2米滚珠丝杠(副)动态测量系统设计与分析
南京理工大学
硕士学位论文
2米滚珠丝杠（副）动态测量系统设计与分析
姓名：印书范
申请学位级别：硕士
专业：机电工程
指导教师：冯虎田;贾俐俐
20041120
摘要
本文结合南京工艺装备制造厂２米滚珠丝杠动态测量仪改造项目，采用模块化硬件和软件重新设计Ｔｉｇ量及控制系统，介绍了数据采集原理及系统构成。
对测量仪的主轴控制系统改造选用运动控制器作为伺服电机系统控制器，可方便地实现对伺服电机的控制。
本文根据最新精度标准开发了滚珠丝杠副精度验收软件，建立了精度标准的数据库，实现精度自动判断。在滚珠丝杠副的误差评定中，采用最小二乘法原理求回归系数，行程变动量的求取，采用了一种高速高精度的优化算法缩短了运算时间。本文对丝杠副行程误差产生的原因进行了探讨分析，给出了误差源分析的方法及实现的途径。开发了测量控制系统的软件，实现ＴＮ量的过程自动化，智能化。
关键词：滚珠丝杠，动态测量，导程误差，误差评定
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｎｅｗｄｅｓｉｇｎｏｆ２－ｍｅｔｅｒｓｂａｌｉｓｃｒｅｗｄｙｎａｍｉｃｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｔｂｒＮａｎＪｉｎｇＴｏｏｌｓＦａｃｔｏｒｙ．ＭｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｕｓｅｄｉｎＡＣｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｄｒｉｖｅｓｔｈｅｍａｉｎａｘｉｓｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅ．
Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌａｔｅｓｔｓｔａｎｄａｒｄｏｆｂａｌｌｓｃｒｅｗａｃｃｕｒａｃｙｉｎｃｈｉｎａｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏａｃｃｅｐｔａｐｒｏｇｒａｎａｓｏｆｆｏｕｒｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｒａｖｅｌａｃｃｕｒａｃｙｏｆｂａｌｌｓｃｒｅｗａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｉｎｅｒｒｏｒｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｂａｌｌｓｃｒｅｗ，ｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｍｅｔｈｏｄｉｓａｄｏｐｔｅｄｔＯｃａｌｃｕｌａｔｅｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ａｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｏｃｏｍｐｕｔｅｅｖａｌｕａｔｉｎｇｉｎｄｅｘｏｆｌｅａｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｂａｌｌｓｃｒｅｗｓｐａｉｒ，ｗｈｉｃｈａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅａｈｉｇｈｃｏｍｐｕｔｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．
Ｔｈｅｅｒｒｏｒｓｏｕｒｃｅｏｆｓｃｒｅｗｐａｉｒａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｍｕｌｔｉｐｌｅｌｅｖｅｒｅｒｒｏｒｓｅｐａｒａｔｉｏｎｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｔｏｄｙｎａｍｉｃｅｒｒｏｒｄａｔａｏｆｌｅａｄｓｃｒｅｗ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｂａｌｌｓｃｒｅｗ，ｄｙｎａｍｉｃｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｒｒｏｒ，ｅｒｒｏｒｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
ＩＩ
声明Ｖ
６８３３５９
本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。
研究生签名：口乒年Ｄ月昭日
学位论文使用授权声明
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研究生签名。弘铋坼
１概论
１．１滚珠丝杠副简介
１）滚珠丝杠的结构与特点
