基于空心强冷技术的滚珠丝杠机构设计.doc

学号： 密级： 本科生毕业论文（设计）基于空心强冷技术的滚珠丝杠机构设计 院(系)名 称：机电工程学院 专 业 名 称：机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 二一六年五月六日郑重声明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。 本人签名： 日 期：摘 要水平直线运动机构作为常见运动机构的一种，在生产生活中发挥了极其重要的作用。如加工机床主运动和进给运动等很多都用到了直线运动机构。本文简单地比较了几种常见直线运动机构的特点，选择了将滚珠丝杠机构作为设计对象。滚珠丝杠机构是为了适应机电一体化机械传动系统的要求而发展起来的一种新型传动机构，由丝杠、螺母、滚珠、导轨和轴承等零部件组成，具有传动效率高、启动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点。现代机床的发展，需要高的传动精度、定位精度，以及宽的进给调速范围，要求响应速度快，传动无间隙，传动机构稳定性好，寿命长，使用维护方便，滚珠丝杠机构正好适应了这种发展需要。本文对国内外滚珠丝杠副的发展现状进行了对比，找出国内外主要差距。通过对差距原因的分析之后，选择通过采用空心强冷技术降低滚珠丝杠副工作温升的方法提高其定位精度和中高速传动性能。本文以某小型数控铣床的X轴的工作条件为例，对滚珠丝杠机构各部分结构进行了详细地和介绍，选出了适合的结构，设计计算并校核了各部分的尺寸。关键词：水平直线运动机构；滚珠丝杠副；导轨；空心强冷技术 IABSTRACT Straight and level motion mechanism as a kind of common motion mechanism, play an important role in production and living. Such as machine tools main motion and feed movement many use the straight line motion mechanism. This article simply comparing the several kinds of common linear motion mechanism, the characteristics of the ball screw mechanism as the design object. Ball screw mechanism is in order to adapt to the requirement of mechanical and electrical integration of mechanical drive system and developed a new type of transmission mechanism, by screw, nut, ball, guides and bearing parts, such as high transmission efficiency, small starting torque, stable transmission sensitive, long working life. The development of modern machine tools, need high transmission accuracy, positioning accuracy, and wide feed speed range, demand response speed, transmission clearance, transmission mechanism has good stability, long service life, convenient in operation and maintenance, ball screw mechanism is used to the development needs. In this paper, the current development of ball screw pair at home and abroad