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1、哈尔滨理工大学学士学位论文滚珠丝杠及丝母预紧力检测装置设计摘要滚珠丝杠是目前世界上应用最广泛的一种传动形式，它具有传动效率高、启动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点。但是由于制造和装配的误差，滚珠丝杠副总是存在间隙，同时，滚珠丝杠在轴向载荷的作用下，滚珠和螺纹滚道接触部位会产生弹性变形，影响滚珠丝杠的传动精度。本文在对滚珠丝杠的原理、结构形式及其发展进行系统、全面的总结后，结合大量国内外参考资料，对滚珠丝杠副结构的改进和引起误差的原因及常见的故障类型进行了总结。并结合有关理论和实际经验对传统的滚珠丝杠副预紧力检测装置进行了较全面的分析，以便吸取其优点。同时对滚珠丝杠副预紧力的作用及应用进行
2、了进一步的总结。在此基础上先行制定了一种新型滚珠丝杠副预紧力测控装置连续可调预紧装置的设计方案。然后对该装置的材料、结构及性能进行了较全面的设计分析及理论校验，同时，结合实际要求对该装置的驱动器及电源部分进行了选择、设计。最终设计出一种以压电陶瓷为基础，体积小、测量精度高、调整距离长的新型滚珠丝杠副预紧力检测装置。这种新型滚珠丝杠副预紧力检测装置不但综合了传统的预紧方式的优点，并弥补了传统预紧检测装置不能直接测量预紧力的缺点。随着伺服驱动和测控技术的发展，能够进行实时测量补偿的连续可调预紧装置会有广阔的市场和发展前景。关键词滚珠丝杠；预紧力检测；连续可调预紧装置；压电陶瓷The design
3、of the ball screw and nut preload detectorAbstractThe stave with rolling wires is by far the most widely used form of a transmission. It has advantages, such as high efficiency, smooth and sensitive transmission, short starting torque the advantage of long working life. However, due to manufacturing
4、 and assembly errors, gaps appear. At the same time, the influence of the axial load will produce elastic deformation between the contact areas so as to influence the transmission accuracy. In this paper, the principle of ball screw, structure and development of the system, a comprehensive summary,
5、with a large number of domestic and international reference materials, structural improvements to the ball screw and cause for the error and common type of fault are summarized. The theory and practical experience are combined to the traditional ball screw preload detection device for a more compreh
6、ensive analysis, in order to draw its advantages. While the ball screw preload role and application of a further sum.Wherefore, on the basis of the traditional form, it develops a design of the new type of adjustment device - continuously adjustable preloading device. Then analysis on the device mat
7、erials, structure and performance with a more comprehensive and, combined with the practical requirements conduct the device drivers and power part of the selection, design. Ultimately to design a piezoelectric ceramic-based, small size, high accuracy, adjust the distance long ball screw preload new
8、 detection device.The new ball screw preload detector not only combines the advantages of the traditional way preload and tightening up the shortcomings of the traditional detection devices can not directly measure the preload. With the servo driver, measurement and control technology, the continuou
9、sly adjustable preload device that it must have a broad market and a bright future.Keywords the stave with rolling wires，preloading force test，continuously adjustable preloading device，piezoelectric ceramic不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的研究背景11.2 国内外的发展与研究现状11.2.1 滚珠丝杠副的发展简史11.