滚珠丝杠副是一种高精度、高效率的传动结构。滚珠丝杠副是在丝杠与螺母旋合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。”１
滚珠丝杠副中以滚动代替普通丝杠副的滑动，为使滚珠丝杠副在工作过程中始终保持滚动摩擦，滚珠在螺母内循环滚动。典型的滚珠循环方式有内循环和外循环两种方式。滚珠丝相：和螺母的螺纹滚道与钢制滚珠之间运动是滚动摩擦，其摩擦系数仅为滑动摩擦的２％左右，传动效率提高到０．９以上。运用高精度螺纹磨床及其他先进的加工方法和技术途径，滚珠丝杠具有越来越高的精度。滚珠丝杠与螺母之问轴向间隙为零，运动中没有阻滞和滑移，进给速度稳定，具有很高的定位精度和重复定位精度，同时具有精确的同步运动性能。滚珠丝杠的运动具有可逆性，逆传动效率高。滚珠丝杠、螺母、滚珠均选用综合机械性能比较好的钢材，经过热处理，硬度高，表面粗糙度小，滚动磨损少，具有良好的耐磨性，因而使用寿命较长。滚珠丝杠己被国内外广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域，成为机械传动与定位的首选部件。
２）滚珠丝杠副发展现状与趋势
１８７４年，滚珠螺旋传动装嚣在美国诞生，精度很低。
１９１７年，得益于螺纹磨床的问世和螺纹磨削技术的进步，滚珠丝杠副得以发展，在精度和性能上有所提高。
１９４０年，美国将滚珠丝杠副用于汽车转向机构上，并很快商品化。
１９４３年，滚珠丝杠副开始用于可靠性要求严格的航空机械上。
五十年代，数控机床的发展大大推动了滚珠丝杠副的专业化生产。”。
当前在一些工业发达国家如美国、法国、同本、德国等国家已经完成了滚珠
丝杠副的标准化，高效化工作，建立了完整的体系，并拥有若干颇具规模的滚珠丝杠副专业生产厂。如美国的“ｗＡＲＮＥＲ—ＢＥＡＶＥＲ”公司有四个分公司，已有四十年的滚珠丝杠副生产历史，年产量达３０万套以上；日本的“ＮＳＫ”公司前桥工场，１９６０年建厂，１９８０年滚珠丝杠副产量超过１２万套，目前该公司产量超过了４０万套，并大量出口。其它如德国的“ＮＥＦＦ”、“ＦＡＧ”、“ＲＡＣＯ”，法国的“ＡＬＭＥ”，意大利的“ＳＫＦ”等都是在国际上具有一定知名度的滚珠丝杠副与直线滚动导轨的专业生产厂家。
我国自１９５８年以来，滚珠丝杠副就成功应用于数控机床上，相继在汽车、航空Ｓｈｉｌｌ造业中得到应用，目前国内三大滚珠丝杠生产企业，济宁丝杠厂、汉江机床ｒ～、南京工艺装备厂的滚珠丝杠的磨削仍沿用普通的螺纹磨床，仅能加工普通精度的丝杠，虽经多年的努力，其精度始终没有大的突破。因而高精密丝杠的加工成为我国的重点攻关项目之一。”””啪
１．２丝杠动态测量仪器设计应遵循原则
丝杠动态测量仪是典型的精密检测仪器，它的设计必须遵循精密测量仪器设计的原则。
１．２．１仪器设计要求
仪器设计的指导思想是结合使用条件，拟定最经济的方案，最大限度的满足生产实际对该仪器所提出的静态精度、动态精度、可靠性、效率、寿命、操作方式等功能方面的要求。设计仪器应满足下列要求：
（１）经济性。仪器设计不但要考虑仪器的制造成本，而且要考虑仪器的使用成本。在设计仪器时不盲目追求复杂高级的方案，只要能满足使用功能要求的最简单方案即为最经济的方案。在综合考虑了被测件批量大小、效率要求、测量误差所造成的损失、零件公差带及尺寸公布情况等的前提下，采用的最简单方案，通常是零件少、可靠性高、成本低等；在仪器使用过程中还必须考虑仪器保养、工时、备件、运转、停工损失、管理、培训ｌ等相关的费用。
（２）精度。根据仪器及滚珠丝杠的测量条件，选用相应的静态精度或动态精
２
度的各项指标。仪器的精度应根据生产实际中被测对象的精度要求来确定，一般仪器的测量误差取被测件公差的ｌ／３，有时甚至取被测件公差的１／５或１／１０。也就是说，某仪器可测几级精度的零件，即该仪器的误差值不得大于被测零件该级公差的１／３，１／５，１／１０。
（３）效率。测量仪的效率应与滚珠丝杠的生产效率相适应。自动化测量不仅提高测量效率，提高生产率，同时可以缩短测量时间，减少温度变化对测量精度的影响，提高测量精度。
（４）可靠性。可靠性是指测量仪器在一定时间内和～定条件下，不出故障地发挥其固定功能的概率。一套自动测量系统或一台仪器无论在原理上如何先进，功能上如何全面，在精度上如何高级，假若可靠性差，故障频繁不能长期稳定的工作，该仪器就没有使用价值。
随着现代化仪器和测量系统的发展，可靠性要求愈来愈高。
（５）寿命。在设计中应注意考虑提高寿命的方法，采用模块化部件，各单元采用技术成熟可靠性高的元件。
１．２．２仪器设计应遵循原则
仪器设计时应遵循减少仪器误差或测量误差的原则。
（１）阿贝原则
阿贝原则即被测工件与标准尺必须处在测量方向的同一直线上。采用阿贝原则能避免一次误差，得到较高的测量精度。
（２）最小变形原则
仪器部件及零件的变形是仪器误差的主要来源之一，仪器设计时应保证变形最小。仪器的变形受温度和力的影响。设计中假定测量仪工作的标准温度为２０℃，工作中的温度如果不是标准温度，则会产生测量误差，因此必须进行温度补偿。丝杠测量仪作为一种精密测量仪器，对温度变化有着极高的要求；另外，在高精度测量时，还应考虑到测量力促使测头和被测件之间产生的挤压变形和测头自身的变形直接导致的测量误差。丝杠测量一般采用宝石测量头，宝石具有很高
