

m m

=60

是预加载荷的3倍

2）支承轴承组合刚度 由表13两端固定支承 Kb=2KBO Kb=750 N/

m

m

Kb ：支承轴承组合刚度 N/

3）滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 KC= KC(

Fr1/3

) （6） 0.1Cam

KC ：滚珠和滚道的接触刚度 N/KC ：查样本上的刚度 N/

m

FP ：滚珠丝杠副预紧力 N Ca ：额定动载荷 N

33

滚珠丝杠精度保持性试验台设计

由样本查得： KC=1410 N/FP=1000 N 得KC=920 N/

m

m；Ca=3600N；

4） 刚度验算及精度选择

（7）

（8）

F0=μ0W1 （9） 已知W1=5000N ，

F0= 20 N

F0 ： 静摩擦力 N

：静摩擦系数

=0.004

34

滚珠丝杠精度保持性试验台设计

W1 ：正压力 N

（2）验算传动系统刚度: Kmin=1.6F0/反相差值 (10) Kmin ：传动系统刚度 N

已知反向差值或重复定位精度为10 Kmin=222＞160

（3）传动系统刚度变化引起的定位误差 =1.7

m

（4）确定精度

V300p ：任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言， V300p≤0.83定位精度-定位精度为20V300p＜14.3

m

m/300

丝杠精度取为3级 V300p=12

m＜14.3

(5) 确定滚珠丝杠副的规格代号 已确定的型号：FFZD 公称直径：40 导程：10 螺纹长度：1900

35

滚珠丝杠精度保持性试验台设计

丝杠全长：2100 P类3级精度

FFZD4010-3-P3 /141031290 5) 验算临界压缩载荷 Fc ： N

丝杠所受最大轴向载荷Fmax小于丝杠预拉伸力F不用验算。

支承方式 简 图 K2 λ f 二端支承 1 3.142 9.7 7.2联轴器的选择及计算

7.2.1 联轴器的定义

联轴器主要是用来联接轴与轴，以传递运动与转矩。工作时把两轴联在一起，机器运转时两轴不能分离；只有在机器停车并联接拆开后，两轴才能分离。 7.2.2 联轴器的选择计算 （1）载荷计算

已知电机参数：伺服电机功率Pw＝4.4KW，转速n＝1500r/min,,故输出轴公称转矩为：

T?9550Pw4.4?9550＝28.01Nm (3-1) n1500由于机器起动时的动载荷和运转中可能出现的过载现象，因此应计算轴上的最大转矩，并作为计算转矩Tca。由于交流伺服电动机带动丝杠运转，工作台重达500kg，属于中等冲击载荷，根据《机械设计》表14-1选择工作情况系数KA=1.9

Tca?KA?T=1.9328.01Nm=53.22 Nm (3-2)

36

滚珠丝杠精度保持性试验台设计

（2）型号选择

根据计算转矩Tca及联轴器的类型，按照式（2-3）的条件由联轴器标准JB/T9147-1999中选用JM?型——带沉孔基本型联轴器，

Tca?[T] （3-3）

选用的型号为JM?4，公称转矩Tn=160Nm,最大转速为nmax=4500r/min,扭转刚度为3.123104rad/ Nm,转动惯量J＝0.0024kgm2,轴径在24～35mm之间，联轴器合用。 3.5键的选择和计算 7.3键的选择和计算 7.3.1与轴相连的键的选择

查《机械设计手册》第2卷，根据轴径为28mm，选择平键为837，L取45mm。因为平键为圆头平键，有效尺寸为：

l?L?8=45-8=37(mm) (3-4)

联接为动联接，查《机械设计手册》第2卷表5-3-17，取[P]＝40Mpa T?kld[P]0.5hld[P]0.5?7?37?28?40?72.52Nm （3-5） ?＝3332?102?102?10电机的额定转矩为28.4 Nm，瞬时转矩为71.1 Nm，键的强度满足要求，键的选择合理。 7.3.2与电机相连的键的选择

查《机械设计手册》第2卷，根据轴径为35mm，选择平键为10?8，L取40mm。因为平键为圆头平键，有效尺寸为：

l?L?10?40?10?30(mm) （3-6）

联接为动联接，查《机械设计手册》第2卷表5-3-17，取[P]＝40Mpa T?KDL[P]0.5hld[P]0.5?8?30?35?40?==84Nm （3-7） 3332?102?102?10电机的额定转矩为28.4 Nm，瞬时转矩为71.1 Nm，键的强度满足要求，键的选择合理。

7. 4 轴承的验算（疲劳寿命）

7.4.1轴承校核

在高速运转的情况下，轴承的失效形式主要的使点蚀破坏，除此之外，常见的失效形式还有滚道烧伤、保持架断裂、导轨磨损、润滑油失效（氧化或者焦化）以及过大的振动等，考虑到这些情况就需要对轴承的寿命进行校核。单个轴承，其中一个套圈或滚动材料首次出现疲劳扩展之前，一个套圈相当于