are compared, find out the main gap at home and abroad. Through the analysis of the gap between the reason, after selection by using hollow strong cold technology reduces the working temperature of the ball screw pair method to improve the positioning accuracy and high speed transmission performance. Based on the working conditions, for example, a kind of miniature CNC milling machine of ball screw mechanism structure was introduced in detail, and the parts, choose the suitable structure, design calculation and check the size of each part.Key words: Horizontal straight line motion mechanism；Ball screw vice；Guide；Compulsively cool technologyII目 录摘 要IABSTRACTII第1章 引言11.1 常见的水平直线运动机构11.2 滚珠丝杠副的国内外发展现状21.3 技术方案31.4 小结3第2章 滚珠丝杠机构的结构设计52.1 滚珠丝杠机构的基本概况52.2 丝杠滚道的型面形状52.3 滚珠的循环方式62.4 螺母的预紧方法82.5 丝杠支承方式和轴承类型选择92.6 导轨的结构设计102.7 动力和传动机构的类型122.8 螺母的密封与滚珠丝杠副的润滑122.9 小结13第3章 滚珠丝杠副机构的参数设计143.1 滚珠丝杠副的参数计算与选用143.2 轴承的选用163.3 总定位精度校核173.4 导轨的参数设计183.5 联轴器的选用193.6 电机的选用203.7 小结22第4章 滚珠丝杠机构的三维模型244.1 丝杠的模型244.2 螺母的模型254.3 轴承及支承结构模型264.4 导轨及移动件模型274.5 总装模型274.6 小结28第5章 总结29致 谢30参考文献31第1章 引言1.1 常见的水平直线运动机构 齿轮齿条机构、曲柄滑块机构、凸轮机构、滚珠丝杠机构都是常用的直线运动机构。（1）齿轮齿条机构优点：承载力大； 传动精度较高； 可无限长度对接延续； 传动速度可以很高。缺点：若加工安装精度差，传动噪音大。（2）曲柄滑块机构优点：面接触低副，压强小； 便于润滑，磨损轻，寿命长，传递动力大； 低副易于加工，成本低； 可用作实现远距离的控制，可利用连杆实现较复杂的运动规律和运动轨迹。缺点：低副中存在间隙，精度低，且不容易实现精确复杂的运动规律。（3）凸轮机构优点：可以用在对从动件运动规律要求严格的场合，也可以根据实际需要任意拟 定从动件的运动规律； 可以高速启动，动作准确可靠。缺点：凸轮机构是高副机构，两构件接触点处为点接触或线接触，单位面积上承 载压力较高； 难以保持良好的润滑，故容易磨损，寿命低。（4）滚珠丝杠机构优点：传动效率高； 定位精度高； 启动力矩小； 传动灵敏平稳； 工作寿命长； 可实现微量及高速进给。缺点：不能自锁； 加工难度大，成本较高。滚珠丝杠副是顺应机电一体化技术而发展起来的一种新型传动机构，由丝杠、螺母、滚珠、导轨和轴承等组成，可以将回转运动转化为直线移动。现代机床需要高的定位和传动精度，以及宽泛的调速范围，对响应速度、传动机构稳定性好、寿命也有较高的要求，滚珠丝杠机构应运而生。滚珠丝杠机构不仅是各类数控设备的核心部件，还是机械工业领域中资本密集型和技术密集型的重要通用零部件。在线性传动家族中滚珠丝杠副是应用面很广，产业化程度较高的产品。而在机电一体化进程不断加快、高精密机床的使用日益广泛的今天，研究滚珠丝杠副被赋予了新的时代意义。对滚珠丝杠副的研究满足机电一体化的发展需要，顺应机械工业的发展趋势，具有广阔的技术前景。故本次设计对象选为滚珠丝杠机构。