的硬度，可有效的减小由于测量时丝杠与测量头接触变形而产生的影响。
（３）最短测量链原则
从被测尺寸到仪器最终显示的传动链，属于直接传递被测尺寸变化的环节，称为广义测量链，它包括测量部分和放大指示两部分。其误差直接影响仪器的测量误差。为了提高精度降低成本，在仪器设计时应尽可能使测量链最短，即测量链最短原则。当各环节制造误差相等时，最靠近被测尺寸的环节，其误差对仪器示值的影响最大。因此，为了获得高精度仪器，必须对靠近被测尺寸的环节提出较高的精度要求，缩小其制造公差，对非测量链环节不提出过高的要求。
（４）基面统一原则
基面选择不当便会产生测量误差。基面统一原则要求被测件的各种基面包括设计基面、工艺基面、装配基面和测量基面都应该是统一基面，这样就不会因定位误差而引起测量误差。
１．３丝杠动态测量系统概况、现状
随着我国工业的发展，滚珠丝杠的应用日益广泛，产量逐年提高，对高精度丝杠的需求越来越大，丝杠的检测是丝杠加工中的重要一环，它直接影响到丝杠系列产品的精度和质量。因此，先进、便捷的检测手段成了提高滚珠丝杠质量和产量的可靠保证。目前常规的丝杠检测主要有动态测量与静态测量两种方法。两种测量方法对比如下表１．３．１所示。从表可以看出，动态测量使滚珠丝杠检测的精度、速度有了很大的提高，因此，在一些大批量、规模化丝杠系列的生产与安装调试场合，已基本取代了静态测量，成为丝杠检测的主要手段。传统的动态测量方法是由专门制造的动态测量仪来完成的。早期的丝杠动态测量采用模拟比相法。圆周基准一般采用光栅（或磁栅）盘，长度方向上采用光栅（或磁栅）尺作为长度基准，采用模拟比相的方法，直接由专用的相位计来显示比相结果并由记录仪画出丝杠的误差曲线。这一时期的动态测量仪由于受到技术条件的限制，尤其是电子技术发展的制约，其关键部件——相位计大都由分立元件构成。因而功能单一，自动化程度较低，仪器故障率也较高。虽然其后的有些产品采用了厚膜电路
和小规模的集成电路构成的相位计，使仪器的性能指标有所改进，但从客观上看
仍没有走出早期测量仪工作的模式。
表１．３．１静动态测量方法特点对照表
序号项目
静态测量法
动态测量法
测量结果和丝杠的实际精度不完全符合；
测量结果和实际精度一致，只能测量一、二个轴向截提高了测量精度：
面内的螺距误差；
可以连续测量，确定任意轴避免测量时间长会导致人向截面的螺距误差；
的疲劳以及环境的变化等对测
由测量人员的对线读数变测
量结果产生的影响，长丝杠须
为自动记录，避免了人为的随机量
采用跨牙测量。而英制螺纹尺误差。通过基准件参数的合理选１
择，对各种螺纹的丝杠都可以由精是半英寸一条刻线，只能每半度
英寸或一英寸测量一个数据。逐牙或跨牙测量变为连续自动因此可能漏掉误差较大的测量
测量，不会漏掉测量点，测得的点；
丝杠误差符合实际；
测量单圈螺旋线误差时，
测量螺旋线误差时，由等分
需将圆周有限等份，等份越少
－圆周对少数点的测量变为连续
误差越大，等份圆周划分相位
测量，避免了分点过少及划分相
时将产生随机误差
位时带来的随机误差
每测量一个数据都要读数由逐点测量改为连续自动
显微镜对线一次或几次，所以
测量，效率提高７—９倍，减少了测量效率低。且环境温度波动
环境温度波动的影响，有利于提的影响较大，尤其是测量长丝高测量精度；
杠时，容易产生误差；缩短了丝杠加工机床的调测
加工丝杠时，机床的加工
整和加工时间，提高了机床的生目
２
里和调整时间长，机床生产效率产效率；
效低；
生产加工机床时，减少了试室
生产加工机床时，试磨样磨样件的刀具数，缩短了机床装件的刀具多，装配和调整的周配和调整的时间，促进机床产量期长，不利于机床产量和质量和质量的提高：
的提高：
减少了测量人员，降低了劳劳动强度大，长时间测读动强度，实现了测量过程的自动易于疲劳，从而增大对线误差
化
测量静态测量设备多用万能性动态测量设备为复杂的专３
用设备，价格贵，电子设备的维设备
的设各，维护方便
护也比较麻烦
｝
４
适用
适用于单件小批量生产及适用于成批生产及精度要ｊ
范围
测量精度不太高的丝杠
求较高的丝杠
随着电子技术，特别是计算机技术的发展，使制造出新一代的丝杠动态测量仪在技术上成为可能。动态测量仪虽然在测量原理上没有突破，但在技术实施方案上有了重大发展。测量仪圆周方向上基本都采用高精度圆光栅作为基准，长度方向有些采用高精度光栅（或磁栅）尺，有些则采用单频激光或双频激光作为基准。而传统的相位计大都由单板机（或工业控制机）取代。
随着激光技术、计算机技术的推广应用，动态测量技术得以进‘步提高。目前开发应用的丝杠动态测量仪，不论是在测量精度还是自动化程度或者仪器的无故障率方面都比早期的测量仪有了很大的提高，在技术方法上，采用计算机技术，突破了传统的模拟比相方法而采用数字比相技术，进一步提高了测量仪的测量精度和抗干扰性能。测量出的误差曲线通过显示器直接显示出来，借助记录仪并可同时画出误差曲线。