10、2.2 滚珠丝杠副的国外研究与发展现状31.2.3 滚珠丝杠副的国内的研究与发展现状41.2.4 滚珠丝杠副发展前景及制约因素51.3 课题的研究内容6第2章 滚珠丝杠及丝母72.1 滚珠丝杠副的结构及特点72.1.1 滚珠丝杠副的结构及特点72.1.2 滚珠丝杠螺母副的特点82.1.3 滚珠丝杠螺母传动的结构82.2 滚珠丝杠副误差补偿及故障诊断102.2.1 滚珠丝杠螺母副误差的主要来源及其解决方法102.2.2 滚珠丝杠螺母副常见的故障诊断112.2.3 滚珠丝杠螺母副的优化前景122.3 滚珠丝杠副的预紧132.3.1 滚珠丝杠副的预紧132.3.2 单螺母滚珠丝杠的预紧方式142.3
11、.3 双螺母结构的预紧方式142.4 滚珠丝杠副预紧力在装配中的确定及应用162.5 预紧力的变化对滚珠丝杠副的影响172.6 本章小结17第3章 滚珠丝杠副预紧力检测装置193.1 滚珠丝杠副的预紧力检测193.2 新型滚珠丝杠副预紧力检测装置203.2.1 连续可调预紧装置的设计思路203.2.2 连续可调预紧装置的选材213.3 保持架的设计233.3.1 内外保持架尺寸的确定253.3.2 钢垫尺寸的确定273.3.3 键的校核283.4 新型滚珠丝杠副预紧力检测装置的电源设计293.4.1 驱动电源的设计303.4.2 单片机、A/D及D/A转换器的选择303.4.3 压力传感器信号
12、放大装置的选择303.4.4 保护器件的选择303.4.5 控制系统的结构313.5 新型预紧力检测装置的特点313.6 本章小结31结论32致谢33参考文献34附录36千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- V -第1章 绪论1.1 课题的研究背景滚珠丝杠副是在丝杠与螺母螺旋槽之间放置适量滚珠作为中间传动体，借助滚珠返回通道，构成滚珠在闭合回路中循环的螺旋传动机构。滚珠丝杠是目前世界上应用最广泛的一种传动形式，它具有传动效率高、启动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点。但是由于制
13、造和装配的误差，滚珠丝杠副总是存在间隙，同时，滚珠丝杠在轴向载荷的作用下，滚珠和螺纹滚道接触部位会产生弹性变形，影响滚珠丝杠的传动精度。通常采用施加预紧力的方法提高滚珠丝杠的轴向刚度和传动精度。通过施加预紧力，可以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，而且，可以将整个螺母丝杠副的弹性变形量减少到最小，从而提高滚珠丝杠副的刚度及精度。传统的获得滚珠丝杠预紧力的方法都是通过扭矩测量而间接获得，因而不能精确反映预紧力的大小，且不能随时精确地补偿因磨损而增大的间隙，不能保证稳定的精度。因此能够进行实时补偿的连续可调预紧装置对于滚珠丝杠副的传动稳定性，对于提高整个滚珠丝杠副的传动精度及效率是非常重要的。同时
14、随着测控技术的发展，能够进行实时补偿的连续可调预紧装置也一点一点走进人们的视线，并有取代手动机械装置的趋势。1.2 国内外的发展与研究现状1.2.1 滚珠丝杠副的发展简史滚珠丝杠副自1874年在美国获得专利至今已有100多年的历史，德国在1879年获得专利，1906年英国也获得专利，而且都介绍了滚珠丝杠传动的多种设计方法。但在发明后的相当长的一段时间里，滚珠丝杠副都因制造难度太大、成本太高而未能得到实际应用。世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司，它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上。并且从1940年期，美国就开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副。由于设计技术、制造工艺特别是精密螺纹
15、磨削技术的发展，到了1943年，精密滚珠丝杠副传动开始应用于航空机械。1947年，数字控制机床的出现，滚珠丝杠副就成了数控机床较理想的进给元件。之后，敬慕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，并且数控机床和各种自动化设备的发展，更促进了对滚珠丝杠副的研究，同时也加速扩大了滚珠丝杠副的生产规模。从50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。如美国的WARNER-BEAVER公司、GMSAGINAW公司；英国的ROTAX公司；日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。近三十年来，滚珠丝杠副所具有的高速度、高精度等优良性能随着现代化机械的发展而得到前所