1.2 滚珠丝杠副的国内外发展现状自1874年通用公司申请滚珠丝杠机构专利至今已有一百多年的历史，在我国也有五十余年的发展历程。目前我国滚珠丝杠副与国外有较大差距，主要体现在如下方面：1. 在滚珠材料上，我国采用滚动轴承钢。在材料热处理方面也与国外有较大 的差距。2.滚珠的尺寸偏差随机性大。3.在高速性能方面，我国仅为50m/min。4.在振动、噪声方面，我国滚珠丝杠副与日本产品相比，一般要相差10dB以 上。5.在生产能力上，全国的年总产值仅与美国TIMKEN公司相当，不足日本的20%。国外现状：1. 在滚珠材料上，发达国家采用专用钢材。2. 在滚珠尺寸公差与旋转精度上，尺寸偏差的离散度方面小。3. 在高速性能方面，国外名牌产品的dn值达200 m/min。 4.在振动、噪声与异音方面，日本已推出静音及超静音产品。5. 生产能力上，由日本的THK、NSK和德国的INA、台湾的PMI领军，约占国内 市场的80%。 我国高档数控机床对滚珠丝杠机构的年需求量约为15亿元，但八成以上需要从国外进口，国产主要用于中、低档数控机床。因此，开展国产高性能滚珠丝杠的研究是非常迫切的任务。1.3 技术方案 目前国内滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是：噪声大、温升高、定位精度差。导致上述问题出现的根本原因归结为：1. 国产滚珠的材料主要为Cr、Mn合金钢，力学性能较国外Mo、Mn合金钢略 差，且热处理方法也有差距。2. 因为工艺精度的原因，国产滚珠的尺寸随机性误差较分散，各滚珠尺寸差 异略大。因这两个缺陷的制约，国产滚珠丝杠副在工作时平稳性较差，摩擦损失较大，发热严重。温度大幅度升高导致丝杠的线性膨胀严重，严重影响了定位精度；且破坏了润滑条件，使滚珠丝杠副的工作条件恶化，产生噪声，甚至出现胶合失效。正是这些原因限制了国产滚珠丝杠副的使用。要改善滚珠丝杠副，工艺精度和材料性能这两方面需要较长的时间去提高，且其不属于本课题的研究范围。所以本文打算从限制滚珠丝杠副的温升入手，并辅以螺母预紧，以提高滚珠丝杠副的工作性能。即： （1）空心强冷技术：将丝杠改为空心结构，工作时从轴端通入冷却的空气或 在轴端加装风扇大幅改善滚珠丝杠副的散热，限制温升。 （2）选择合适的轴承、螺母预紧力和预紧方法，限制丝杠和螺母的轴向窜动， 提高定位精度。1.4 小结本章简要对比了各种常见的直线运动机构的优缺点，阐明了研究直线运动机构的重要意义，选择了以滚珠丝杠机构作为设计对象。接着介绍了滚珠丝杠副的国内外发展现状，找出了国内外的差距，通过分析确定了空心强冷技术作为主要的改善方案。下章将以某小型数控铣床X轴的工作条件为例进行滚珠丝杠机构的结构设计，通过查阅相关资料，现将工作要求列于下表。已知某铣床的x轴用滚珠丝杠机构工作要求如表1.1所示： 表1.1 滚珠丝杠机构工作要求工作台重量工件及夹具最大重量工作台最大行程工作台导轨的摩擦系数快速进给速度加速时间定位精度使用寿命单班制 10年工作可靠性96% 第2章 滚珠丝杠机构的结构设计2.1 滚珠丝杠机构的基本概况 滚珠丝杆机构是以滚珠丝杠副为传动部件，以导轨作为导向和承载部件的直线运动机构。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。主要由丝杆、螺母、滚珠、导轨、轴承等组成。滚珠丝杠副有多种结构型式。按型面形状分，常见的有矩形、半圆弧形和双圆弧形等。按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。按预紧调整方式分为垫片预紧方式、螺纹预紧方式、齿差预紧方式等。2.2 丝杠滚道的型面形状常见的型面形状有矩形、半圆弧形和双圆弧形。（1） 矩形优点：制造容易，接触应力高，效率高。缺点：承载能力低，根部强度低。矩形型面只用在轴向载荷小、要求不高的场合。（2） 半圆弧形优点：磨削方便，加工精度高，有较高的接触强度。缺点：运行时摩擦损失大，接触角随初始间隙和轴向载荷大小而变化，必须严格 控制径向间隙。（3） 双圆弧形优点：有较高的接触强度，轴向间隙与径向间隙理论上为零，接触角稳定。缺点：加工复杂。 因本次设计的丝杠要求工作稳定，轴向窜动小，所以选用双圆弧形型面形状的丝杠。