随着现代测试技术的快速发展，光电技术、数字化技术、微处理技术、图像显示技术、自动化技术得到了广泛的应用，智能化技术、柔性测试、计算机辅助测试等也得到广泛的发展及应用。丝杠动态测量仪的研究开发也向高精度、快速化、智能化、模块化方向发展。
１．４丝杠动态测量实践意义
下面以丝杠动态测量技术对丝杠加工机床调整的指导作用，简单阐述丝杠动态测量的实践意义。
丝杠加工机床传动链的调整包括螺距局部误差，累积误差和周期误差调整。
当丝杠的周期误差从头架端到尾架为逐牙减小时，主要原因是机床头架主轴正摆和磨削时夹头的伸出部分被拨盘螺钉夹得过紧所引起的。尤其是工件头架主轴是活顶尖的螺纹加工机床，周期误差多为这种分布规律。这时便可以通过调整工件主轴的振摆来减小周期性误差。
当丝杠周期性误差从头架到尾架是均匀分布并以丝杠一转为周期时，这种周期误差分布的原因主要是头架主轴的轴向窜动造成的，这种情况下应调整机床头架主轴的轴向窜动。
６
圆磁栅，刻线为１２００条／周。
③增加系统测温，以利于进行测量结果的误差修正与补偿。
④系统改造后，要求实现计算机的全面控制与检测，实现数据曲线报表、误差处理分析自动化。并符合ＧＢ／Ｔ１７５８７．３—１９９８标准的要求。
⑤数据文件与数据库采用标准化设计，系统预留与厂内计算机管理系统进行数据信息交换的功能。以利于实现ＣＡＭ与企业信息管理。
图１．６．１２米丝杠动态测量仪
图．１．６．２２米丝杠动态测量仪尾架
１．６．２技术改造基本原则
①在分析２米丝杠动态测量仪功能、结构、系统、操作程序基础上；结合成功的改造经验提出改造方案。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原系统中仪器能继续使用，质量完好，又能与新系统匹配的仪器、部件、尽可能的保留，以减少改造费用——利用的原则。
③计算机，电子检测控制系统发展更新换代很快，有的器件淘汰也很快。在改造中淘汰过时，落后的系统和器件，确保系统的先进性，快速性和可维修性——先进性与可维修性。
④系统中采用的仪器、器件，从经济性，可靠性等方面综合考虑，尽可能采用专业化厂定型生产的，标准化通用化的产品。尽量减少特殊功能专门设计的非标产品。以提高系统的综合费效比性能——综合权衡费效比高的原则。
⑤系统软件。界面友好，可操作性强，易于软件升级的原则。
１．６．３技术改造后仪器精度
通过技术改造以后的测量仪，不仅能检测滚珠丝杠，还可以检测梯形丝杠，改造后仪器的测量精度。
（１）对梯形丝杠的检测精度情况
ａ）测量长度小于２０００ｍｍ，长度比小于４０：１的丝杠，仪器可测五级精度（ＪＢ２８８６－－９２）。
ｂ）测量长度在２０００ｍｍ以内，仪器可测六级精度（ＪＢ２８８６－－９２）。
Ｃ）需要有对应的测量头。
（２）对滚珠丝杠副和滚珠丝杠的导程误差的检测精度情况
ａ）测量长度小于２０００ｍｍ，长度比小于４０：ｌ的丝杠，仪器可测一级精度（ＪＢ３１６２．２—９１）。
ｂ）测量长度在２０００ｍｍ以内，仪器可测二级精度（ＪＢ３１６２．２—９１）。
Ｃ）需要有对应的测量头。
ｄ）对应不同的测量标准。
ｅ）对拖动系统有一定的要求。
表１．６．１光栅等配置
｜
部件名称
配置及指标
价格
≯光栅周期２０ｕｍ长光栅ＬＳｌ８６Ｃ≯准确度等级±３ｕｍ带参考标记的增量
》测量长度２０４０ｍｍ
≯参考标记：距离编码，按最大移动距离为
式光栅尺
２０ｒａｍ计算绝对位置值；≯最大移动速度：１２０ｍ／ｍｉｎ
圆磁栅
≯１２００条，增量式，根据主轴选配
ＩＫ２２０——ＰＣ机计
≯ＰＣＩ总线≯４８位数卡
≯４０９６倍频温度传感器
６个
表１．６．２控制系统配置ＰＩＶＦＳＣ一１７１３ＶＮＡ集成主板；
ＩＰＣ一８１０／３５０Ｗ；Ｉｎｔｅｌ２．８Ｇ；ＫｉｎｇＳｔｏｎＲＡＭ５１２Ｍ研祥工控机
硬盘ＳＴ８０Ｇ；三星ＤＶＤ．ＲＷＣｏｍｂｏ光驱，其
它外设。
显示器１７寸ＬＣＤ——ＬＧｌ７１５Ｓ；
Ｉ／Ｏ卡ＰＣＬ．７２６＋８８０
打印机ＨＰｌ０１５
Ａ／Ｄ卡ＰＣ卜８１３＋８８０
电源
ＡＣ／ＰＣ开关电源
控制台定制
温度接口电路
电机控制接口电路
控制面板
接插件，开关，线等
１．７论文研究内容
论文主要做了以下几方面的工作，并进行了研究：
（１）参与整个系统的方案论证，参与整个控制、检测系统的设计；（２）丝杠动态测量仪的主轴传动系统设计；
（３）采用高精度的光栅、磁栅传感器作为主要测量元件，高速记数卡采集数
据信号，设计了数据采集系统；
（４）讨论了滚珠丝杠的验收条件和检验标准及丝杠误差计算和精度判别的方
１ｉ程硕士学位论文２米滚珠丝杠（副）动态测量系统设计与分析法，设计了丝杠副导程误差计算及其精度分析软件
（５）对丝杠副误差来源进行了分析讨论，并探讨了实现误差源识别与分析的途径和方法；
（６）丝杠动态测量系统中的硬件和软件设计应用模块化设计思想，缩短了设计周期，提高了仪器可靠性和维护性。
１［程硕士学位论文２米滚珠丝杠（副）动态测量系统设计与分析２动态测量系统总体设计
２．１测量仪系统总体构成
基于光栅的２Ｍ丝杠动态测量系统
图２．Ｉ．１系统布局图