16、未有的广泛应用。目前滚珠丝杠副的几种结构如如1-1，除了传统的应用行业如数控机床、机械传动、汽车行业等之外，精加工后的精密滚珠丝杠还广泛应用于某些特殊领域，如航空、宇航、石油钻井、核工业等，并且部分产品早已民用化。图1-1 几种常见的滚珠丝杠现代机床业的发展日益向着自动化、高速化、精密化、柔性化、智能化的方向发展，机床的结构力求简单、可靠、部件专业化，其基本组成部分为数控部分、传动部分、加工部分。其中的传动部分与加工部分的代表部件为直线导轨、直线电动机、滚珠丝杠副与电主轴。现代机床的发展，需要高的传动精度、定位精度，以及较宽的进给调速范围，要求响应速度快，传动无间隙，传动机构稳定性好，寿命长，
17、使用维护方便，滚珠丝杠副正好适应了这种发展的需要。滚珠丝杠副有很多优点，主要为传动效率高，约为92%96%，可消除轴向移动产生的间隙，定位精度高，刚度高，运动平稳，同步性能好，无爬行现象，传动精度好。还有就是滚珠丝杠副是将旋转运动转变为直线运动，因此丝杠及螺母都可以作为主动件，磨损小，使用寿命长。但滚珠丝杠副制作工艺复杂，精度要求高，切不能自锁。目前滚珠丝杠还有迅速的发展中，随着新工艺的发展及制造技术的进步，滚珠丝杠副的发展将大幅度的提高1。1.2.2 滚珠丝杠副的国外研究与发展现状由于滚珠丝杠副独特的优良技术性能，其研究迅速得到了世界许多国家的高度重视，滚珠丝杠传动的应用也随之扩展到其它领域
18、中。随着机床自动化的发展，特别是1965年数控机床的出现，促进了滚珠丝杠副产品的品种和规格的发展。质量和产量的提高，推动了设计技术和制造工艺的进步，迅速研制了加工和磨削滚珠螺母的专用机床。随着新工艺的发展，制造技术的进步，大幅度的提高了滚珠丝杠副的生产效率和质量，同时缩短了生产的周期，降低了成本，反过来又促进了滚珠丝杠副品种和规格的扩大、质量和产量的进一步提高、系列化等方面的重大发展。在19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，1940年，美国开始成批生产用于汽车转向机
19、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50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、GMSAGINAW公司；英国的ROTAX公司；日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。随着数控机床的发展，“高速、高效”成为各厂家追求的目标，对于高速驱动与定位部件，国外已有直线电动机问世，开始用于加工中心，快速进给速度达到 160m/min以上，加速度达4g以上，向滚珠丝杠副提出严峻的挑战。但由
20、于直线电动机存在价格昂贵、控制系统复杂、需采取措施解决磁铁吸引金属切屑、强磁对人身危害以及发热等缺点，在近一段时间很难得到普及。滚珠丝杠副仍是现在高速驱动的最优先选择，国外大部分高速加工中心仍使用滚珠丝杠副。为了达到高速驱动目的，设计时在提高电动机转速(电动机最高转速可达4000r/min)的同时，使用大导程滚珠丝杠副，导程可达32mm。如日本马扎克公司在 FF660机床上使用滚珠丝杠副，机床快速移动速度达90m/min，加速度达1.5g2。近几十年来，随着国际制造业高速化，精密化发展进程的加速，滚珠丝杠副的发展得到了前所未有的机遇。海外众多的滚珠丝杠副生产企业，不断加大对滚珠丝杠副的研究力度
21、，通过技术创新，不断地推动着滚珠丝杠副的发展。由于滚珠丝杠副的使用不断普及，使用领域不断扩大，对滚珠丝杠副的要求也越来越多，普通规格的滚珠丝杠副已远远满足不了使用要求，如航天航空领域、小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置等基本上都需要公称直径d012mm，导程Ph=0.52.5 mm的微型滚珠丝杠副。日本NSK公司已开发出公称直径d0=4mm，导程Ph=0.5mm的世界最小导程微型滚珠丝杠副。半导体插件装置、小型机器人等需要微型大导程滚珠丝杠副，以满足高速驱动要求。例如我国台湾HIWIN（上银）公司推出对滚珠螺母实施强冷的低温高速滚珠丝杠副，汉诺威EM02001展会上首次亮相，d 值高达2