如图2.1所示：图2.1 双圆弧形型面2.3 滚珠的循环方式一、 外循环滚珠丝杠副外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环，以外循环为循环方式的滚珠丝杠副称为外循环滚珠丝杠副。常用的外循环方式分为插管式、端盖式、螺旋槽式。（1） 插管式在螺母外部引出导管连接滚珠回路两端。优点：它用弯管作为返回管道，结构工艺性好； 插管转角处半径较大，滚珠反向较流畅； 可做成多圈多列以提高承载能力； 对螺母削弱较小。缺点：由于管道突出螺母体外占据空间，径向尺寸较大； 导珠管两端管口耐磨性和抗冲击性较差，摩擦损失较大。（1）端盖式在螺母上加工一纵向孔，作为滚珠的回程通道，螺母两端的端盖上开有滚珠的导流器，滚珠由此进入回程管，形成循环。优点：结构紧凑，尤其适合于多头螺纹； 滚珠在螺母内和端盖间循环，高速运转时噪声也很低。缺点：回路孔和端盖交界处坡度陡急，摩擦损失大，容易引起滚珠跳动。（2）螺旋槽式在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道。优点：工艺简单，成本低； 轴向尺寸紧凑，外径也比插管式小。缺点：档珠器刚性差； 由于螺旋槽和回珠孔交接不圆滑，坡度陡急，增加了反向时的摩擦阻力， 易引起滚珠跳动。 总之，外循环工艺简单，应用较广。其缺点是滚道接缝很难做得圆滑，影响工作的稳定性，甚至发生跳珠现象，噪声也较大，效率较内循环低。二、 内循环滚珠丝杠副内循环滚珠丝杠副的滚珠在工作过程中始终与丝杠保持接触，通过螺母上的反向器进行循环。优点：滚珠返回通道短，非承载滚珠最少，故摩擦损失小，提高了传动灵敏度； 螺母轴向和径向尺寸都较小； 反向器刚性高，滚珠循环装置可靠性高； 反向器在螺母反向孔内自由浮动，可自由调整与螺母的回路对接，传动平 稳； 反向器一般用工程塑料制作，吸振性能好，且耐磨、噪声小，一次成型， 工艺成本较低，适用大批量生产。缺点：承载能力不如外循环 因本次设计的滚珠丝杠用于精度较高的机床，要求传动平稳、轴向尺寸紧凑，且应有较高的效率以减小发热引起的丝杠热伸长。所以选择浮动式内循环的循环方式。如图2.2所示：图2.2 浮动式内循环滚珠丝杠副1、滚珠；2、螺母；3、丝杠；4、反向器2.4 螺母的预紧方法（1）双螺母垫片调整法通过改变垫片的厚度，使螺母产生轴向位移，以产生不同大小的压缩应力。优点：结构简单，若把垫片做成剖分式，修配时无需拧下螺母； 调整后不易松动，刚性好。缺点：不能随时调整预紧力。（2）螺纹调整法旋转调整螺母使丝杠螺母产生轴向位移，并用锁紧螺母锁紧产生拉伸预紧力。优点：结构较简单，滚道有磨损时可随时调整预紧力。缺点：但不能精确调整位移量，因此也不能精确调整预紧力； 螺母轴向尺寸较长，会增大丝杠的长度，影响其刚性。（3）齿差式调整法在两端螺母的凸缘上分别切出齿数相差为1齿的齿轮。两个齿轮分别与齿圈相啮合。齿圈固定在螺母座上，预紧时移开齿圈，使两螺母转过相数量的齿，再合上齿圈。两螺母的轴向距离改变从而调整了间隙和预紧力。优点：可实现定量精密微调； 工作可靠，使用中调整方便。缺点：结构复杂，加工和装配工艺性能较差。 本次设计的滚珠丝杠用于精度较高的机床，要求螺母刚性较大、轴向尺寸紧凑。故选用双螺母垫片预紧。如图2.3所示：图2.3 双螺母垫片预紧法1、垫片；2、滚珠；3、丝杠；4、螺母2.5 丝杠支承方式和轴承类型选择 丝杠的支撑方式与其传动精度和刚度有很大关系，采用推力轴承为主的轴承组合来提高轴向刚度。（1）一端双向固定一端自由一端使用一对背对背安装的角接触推力轴承固定，另一端自由。优点：结构简单，成本较低。缺点：轴向刚度过低，只适用于较短和竖直的丝杠； 丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低。（2）一端双向固定一端游动一端使用一对背对背安装的角接触推力轴承固定，另一端用推力轴承支承游动。优点：热伸长时可以游动，适用于工作温升大、丝杠轴向尺寸较长的场合。缺点：轴向刚度低，轴向定位不精确； 压杆稳定性和临界转速较（1）大，还是存在失稳现象。（3）两端单向固定两端各用一个角接触推力轴承单向固定，采用背对背安装或面对面安装。优点：丝杠压缩或拉伸单向刚度大； 压杆稳定性和临界转速大，无失稳现象。缺点：预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比较低； 对热伸长较敏感，使用温升不大的场合。