动态测量仪主要包括数据采集系统和测控系统两部分。
２．１．１数据采集系统构成
如图２．１．２为测量仪数据采集系统的总体构成简图
１、旋转编码器
５、螺母小车带动头９、温度测量点图２．１．２测量仪数据采集系统构成简图
２、被测丝杠
６、测量头
１０、长光栅
３、螺母４、螺母小车
７、光栅读数头８、砂轮
１１、尾架补偿测量仪
下面以滚珠丝杠副的测量为例介绍其工作过程原理。
丝杠动态测量系统中，主轴转动采用交流伺服电机作为拖动元件，由主动控制器控制电机运行，并可以做变速调节，测量时电机经过机械传动装置驱动主轴，圆磁栅１安装于传动主轴上，测量时由拨盘带动被测丝杠２和圆磁栅同步转动，丝杠旋转时带动头５带动螺母小车４沿导轨作轴向运动，光栅尺传感器的读数头７随测量头６和螺母小车４作轴向移动。
动态测量数据采集信号分四路。
第一路是角度信号圆磁栅随主轴转动时，磁头读取圆磁栅信号产生角度基准信号；
第二路是轴向位移信号长光栅传感器作为长度测量基准元件，螺母小车
移动时光栅读数头随测量头移动产生轴向位移信号；
第三路是温度信号，用作温度补偿；
第四路是丝杠伸长量尾架补偿信号
上述所有信号均由计算机通过专用采集硬件采样获得，并由相应软件进行处理和运算，获得所需数据。
要测量丝杠副行程偏差准确值，系统必须保证角度基准位移与轴向位移信号同步采集，为此采用高速记数卡同时采集圆磁栅和光栅尺信号。记数卡接收磁栅和光栅信号后进行高倍电子细分，从而获得高精度的数据。
２．１．２测量仪测控系统构成
测量仪测控系统硬件构成主要包括以下几部分：
（１）光栅测长、磁栅测角部分；
（２）温度采集部分；
（３）尾架补偿部分；
（４）误差显示与输出部分：
（５）主计算机控制部分：
（６）主轴交流伺服电机驱动部分。
图２．１．３所示为测量仪的测量控制与数据采集系统的硬件构成，系统采用模块化设计各部件选用独立功能模块，通过计算机控制组合大大简化了系统设计，增加了可靠性，缩短了设计周期，增强了系统的灵活性。
程硕十学位论文２米滚珠丝杠（副）动态测量系统设计与分析
图２．１．３测量仪测控系统硬件框图
２．２测量原理
如图２．２．１为测量丝杠螺旋线误差的示意图。采用丝杠的实际螺旋线与标准螺旋线相比较的方法来求得被测丝杠的螺旋线误差４１。
图２．２．１丝杠螺旋线误差图
根据螺旋线形成原理：
ｒＺ
２口０
ｚ：旦．丁
２Ｊｒ
在上式中，只要有一角度量反映丝杠的转角０，则可通过此式求得其理论的轴向位移ｚ，再由一长度标准反映丝杠在臼转角时相应的实际轴向位移区ｚ７，则由实际轴向位移Ｚ’和理论轴向位移ｚ之代数差，便可求得丝杠螺旋线误差Ａ：
△＝Ｚ７一Ｚ
：ｚ，一旦ｊＴ
２ｚｒ
式中：
ｚ——丝杠转过０时，螺旋线的理论轴向位移
ｚ７——丝杠转过０时，螺旋线的实际轴向位移
Ｔ——被测丝杠的导程
０——被测丝杠转过的角度
２．３丝杠动态测量
传统动态测量的方法从误差信号采集的角度可分为如下几种：
（１）与标准丝杠连续比对法
（２）比相法
（３）记数法
２．３．１与标准丝杠连续比对测量
与标准丝杠连续比对测量丝杠的仪器通常称为丝杠导程仪，是测量丝杠螺旋线误差的专用仪器。这类仪器通过机械方式指示被测丝杠相对于标准丝杠的误差，虽结构简单操作方便，但测量精度受标准丝杠精度的限制，且被测丝杠与标准丝杠螺距必须相同，只适应于精度要求不高，单一品种大批量生产的测量。
滚珠丝杠副参数计算与选用
滚珠丝杠副参数计算与选用1、计算步骤
2、确定滚珠丝杠导程Ph 根据工作台最高移动速度Vmax , 电机最高转速nmax, 传动比等确定Ph。按下式计算，取较大圆整值。
Ph=(电机与滚珠丝杠副直联时，i=1) 3、滚珠丝杠副载荷及转速计算 这里的载荷及转速，是指滚珠丝杠的当量载荷Fm与当量转速nm。滚珠丝杠副在n1、n2、n3······nn转速下，各转速工作时间占总时间的百分比t1%、t2%、t3%······tn%，所受载荷分别是F1、F2、F3······Fn。 当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等，可按下列公式计算： (nmax: 最大转速，nmin: 最小转速，Fmax: 最大载荷（切削时），Fmin: 最小载荷（空载时） 4、确定预期额定动载荷 ①按滚珠丝杠副预期工作时间Ln（小时）计算： ②按滚珠丝杠副预期运行距离Ls（千米）计算： ③有预加负荷的滚珠丝杠副还需按最大轴向负荷Fmax计算：Cam=feFmax(N) 式中： Ln-预期工作时间（小时，见表5) Ls-预期运行距离(km),一般取250km。 fa-精度系数。根据初定的精度等级（见表6)选。 fc-可靠性系数。一般情况fc=1。在重要场合，要求一组同样的滚珠丝杠副在同样条件下使用寿命超过希望寿命的90％以上时fc见表7选