22、0万；德国Ware Electric公司所生产的冷轧滚珠丝杠精度已经达到0.013mm/300mm；日本NSK，THK，台湾HIWIN，PMI等公司都先后根据高温、真空、核电站、太空舱设备等特殊条件下使用的滚珠丝杠副，推出防尘、自润滑、免维修新技术产品，例如THK的高含油率、高密度纤维网QZ自润滑装置，NSK的“NSKK1润滑装置“等3。由于设计制造等技术的进步，滚珠丝杠副的结构也有着一定的改进和变化，比如说日本THK公司已经将带有保持架的滚珠丝杠副产品化，其产品的综合性能得到了很大的提高。随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展，工业机器人、数控锻压机械、加工中心以及机电一体化自动机械等，其
23、进给驱动速度不断提高，大导程滚珠丝杠副的出现，满足了高速化的要求。日本NSK公司已开发出公称直径导程为：15mm40mm、16mm50mm、20mm60mm、25mm 80mm超大导程滚珠丝杠副，快速进给速度达180m/min。从前，担心大导程滚珠丝杠副驱动对加工中心精度的影响，设计时取导程Ph10mm。随着科学技术的进步，从1999年日本国际机床展览会上可看出，设计与研究现在大部分高速加工中心都使用大导程滚珠丝杠副4。由上面国际各大滚珠丝杠副生产企业的产品发展趋势可以总结出未来国际上滚珠丝杠产品的主要发展方向，如下：（1）随着制造业的发展，高速度、高精度、高刚度、高可靠性、低振动、低噪声、地
24、文升的滚珠丝杠副将成为滚珠丝杠副性能发展的主要方向；（2）冷轧滚珠丝杠副也由于其自身的特殊性将成为发展方向之一；（3）根据特殊领域的需要，特定用途的滚珠丝杠副，如适应宇航工业、卫星、电子产品行业等的微型滚珠丝杠副，在高温、真空、核电站、太空舱设备上使用的绿色环保滚珠丝杠副等都将得到一定的重视。1.2.3 滚珠丝杠副的国内的研究与发展现状我国早在20世纪50年代末期就开始研制滚珠丝杠副，并于1964年自行研制出第一套滚珠丝杠副。开始阶段主要是引进国外的滚珠丝杠副加以研究并生产，之后于1973到1978年期间，我国滚珠丝杠副的生产开始了按系列化标准分工布点的小批量生产，近几十年来，人们对滚珠丝杠副
25、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。同时，在此期间我国的部分学者也开始了对滚珠丝杠副的基础理论的研究，其中以1976年清华大学精密仪器系所编写的数控机床中的滚珠丝杠副对滚珠丝杠副的介绍比较系统，该文章主要介绍了滚珠丝杠副的结构、工作特性、加工工艺及设计计算等内容；以华东工程学院（现南京理工大学）的施祖康在滚珠丝杠副的承载能力及寿命方面的研究比较深入，该文主要介绍了经典的Lundberg-Palmira滚动疲劳统计理论及滚珠螺母的工作行程对承载能力的影响；同时
26、姜学文翻译的滚珠丝杠副的原理与应用、滚珠丝杠负的现状，邹有洪翻译的滚珠丝杠副及预加载荷的确定；1978到1982年，我国滚珠丝杠副的发展主要是学习国外先进经验和技术，并展开滚珠丝杠副基础元件攻关，同时进行产品的更新换代，在此期间主要的滚珠丝杠副理论研究论文有沈守范的滚珠丝杠的微分几何问题，施祖康所写的滚珠丝杠副的弹性接触问题，涨潮鹏所写的滚珠螺旋传动新型回珠槽曲线的设计与分析；到上世纪90年代，我国加入了ISO组织，生产规模扩大，并且期间在科研方面也取得了较大的进展，比如说对疲劳寿命，反向器空间曲面数学模型CAD软件的研究等；90年代至今，随着我国滚珠丝杠副应用范围扩展到民用工业和国防工业，对
27、滚珠丝杠副的研究方向也多集中于生产与检测方面，理论与设计方面的相对系统的研究几乎没有，仅有一些较分散的研究，主要包括华中科技大学孙健利的滚珠丝杠副的高速化技术研究学士学位论文，赵训贵、平舜娣的有关滚珠丝杠副接触角的研究，邹小琦的有关滚珠丝杠副可靠性设计的研究及其他学者、研究人员对滚珠丝杠副的优化设计，刚度计算等的研究。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。在企业方面，我国主要生产滚珠丝
28、杠副的大型企业及研究所如南京工艺装备制造厂、汉江机床股份有限公司、北京机床研究所等在生产过程中不断的总结、探索、创新，并与各高校合作，在滚珠丝杠副的生产、加工制造、实践及试验数据处理等方面积累了一些经验，对滚珠丝杠副的发展起了不可忽视的重要作用。近年来机械部北京机床研究所在滚珠丝杠的理论、测量、试验、高速化、精密化等方面的研究也十分突出。1.2.4 滚珠丝杠副发展前景及制约因素滚珠丝杠副在我国的发展已经有五十多年的历史了，但是在近二十年来随着数控机床的广泛应用，滚珠丝杠副的应用也随之扩展到民用工业和国防工业。并且滚珠丝杠副逐渐向精密高速化、高承载、高效率三个方面发展。目前国内滚珠丝杠副在高速驱