（4）两端双向固定两端各用一对背对背安装或面对面安装的角接触推力轴承双向固定。优点：轴向拉伸或安装刚度最高； 预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高； 承载能力大，适宜高速、高刚度、高精度的场合。缺点：对温度变化很敏感。各种支承方式比较如表2.1：表2.1 各承载方式的比较支承方式刚度承载能力失稳一端双向固定一端自由最低最低无一端双向固定一端游动较低较低无两端单向固定较高较高有两端双向固定最高最高有 因为本次设计的丝杠用于精度较高的机床，对轴向刚度和稳定性要求高，且采用了空心强冷技术，可以有效控制温升，所以选用两端各用一对背对背安装的角接触推力轴承双向固定。如图2.4所示：图2.4 两端双向固定2.6 导轨的结构设计 导轨的主要功能为承受安装在导轨上的工作台及工件的重量和切削力，引导工作台沿直线运动。一、 对导轨的要求 （1） 导轨精度高 导轨精度是指运动部件沿导轨移动时的直线和它与有关基面 之间的相互位置的准确性。无论在空载或切削工件时导轨都应有足够的导轨 精度，这是对导轨的基本要求。（2） 耐磨性能好 指导轨在长期使用过程中保持一定导向精度、补偿磨损间隙的 能力。（3） 足够的刚度 导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，故要求 轨道应有足够的刚度。（4） 低速运动平稳性 要使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速运动时无爬行现 象。（5） 结构简单、工艺性好 导轨的制造和维修要方便，在使用时便于调整和维护。二、 滑动导轨和滚动导轨（1）滑动导轨滑动导轨是一种做滑动摩擦的普通导轨。优点：结构简单，使用维护方便缺点：未形成完全液体摩擦时低速易爬行，磨损大，运动精度不稳定。滑动导轨用于机床和冶金设备上。（2） 滚动导轨滑动导轨是一种做滚动摩擦的普通导轨。优点：摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系数 差别小，低速时不易出现爬行现象，运动均匀平稳。缺点：导轨面和滚动体是高副接触，抗振性差，接触应力大，因此对导轨的表面 硬度要求高； 对导轨的形状精度和滚动体的尺寸精度要求高。滚动导轨在要求微量移动和精确定位的设备上。本次设计选用滑动导轨。三、 导轨截面形状的选择 因双三角形导轨两侧同时支撑导向，其接触刚度好，导向性好。且其两侧均匀磨损，对磨损具有自动补偿的能力，精度保持性好，可长期使用。非常适合本次设计的要求，所以选择双三角形导轨，并通过压块固定。如图2.5所示：图2.5 双三角形导轨2.7 动力和传动机构的类型一、联轴器的选用 联轴器根据能否补偿两轴相对位移分为刚性联轴器和挠性联轴器。因为丝杠工作平稳，且本设计中采用两端双向固定，轴向窜动极小，选用刚性联轴器即可满足使用要求。本次设计选用结构简单、成本低廉的凸缘联轴器。为避免在空心丝杠上开平键槽对丝杠的过大削弱，联轴器与丝杠的连接选为花键连接。如图2.6所示：图2.6 凸缘联轴器二、电机的选用滚珠丝杠副常用的电机有步进电机和交流伺服电机。相比前者的开环控制系统，交流伺服电机未闭环控制，对位置和转角的控制更加精确，不会出现丢步和过冲现象；在较小的转速下也不会出现低频振动现象，运转更平稳；加速性能较好，适用于快速启停的场合；无电信号输入时不会发生转动。以上特点非常有益于机床用滚珠丝杠机构，故本次设计的电机选用交流伺服电机。2.8 螺母的密封与滚珠丝杠副的润滑一、 螺母的密封滚珠丝杠副的密封方法分为接触式密封和非接触式密封两种。接触式密封主要采用密封橡胶圈，非接触式密封主要为迷宫式密封。因前者制造简单，密封性能较好，且价格低廉，应用较为广泛。故本次设计选用密封橡胶圈。二、 滚珠丝杠副的润滑一般采用脂润滑或滴油润滑，丝杠高速运转时采用喷雾润滑。本次设计丝杠为中低速运转，所以选用结构较为简单的脂润滑，可以满足本次设计的需要。2.9 小结本章对比了滚珠丝杠机构各部分零部件不同结构的特点，并选择了合适的结构，为下一章参数设计打下了基础。