fw-负荷系数。根据负荷性质（见表8）选。 fe-预加负荷系数。（见表9) 表－5 各类机械预期工作时间Ln表－6 精度系数fa 机械类型 Ln(小时） 普通机械5000～10000 普通机床10000～20000 数控机床20000 精密机床20000 测示机械15000 航空机械1000 精度等 级 1.2.3 4.5 7 10 fa 1.0 0.9 0.8 0.7 表－7 可靠性系数fc 可靠性% 90 95 96 97 98 99 fc 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 表－8 负荷性质系数fw 负荷性 质 无冲击(很平 稳） 轻微冲击伴有冲击或振动fw 1～1.2 1.2～1.5 1.5～2 表－9 预加负荷系数fe 预加负荷类型轻预载中预载重预载fe 6.7 4.5 3.4 以上三种计算结果中，取较大值为滚珠丝杠副的Camm。 5、按精度要求确定允许的滚珠丝杠最小螺纹底d2m a.滚珠丝杠副安装方式为一端固定，一端自由或游动时（见图-5） 式中：E-杨氏弹性模量21×105N/mm2 dm-估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（mm）
滚珠丝杠的设计与计算
一、滚珠丝杠的特长 1、1驱动扭矩仅为滑动丝杠的1/3 滚珠丝杠是滚珠丝杠与螺母间的螺纹沟槽做滚动运动，因此可获得高效率，与过去的滑动丝杠相比，驱动扭矩仅为1/3以下（图1与2）。从而，不仅可将旋转运动变为直线运动，而且可以容易地将直线运动变成旋转运动。 图1：正效率（旋转→直线）图2：反效率（直线→旋转） 1、1、1导程角的计算法 ……………………………………（ 1 ） β：导程角（度） d p：滚珠中心直径（mm） ρh：进给丝杠的导程（mm）
1、12推力与扭矩的关系 当施加推力或扭矩时，所产生的扭矩或推力可用（2）~（4）式计算。（1）获得所需推力的驱动扭矩 T：驱动扭矩 Fa：导向面的摩擦阻力 Fa=μ×mg μ：导向面的摩擦系数 g：重力加速度（ 9.8m/s2） m：运送物的质量（ kg ） ρh：进给丝杠的导程（ mm ） η：进给丝杠的正效率（图1） （2）施加扭矩时产生的推力 Fa：产生的推力（ N ） T：驱动扭矩（N mm ） ρh：进给丝杠的导程（ mm ） η：进给丝杠的正效率（图1）
（3）施加推力时产生的扭矩 T：驱动扭矩（N mm ） Fa：产生的推力（ N ） ρh：进给丝杠的导程（ mm ） η：进给丝杠的正效率（图2） 1、1、3驱动扭矩的计算例 用有效直径是：32mm，导程：10mm（导程角：5O41’的丝杠，运送质量为500Kg的物体，其所需的扭矩如下 （1）滚动导向（μ=0.003） 滚珠丝杠及（μ=0.003，效率η=0.96） 导向面的摩擦阻力 Fa=0.003×500×9.8=14.7N 驱动扭矩 （2）滚动导向（μ=0.003） 滚珠丝杠及（μ=0.2，效率η=0.32）
滚珠丝杠选型和电机选型计算
1.滚珠丝杠及电机选型计算 1.1 确定滚珠丝杠副的导程 根据电机额定转速和X 向滑板最大速度，计算丝杠导程。X 向运动的驱动电机选择松下MDMA152P1V ，电机最高转速为4500rpm 。电机与滚珠丝杆通过联轴器连接，传动比为0.99。X 向最大运动速度24m/min ，即24000mm/min 。则丝杠导程为 max max 24000/ 5.390.994500 h P V i n =?=≈? 实际取mm P h 10=，可满足速度要求。 1.2 滚珠丝杠副的载荷及转速计算 滚动导轨承重时的滑动摩擦系数最大为0.004，静摩擦系数与摩擦系数差别不大，此处计算取静摩擦系数为0.006。则导轨静摩擦力： 000.0065009.84549.4F M g f N μ=??+=??+?= 式中： M ——工件及工作台质量， M 为500kg 。 f ——导轨滑块密封阻力，按4个滑块，每个滑块密封阻力5N 。 由于该设备主要用于检测，丝杠工作时不受切削力，检测运动接近匀速，其阻力主要来自于导轨、滑块的摩擦力。则有： max min 60/6024/10144h n n v P rpm ≈=?=?= max min 049.4F F F N ≈≈= 滚珠丝杠副的当量载荷： max min 0249.43 m F F F F N +=≈= 滚珠丝杠副的当量转速： max min 1443 m n n n rpm += = 1.3 滚珠丝杠副预期额定动载荷 1.3.1按滚珠丝杠副的预期工作时间计算： 49.41253.0310010011 m w am a c F f C N f f ?===?? 式中： m n ——当量转速，max min 1443m n n n rpm += = h L ——预期工作时间，测试机床选择15000小时 w f ——负荷系数，平稳无冲击选择w f =1
滚珠丝杠计算