29、动时主要存在的问题是：噪声、温升、精度。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，提高产品的内在质量；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，促使国内很多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5。1.3 课题的研究内容采用滚珠丝杠副作传动元件的精密数控机床，尤其是开环控制系统中的数控机床，由于其控制系统不具备误差补偿功能，因此运动精度的优劣完全取决于滚珠丝杠副的制造精度，特别是
30、滚珠丝杠副的反向定位精度。因此精密机床对滚珠丝杠副的反向定位精度要求较高，要求保证在负荷作用下，反向时完全消除空程死区。而反向空程死区的消除一般靠在丝杠与螺母间预先附加一定的预紧力，使滚珠丝杠处于预紧状态。但是滚珠丝杠工作一段时间后，由于磨损及其它原因诸如地区温差等，常出现预紧力降低，达不到使用要求，降低了机床的加工精度。因此要设计新的滚珠丝杠副预紧力测控装置就要对滚珠丝杠副有比较深入的了解，包括滚珠丝杠副的结构、原理，滚珠丝杠副的应用及工作原理，还有滚珠丝杠在使用中遇到的误差检测、故障及其维护等等；在技术方面就要结合目前国际及国内已有的理论研究和科学技术。并且以往的滚珠丝杠副预紧力测量装置均
31、是通过扭矩间接测得，因而不能准确的确定预紧力的真实大小，所以在参考已有的资料后，针对滚珠丝杠副的特点设计了一种连续可调预紧装置。在研究过程中遇到的主要问题是根据滚珠丝杠的特点进行自动调节装置的设计及根据所选装置大位移的实现。由于压电陶瓷所具有的压电特性，可以通过对压电陶瓷驱动器通电压的大小来来控制其伸缩量的大小。虽然单个压电片伸缩量有限，但通过多个压电片的叠加成功的实现了自动调节装置大位移的实现。通过对压电陶瓷驱动器的改造，成功的设计了一种圆环形驱动器即自动调节装置针对以上的问题及要求本次课题研究的主要内容如下：1.对滚珠丝杠的原理、结构形式及其发展进行较系统、全面的总结。2.在阅读大量国内外
32、参考资料后，对引起滚珠丝杠的误差及其常见的故障类型进行分析和总结。3.结合有关理论及实际经验对滚珠丝杠副预紧力的确定提供理论及实际依据。4.设计一种滚珠丝杠副预紧力测控装置，要求测控装置操作方便、测量准确。第2章 滚珠丝杠及丝母2.1 滚珠丝杠副的结构及特点2.1.1 滚珠丝杠副的结构及特点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
33、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2.1.2 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 滚珠丝杠螺母传动效率92%96% ，比滑动丝杠螺母的20%40%提高24倍，而消耗的功率仅为滑动丝杠螺母的1/41/32.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
34、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。2.1.3 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
35、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7。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
36、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8。图2-4内循环式结构1.滚珠丝杠 2.螺母 3.滚珠 4.反向器2.2 滚珠丝杠副误差补偿及故障诊断随着科学技术的不断发展，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切能平