总结如表2.2：表2.2 滚珠丝杠机构结构设计汇总设计项目所选结构丝杠滚道的型面形状双圆弧形滚珠的循环方式浮动式内循环螺母的预紧方法双螺母垫片预紧丝杠支承方式两端各用一对角接触轴承双向固定轴承类型两对背对背安装的角接触推力轴承导轨类型压块固定的双三角形滑动导轨螺母的密封方式密封橡胶圈密封滚珠丝杠副的润滑方式脂润滑联轴器类型凸缘联轴器电机类型交流伺服电机第3章 滚珠丝杠副机构的参数设计3.1 滚珠丝杠副的参数计算与选用各种切削方式的纵向切削力Fa,速度v和时间比例见表3.1：表3.1 某数控铣床的工作情况切削方式纵向切削力Fa(N)速度v（m/min）时间比例q（ %）丝杠转（r/min）强力铣削20000.61560一般铣削10000.83080精铣500150100快速进给055500一、确定滚珠丝杠副的载荷（1）导轨摩擦力 （2）强力铣削时载荷 （3）一般铣削时载荷 （4）精铣时载荷 （5）快速进给时载荷 二、确定滚珠丝杠副的导程查表取标准值。三、确定当量转速四、确定当量载荷五、初选滚珠丝杠副(1)求得滚珠丝杠副的工作时间查表得寿命系数 、转速系数、（丝杠精度为13级），（可靠性为96%），(2)求得滚珠丝杠副的计算动载荷(3)选定滚珠丝杠副的型号由中华人民共和国专业标准（ZBJ 51005-89）滚珠丝杠副 螺母安装，连接尺寸选定型内循环浮动反向器双螺母、垫片预紧滚珠丝杠副，型号，额定动载荷 ，并改设为内径的空心结构，因丝杠的轴向承载能力主要取决于导程和线型，空心结构对滚珠丝杠副的承载能力影响不大，可满足载荷要求。（4）预紧力的确定 六、计算丝杠螺纹部分长度工作台最大行程+螺母长度+两端余程=七、计算支承距离支承跨距应大于，取。八、校核临界转速（1）确定丝杠底径查得的底径。(2)临界转速计算长度(3)计算临界转速查机械设计手册得两端固定安装时的支承方式系数=4.73。取安全系数则 r/min由于r/min，故符合转速要求。九、压杆稳定校核因两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性十、预拉伸计算(1)温升引起的伸长量设温升为2.5，则(2)丝杠全长伸长量(3)预拉力3.2 轴承的选用一、轴承型号因上一章选用了两端双向固定的支承方式，且丝杠中空直径，选择内径为的型号为的轴承四个。二、主要参数和尺寸由有关资料查得，滚珠数量，预紧力。三、校核额定动载荷轴承的最大轴向载荷为：，由于，进给方向是可变的，负载可能是或，二者机会相等，取平均值。查表得，又，则。由轴承动载荷计算公式有：，故该轴承合格。3.3 总定位精度校核一、丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移快速进给时：强力铣削时：精密铣削时：二、丝杠与螺母间的接触变形由标准查得滚珠丝杠副的接触刚度得：快速进给时：强力铣削时：精密铣削时：三、轴承的接触变形查得轴承的轴向刚度快速进给时：强力铣削时：精密铣削时：四、滚珠丝杠系统的总位移快速进给时：强力铣削时：精密铣削时：因出现在螺母在丝杠中部时，而和与螺母的位置无关，故丝杠的定位精度为，满足的定位精度要求。3.4 导轨的参数设计一、确定导轨的材料 因机床对导轨的耐磨性要求较高，且工作时冲击很小，采用钒钛耐磨铸铁作为导轨的材料，并与床身做成一体。二、确定运动件长度取运动件长度与丝杠螺母部分长度一致，即三、确定三角形导轨的顶角根据经验取。四、确定导轨长度取导轨长度与丝杠支承长度一致，即五、确定两导轨之间的距离由，取六、计算三角形导轨深度工作载荷，压力作用面积，由，有查表得铸铁的P为20MPa，即。为保证定位准确，取。3.5 联轴器的选用一、 丝杠的当量摩擦角取滚动摩擦系数，则二、 丝杠的升角三、 丝杠所需的最大工作转矩取滚动轴承效率，四、 凸缘联轴器的选用由上可知丝杠的最大转矩较小，丝杠轴端外径为，管厚为，在轴端加工出高度为的六齿矩形花键，则联轴器的内径应为。选用型孔径为的凸缘联轴器。五、 凸缘联轴器校核查得凸缘联轴器公称转矩，故该联轴器满足使用要求。六、 花键强度校核花键的压应力取载荷分配不均系数；花键齿数；花键工作齿高，取倒角，则；查机械设计课程设计的凸缘联轴器的连接长度为；因为是矩形花键，分度直径。则查得静连接花键的需用挤压应力，故花键符合使用要求。3.6 电机的选用根据以上已知条件选择型交流伺服电动机。一、 校核转矩条件取凸缘联轴器的效率为，则电机所需转矩查得型电机的额定转矩，满足转矩条件。