滚珠丝杠计算 1. 确定滚珠丝杠副的导程 根据电机的额定转速和x向滑板的最大转速，计算丝杠的导程。 x向运动的驱动电机选用松下mdma152p1v，电机最大转速为4500 rpm。电机与滚珠丝杠采用联轴器连接，传动比为0.99。X方向最大速度为24m / min，即24000 mm / min。 丝杠的引线是 实际pH = 10 mm即可满足速度要求。 2 、滚珠丝杠副的载荷及转速计算 滚动导轨承重时的滑动摩擦系数最大为0.004，静摩擦系数与摩擦系数差别不大，此处计算取静摩擦系数为0.006。则导轨静摩擦力：式中： M —工件及工作台质量，M为500kg。 f —导轨滑块密封阻力，按4个滑块，每个滑块密封阻力5N。由于该设备主要用于检测，丝杠工作时不受切削力，检测运动接近匀速，其阻力主要来自于导轨、滑块的摩擦力。则有： 滚珠丝杠副的当量载荷： 滚珠丝杠副的当量转速： 3 、滚珠丝杠副预期额定动载荷 3.1、按滚珠丝杠副的预期工作时间计算： 式中： nm —当量转速，
Lh —预期工作时间，测试机床选择15000小时 f W —负荷系数，平稳无冲击选择fW =1 fa —精度系数，2级精度选择f a =1 fc —可靠性系数，一般选择fc =1 3.2 按滚珠丝杠副的预期运行距离计算： 式中： Ls —预期运行距离，一般选择Ls = 24X103m 3.3 、按滚珠丝杠副的预加最大轴向负载计算： 式中： fe —预加负荷系数，轻预载时，选择fe = 6.7 fmax —丝杠副最大载荷 4 、估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量dm * 重复定位精度 X向运动的重复定位精度要求为0.03mm，则 5 、估计算滚珠丝杠副的螺纹底X 5.1 、根据X向运动行程为1000mm，可计算出两个固定支承的最大距离： L? (1.1~1.2) ′l + (10~14) ′Ph= 1.2′1000+14′10 =1340mm 5.2 按丝杠安装方式为轴向两端固定，则有丝杠螺纹底X： 式中： F0 —导轨静摩擦力，F0=49.4N L —滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离，L = 1340mm
滚珠丝杠设计计算
HJG-S系列滚珠丝杠副的主要性能选择 1 、轴向载荷、寿命 （1）、额定动载荷 Ca 一批相同的滚珠丝杠副 , 在轴向载荷 Fa 的作用力以较高的速度运转 10 ° 转 , 其 90% 的滚珠丝杠副不产生疲劳剥伤 , 此时的轴向载荷 Fa 称为该规格的额定动载荷 (Ca), 此值可在 HJG-S 具体尺寸规格表中查得。 （2）、额定静载荷 Cao Cao 系指滚珠丝杠副在静止（或转速较低）状态下，承受最大接触应力的滚珠和滚道接触面的塑性变形量之和为钢球直径的万分之一时的轴向载荷，此值可在 HJG-S 具体尺寸规格表中查得。 （3）、回转寿命 L 式中： L---- 加转命令： Ca---- 额定动载荷（ N ）： Fa---- 轴向载荷（ N ）： Fw---- 载荷系数。 无冲击载荷平滑运动时 Fw=1.0-1.2 普通运动时 Fw=1.2-1.5 冲击振动时 Fw=1.-2.5 (4) 、时间寿命 Lh 式中： Lh---- 时间寿命； L---- 回转寿命； n---- 转速（转 / 分） 2 、按预期工作时间确定预期额定动载荷 Cam 式中： Lh---- 预期工作时间（小时）见表 a ； fa---- 精度系数见表 b ； fc---- 可靠性系数一般 fc=1 ； fw---- 负荷系数见表 c 。 ---- 当量转速（转 / 分） Fm---- 表示当量载荷（ N ） 表 a 各类机械预期工作时间 Lh （小时）
机械类型 工作时间 普通机床 5000—10000 普通机床 10000—15000 数控机床 20000 精密机床 20000 测试机床 15000 航空机械 1000 表b 精度系数 1.2.3 4.5 7 10 fa 1.0 0.9 0.8 0.8 表c 负荷系数 无冲击、平稳 轻微冲击 伴有冲击、振动 fw 1—1.2 1.2—1.5 1.5—2 3、滚珠丝杠副的预加负荷 （1）、滚珠丝杠、螺母间的预加负荷FP 为了消除轴向间隙，增加滚珠丝杠副的刚性和定位精度，在丝杠螺母间加以预加负荷FP。过大的FP值将引起滚珠丝杠副寿命下降及摩擦力矩增大，而FP过小，会出现轴向间隙，影响定位精度，因此在一般情况下： 取 Fp=Fm/3 试中:Fp---预加载荷；Fm---当量载荷（N）；当轴向载荷不能确定时取Fp=Ca/(8-10) （2）、对预拉但滚珠丝杠副的行程补偿值C和预拉伸力FPL 为补偿因工作温度升高而引起的丝杠伸长，保证滚珠丝杠在正常使用时的定位精度和滚珠丝杠的系统刚度要求较高的高精度滚珠丝杠副，其丝杠轴需进行预加负荷拉伸。一般下列方法实现。 1 ）、滚珠丝杠轴在制造时，可提出目标行程的行程补偿值 C C=a. △ t.Lu=11.8 △ tLu. 式中： C ---- 行程补尝值（ um ）；△ t ---- 温度变化值。一般取 2 ℃—3℃；Lu----滚珠丝杠副的有效行程（mm）; a----丝杠的线膨胀系数11.8× /度 2）、滚珠丝杠副安装时丝杠的拉伸力Fpl 式中：Fpl----预拉伸力（N）；△ t ----滚珠丝杠的温升，一般为2-3；d2----滚珠丝杠螺纹底径（mm）； E----杨氏弹性模量:2.1x105N/mm2 4、滚珠丝杠副的极限转速与允许转速 滚珠丝杠副的极限转速主要是指滚珠丝杠副在高速运转时，避免产生共振现象，使滚珠丝杠副正常运转。 式中：----极限转速（转速/分）；K----安全系数，一般取0.8；Lb----安装间距；