37、稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有较高的精度，而且运转平稳，无阻滞现象。因此对当前数控机床滚珠丝杠螺母副的误差及补偿方法和滚珠丝杠副在使用过程中出现的故障进行了归纳和分析。2.2.1 滚珠丝杠螺母副误差的主要来源及其解决方法滚珠丝杠螺母副常见的误差及补偿方法如下：1反向间隙误差补偿滚珠丝杆螺母副的轴向间隙是指静止时丝杆与螺母之间的最大轴向窜动量，这个窜动量包括结构本身的游隙以及轴向加载后弹性变形造成的窜动。滚珠丝杆螺母副的轴向间隙直接影响其传动刚度和传动精度，尤其是反向传动精度，反向间隙会造成在工作台反向运动时，电动机空走而工作台不运动，从而造成半闭环系统和全闭环系统的位置环振荡不稳定。滚珠丝杆
38、螺母副的轴向间隙是负载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。因此要把轴向间隙完全消除相当困难。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达0.05mm，而双螺母经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙。所以现在常以双螺母预紧方式消除滚珠丝杆螺母副的轴向间隙，以提高滚珠丝杆螺母副的传动刚度和传动精度。近几年来,人们对滚珠丝杠螺母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螺母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。滚珠丝杆螺母
39、副的间隙的消除方法就是对双螺母结构进行预紧，调整的方法有以下几种：(1)螺母垫片调隙式，通过调整垫片的厚度使左右螺母间产生轴向位移，从而达到消除间隙和产生预紧和目的。(2)螺母螺纹调隙式，两个螺母以平键与螺母座相连，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹，两个圆螺母能使螺母相对于丝杠做轴向移动，从而补偿间隙误差。(3)双螺母齿差调隙式，在两个螺母的凸缘上分别制有齿数为z1、z2的圆珠笔柱齿轮，且齿数差z1-z2=1。两个内齿圈和外齿轮齿数分别相同，并用螺钉和销然固定在螺母座的两面三刀端。调整时先将内齿圈取下，根据间隙的大小将两个螺母分别向相同的方向转过一个或多个齿，使螺母在轴向移近相应的距离达到消除
40、间隙的目的。间隙消除量可用下式计算：=zt1/z2或z=z1z2/t（式中，为两螺母在同一方向转过的齿数；t为滚珠丝杠的导程；z1、z2 为齿轮的齿数。）(4)变螺距螺母调隙式，在螺母体内的两列滚珠链之间使内螺纹滚道在轴向产生一个L0的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧，从而补偿间隙误差。(5)滚珠选配法调隙式，根据间隙的大小，选择合适的滚子，从而补偿间隙误差。2螺距误差补偿滚珠丝杠螺母副要制造过程中误差是难免的。要得到超过滚珠丝杠精度的运动精度，必须用螺距误差补偿功能，利用数控系统对误差进行补偿与修正。另外，由于数控机床经过长时间使用后，磨损，精度可能下降，可用螺距补偿功能进行定期
41、检查和补偿。螺距误差补偿是将数控机床某轴的指令位置与高精度位置测量系统所测得的实际位置相比较，计算出在全行程上的误差分布曲线，将误差以表格的形式输入数控系统中，数控系统在控制该轴运动时，会自动考虑到该差值并加以补偿9。2.2.2 滚珠丝杠螺母副常见的故障诊断1.滚珠丝杠副噪声大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丝杠、螺母、反向器之间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,提高产品的内在质量;选取适
42、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。还有些其他原因：(1)丝杠支撑轴承的压盖合情况不好；(2)丝杠支撑轴承可能破损；(3)电动机与丝杠联轴器松动；(4)丝杠润滑不良；(5)滚珠丝杠副滚珠有破损。解决方法：(1)调整轴承压盖，使其压紧轴承端面；(2)更换新轴承；(3)拧紧联轴器锁紧螺钉；(4)改善润滑条件使润滑油充足；(5)更换新滚珠。2.滚珠丝杠运动不灵活分析故障原因：(1)轴向预加载荷过大；(2)丝杠与导轨不平行；(3)丝杠弯曲变形；(4)丝杠螺母内有脏物或铁屑。解决方法：(1)调整轴向间隙和预加载荷；(2)调整丝杠支座位置，使之平行；