二、 校核功率条件（1） 工作功率丝杠的机械效率电机所最大工作功率(2)快移功率已知加速时间，则惯性力快移时的最大功率选较大的快移功率进行校核，查得型电机的额定功率，满足功率条件。三、 校核转速条件查得型电机的额定转速，满足转速条件。四、 校核转动惯量条件丝杠的转动惯量取，则查得型凸缘联轴器的转动惯量，查得型电机的转动惯量，总转动惯量查得型电机的允许最大转动惯量，满足转动惯量条件。五、 校核加速转矩加速转矩查得型电机的极限转矩为，满足极限转矩条件。3.7 小结本章设计计算并校核了滚珠丝杠机构各零部件各部分的尺寸，为工程制图提供了尺寸的依据。现总结如下：表3.2 滚珠丝杠副的参数滚珠丝杠副型号螺纹部分长度支承跨距丝杠导程公称直径中空直径丝杠底径FFZD4310-31030120010402034.3钢球直径螺母外径法兰厚度法兰直径螺母总长丝杠总长法兰用螺栓7.14463181081481400表3.3 轴承的参数 轴承型号内径外径宽度润滑方式数量7602030-TVP306216脂润滑4表3.4 导轨的参数导轨材料导轨的顶角运动件长度导轨长度两导轨之间的距离导轨深度钒钛耐磨铸铁130120010010表3.5 联轴器和电机型号联轴器型号内径连接长度连接类型电机型号矩形花键第4章 滚珠丝杠机构的三维模型4.1 丝杠的模型 丝杠的三维模型如图4.1所示：图4.1 丝杠的模型 左端为花键，与丝杠做成一体。丝杠整体采用空心结构，详见图4.2。图4.2 丝杠的侧视图 丝杠型面细节见图4.3。图4.3 丝杠的型面4.2 螺母的模型 本次设计的丝杠螺母为双螺母垫片的组合螺母，具体结构如图4.4所示：图4.4 螺母的模型1、密封橡胶圈；2、浮动式反向器；3、金属垫片；4、螺母 反向器由减摩性和抗老化性较好的工程塑料制成，可以在螺母上沿径向浮动，以保证滚珠顺利循环反向。螺母具体内部结构详见图4.5。图4.5 螺母内部结构图4.3 轴承及支承结构模型 由前几章的分析，本次选用两对角接触轴承，两端双向固定支承。具体结构如图4.6所示：图4.6 轴承及支承结构模型图中两个轴承为背对背安装，为便于拆卸和修整垫片调整丝杠预拉伸量，轴承座采用了剖分式结构。细节如下剖面图/4.7所示：图4.7 轴承及支承剖面图1、轴承端盖；2、密封圈；3、垫片；4、轴承套；5、轴承；6、机座 轴承左端由轴承端盖1定位，右端由轴承套4和丝杠轴肩定位。可以通过改变垫片3的厚度调整丝杠的预伸长量和预拉力，丝杠由密封圈2对外部密封。4.4 导轨及移动件模型 由前几章讨论选择了双三角形导轨，具体结构如图4.8所示：图4.8 导轨及移动件模型 图示为双三角形导轨，其向Z轴正向的自由度由压板限制。4.5 总装模型 总装模型如图4.9所示：图4.9 滚珠丝杠机构总装模型4.6 小结本章分结构介绍了滚珠丝杠机构的各零部件及其作用，可以让读者更直观地了解滚珠丝杠机构的原理及功能。由于本人技术有限，有些模型处理不到位，不能完全地反映零件的真实状况，本章模型仅作为参考使用。第5章 总结 本文对国内外滚珠丝杠副的发展现状进行了对比，找出国内外主要差距。通过对差距原因的分析之后，选择通过采用空心强冷技术降低滚珠丝杠副工作温升的方法提高其定位精度和中高速传动性能。并以某小型数控铣床的X轴的工作条件为例，对滚珠丝杠机构各部分结构进行了详细地和介绍，选出了适合的结构，设计计算并校核了各部分的尺寸。 在常规FFZD滚珠丝杠副的参数基础上，通过改变其为空心结构，并用改善后的结构进行设计计算和校核，使其满足使用条件。相比常规结构，空心结构的承载能力和临界转速降低不大，却能大幅度地降低工作温升，减小热伸长引起的定位精度误差和润滑条件恶化，大大改善了滚珠丝杠副的工作条件。 致 谢 历时将近两个月的时间终于完成了这次的设计，在论文的写作过程中遇到了很多的困难和障碍，所幸都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师，他对我进行了多次指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的管理员也给为我提供了多方面的支持。在此向帮助我的各位表示最衷心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了多位作者的研究文献，如