37

滚珠丝杠精度保持性试验台设计

另一个套圈的转数称为轴承的寿命。

轴承的基本额定寿命是指轴承中10 ％的轴承发生点蚀破坏，而90 ％的轴承不发生点蚀破坏前的转数（以106转为单位）或工作小时数，以L10表示：

已知选取角接触球轴承7006AC，轴承转速为1500r/min, 轴承预期寿命为Lh=1000h。轴向力

FA=109N，圆周力：

2T72.52?103Ft??＝1813N?m (3-8)

d40因为滚珠丝杠的螺母在轴的中间，所以径向力：

Fr1?Fr2?906.5N?m （3-9） 因为选用70000AC型，所以

Fd1?0.68Fr1＝0.683906.5N?m＝616.42N?m （3-10） Fd2?0.68Fr2＝0.683906.5N?m＝616.42N?m （3-11） FA?Fd1＝109+616.42＝725.42N?m （3-12）

所以

Fd2?FA?Fd1 （3-13）

因此

Fa2?FA?Fd1＝725.42N?m （3-14） Fa1?Fd1＝616.42N?m （3-15） Fa1616.42??0.68 （3-16） Fr1906.5Fa2725.42??0.80 （3-17） Fr2906.5所以

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

查《机械设计》表13-5，可得径向动载荷系数X和轴向动载荷系数Y分别为：

第一对轴承取：X1=1,Y1=0 第二对轴承取：X2=0.41,Y2=0.87

因为轴承运转中有中等冲击载荷，按《机械设计》表13-6，fp?1.5。则

P1?fp(X1Fr1?Y1Fa1)＝1.53（13906.5+03616.42）N＝906.5N (3-18)

P2?fp(X2Fr2?Y2Fa2)=1.53（0.413906.5+0.873616.42）N=908N (3-19)

因为P1?P2,所以按轴承2的受力大小验算

106C?106145003 Lh?()??()?45248h （3-20）

60nP260?1500908轴承预期寿命为Lh=1000h，显然，轴承满足要求。

7.5滚动导轨副计算

7.5.1 导轨的作用

机床的运动部件大都是沿着床身、立柱等支承见的导轨运动，因此，导轨的作用是支承和导向，也就是支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，精确地沿着确定的轨迹运动。因此对装配基准的导轨提出如下的要求：

1、导向精度 导向精度是指机床运动部件沿导轨移动时的直线性和它与有关基面之间相互位置的精确性。无论在空载或者切削工作时，导轨都应该有足够的导向精度，这是导轨的基本要求。

2、耐磨性 导轨的耐磨性是指导轨在长期使用过程中能保持其原有的导向精度。因导轨在工作过程中不可避免磨损，所以应该力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。

3、刚度 导轨受力后变形会影响部件之间的位置精度和导向精度。导轨受力后在受力发向抵抗变形的能力，称为导轨的刚度。设计时要求导轨应该有足够的刚度。

4、低速运动平稳性 运动部件低速移动时容易产生爬行现象，一方面会影响加工表面质量，同时会降低定位精度，故要求导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速运动时无爬行现象。 7.5.2直线导轨的选择

导轨（示意图见图3.1）是机床关键的部件之一，其性能好坏将直接影响机床的工作精度，承载能力和使用寿命。导轨的选择应满足：导向精度、耐磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单，工艺性好，

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滚珠丝杠精度保持性试验台设计

便于间隙调整、具有良好的润滑和保护等要求。

目前机床上常用的导轨，根据接触面的摩擦情况可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。我设计的试验台采用滚动导轨其特点有如下优点：

1）摩擦特性

滚动直线导轨副在摩擦特性方面具有突出的优点, 其摩擦阻力比滑动导轨小得多, 一般摩擦系数μ= 0. 002—0. 004, 为滑动导轨的1/50 左右, 起动摩擦和动摩擦近似相等. 在速度变化μ时值稳定, 运动轻快、灵活、平稳, 因而可实现高速运动(V ≥20m/m n) , 提高了生产效率.

2） 运动精度

由于滚动直线导轨副的摩擦极小, 因此在起动时无颤动, 低速下运动无爬行现象. 当施加预加载荷时, 可以消除间隙, 提高刚性和精度. 此外, 具有自动调心、补偿安装基面误差的功能,故其整体运动精度高, 因此可制成高精度、高性能的机械. 另外, 由于滚动直线导轨副具有很好的误差均化功能。

3） 寿命特性

在滑动导轨中, 大部分能量以磨损能的形式而消耗掉, 因而磨损快, 难以长期维持高精度.相反, 滚动导轨副摩擦小, 磨损少, 可以长期维持高精度. 另外, 由于滚动导轨副中采用了多个滚动体作为支承, 同时滚道沟槽能较容易地获得很高的加工精度, 因此滚动直线导轨副具有较长的工作寿命.

4） 承载特点

滚动直线导轨副具有较好的承载性能, 可以承受不同方向的力和力矩载荷, 如承受上下、左右方向的力, 以及颠簸力矩、摇动力矩和摆动力矩, 因此, 具有很好的载荷适应性. 在设计制造中加以适当的预加载荷可以增加阻尼, 以提高抗振性, 同时可以消除高频振动现象。 滚动直线导轨副的额定动载荷的计算公式为: C100B=bm3fc3lt

1/30

3i3Zt3DW3cosɑ (1)

0.72/32.1

fc=入324.53???2?rg?0.41

(2)??2?rg?Dw??式子中bm=1.3,入=0.9。这里给出的bm、入均为最大值，再生产过程中可能会小一点的值。 当量动载荷和额定寿命

当量动载荷为： P=kF3F (3) 滚动直线导轨副的额定寿命计算公式为：

40

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