43、(3)校正丝杠；(4)清洗螺母内部，清除脏物和铁屑。3.滚珠丝杠副润滑状况不良分析故障原因：(1)检查各滚珠丝杠副润滑；(2)检查滚珠丝杠的支撑轴承润滑。解决方法：(1)用润滑脂润滑的丝杠需移动工作台取下罩套，涂上润滑脂；(2)定期添加新的润滑脂。4.滚珠丝杠运行精度不良分析故障原因：(1)丝杠间隙增大；(2)反向间隙变大；(3)丝杠窜动。解决方法：(1)修磨滚珠丝杠或调整螺母垫片，重调间隙；(2)重新测量反向间隙，进行设置补偿；(3)拧紧轴向轴承的紧固螺母。总之，要排除滚珠丝杠螺母副故障的故障,应首先掌握滚珠丝杠螺母副工作原理，再根据现象判断其产生原因，最后检查各相关元件的状态、位置、外观等
44、，本着从简到难,由外到内,这样便可排除故障,提高数控机床的使用寿命及效率10-11。2.2.3 滚珠丝杠螺母副的优化前景随着数控机床的告诉化，高速滚珠丝杠副需求量不断地增加，而告诉滚珠丝杠副是精密滚珠丝杠副与大导程滚珠丝杠副性能的综合，因此设计告诉滚珠丝杠副时要合理选择丝杠的转速与导程。一般高速滚珠丝杠副的导程较大，如用内循环结构、反向器尺寸较大，承载的钢球就会减少，切钢球高速运动时流畅性差，因此内循环方式不适于做高速滚珠丝杠副而外循环插管式或者端盖式结构简单，承载大，不受导程的限制，因此，可以被选作高速滚珠丝杠副的结构。同时，要使滚珠丝杠副实现高速化，还需要解决以下问题：1. 滚珠丝杠副的振
45、动与噪声滚珠丝杠副在高速运行时产生的噪声主要是滚珠在导珠管进出口（插管式外循环）碰撞以及滚珠与滚珠之间的摩擦而产生的，因此，在循环过程中钢球的反向点设计是非常重要的，它直接影响滚珠的振动及与导珠管的碰撞。因此，要合理选取反向角。滚珠在整个循环回路中运动不流畅是产生噪声的根本原因。螺纹滚道面形状以及表面质量等都会影响滚珠运行的流畅性。此外，为了减少滚珠和滚珠之间的碰撞和摩擦产生的噪声，人们受到滚动轴承的启发，还设计出了带球保持架的高速滚珠丝杠副。因此，要减小滚珠丝杠副的振动与噪声，除合理设计反向点外，提高滚珠丝杠整体质量是非常重要的。比如，丝杠在全长上的螺距制造误差分布情况除影响丝杠副的定位精度
46、外，还影响丝杠副的动态摩擦转矩，进而影响丝杠运转时的发热、噪音等；螺母反向器滚道型线以及其相对螺母内滚道的位置精度将直接影响滚珠循环的流畅性，对减少滚珠在进出反向器时产生的冲击起决定性作用。2. 滚珠丝杠副的强度和刚性只有在瞬间达到高速度和在高速行程中瞬间准挺，高速直线运动才有意义，即运动的加（减）速度要高。在这种情况下，滚珠丝杠副往往要承受很大的冲击力。如果没有足够的强度和刚性，就会产生较大的变形，影响定位精度。因此不仅要求有合理的结构设计，而且在制造丝杠副时，必须合理安排热处理工序，消除内在应力，提高其基体强度，从而增强丝杠副的承载能力与刚性，已满足高速驱动的要求。3. 滚珠丝杠副的温升滚
47、珠丝杠副高速化后，温升是一个无法避免的问题。众所周知，滚珠丝杠副是细长件，温升造成的热伸长非常明显，这会极大的影响其定位精度，同时对丝杠副的摩擦转矩也造成严重影响。减少滚珠丝杠副温升的方法就是减少其发热量或者增大散热量。对丝杠副施加预拉伸力可以吸收一部分发热量，是减少发热量的一种方法。加大散热量的有效方法是进行强制冷却，即将丝杠做成空心的，使冷却液通过。空心丝杠将是高速驱动时减小温升的较好的结构。此外，对滚珠丝杠副的热变形做出预报，通过闭环反馈系统加以补偿，可以较好的改善温升对定位精度的影响。我国的台湾学者对滚珠丝杠驱动系统的热变形曾进行了深入的研究。2.3 滚珠丝杠副的预紧2.3.1 滚珠丝
48、杠副的预紧滚珠丝杠是数控机床进给传动系统的基本机械传动装置,其间隙将直接影响数控机床的加工精度。为此,应尽量设法予以消除或减小。在数控机床装配中,广泛采用预紧力技术消除滚珠丝杠传动的间隙。预紧力就是在受拉构件的受拉区预先施加压应力产生预压应力,在构件承受载荷产生拉应力时,首先要抵消预压应力,然后随着载荷的不断增加,受拉区才受拉,从而提高构件的刚度和承载能力。在数控车床滚珠丝杠螺母副中,有多种方法消除间隙,提高丝杠螺母接触刚度。滚珠丝杠副预加载荷后,螺母通过滚珠在正反向始终压向丝杠,从而消除了丝杠与螺母之间的轴向间隙及反向间隙,提高了滚珠丝杠副的刚度和定位精度。当然过大的预紧力将引起滚珠丝杠副寿命下降及摩檫力矩增加,过小则会出现间隙,影响定位精度。对于不同形式的螺母结构，采用的预紧方式也不同。主要可以分为两类即单螺母的预紧和双螺母的预紧12-13。2.3.2 单螺母滚珠丝杠的预紧方