滚珠丝杠计算
滚珠丝杠: 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力。 滚珠丝杠计算: 转矩和轴向力的换算公式如下： 换算公式：N=Ec·A【K（fi2-f02）+b（Ti-T0）】 轴向力*导程=电机输出扭矩*2*3.14*丝杠效率（90%以上）。 合格的主轴一般不会有轴向窜动。 但是在主轴的检验过程中有一道静刚度测试，分为轴向静刚度和径向静刚度。径向静刚度就是在径向施加一定的推力，然后计算出一个单位为N/μ的数值即为检验标准。用表指住端面前撬差值间隙基本认跳值要精测检验盘精校校误差静跳车跳差跳差值即轴向窜值。 机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩（torsional moment）。转矩是各种工作机械传动轴的基本载荷形式，与动力机械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等因素紧密联系。 转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。 转矩的原理 使机械元件转动的力矩称为转动力矩，简称转矩。机械元件在转
矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。转矩是各种工作机械传动轴的基本载荷形式，与动力机械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等因素紧密联系，转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。此外,转矩与功率的关系T=9549P/n或T=P/Ω（Ω为角速度，单位为rad/s）。 电机的额定转矩表示额定条件下电机轴端输出转矩。转矩等于力与力臂或力偶臂的乘积，在国际单位制(SI)中，转矩的计量单位为牛顿?米(N?m)，工程技术中也曾用过公斤力?米等作为转矩的计量单位。电机轴端输出转矩等于转子输出的机械功率除以转子的机械角速度。直流电动机堵转转矩计算公式TK=9.55KeIK。
滚珠丝杠副
目录 滚珠丝杠副 (2) 浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副 (2) 滚珠丝杠副的主要尺寸参数 (3) 滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 (3) 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧 (4) 轴承的组合安装支承示例 (7) （1）简易单推-单推式支承 (7) （2）双推-简支支承方式 (8) （3）双推-自由式支承 (8) 滚珠丝杠副制动装置与润滑 (8) 滚珠丝杠副的选择方法 (10)
i 滚珠丝杠副 滚珠丝杠螺母机构由反向器(滚珠循环反向装置)l、螺母2、丝杠3和滚珠4等四部分组成。 滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副除上述优点外，还具有轴向刚度高(即通过适当预紧可消除丝杠与螺母之间的轴向间隙)、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构时，需要采取制动措施。 浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副 浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副（如下图所示）的结构特点是反向器l上的安装孔有0.01~0.015mm的配合间隙，反向器弧面上加工有圆弧槽，槽内安装拱形片簧4，外有弹簧套2，借助拱形片簧的弹力，始终给反向器一个径向推力，使位于回珠圆弧槽内的滚珠与丝杠3表面保持一定的压力，从而使槽内滚珠代替了定位键而对反向器起到自定位作用。这种反向器的优点是：在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性较好，更适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。
1-反向器；2-弹簧套；3-丝杠；4-碟簧片 外循环——外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。从结构上看，外循环有以下三种形式： （1）螺旋槽式： （2）插管式： （3）端盖式： 滚珠丝杠副的主要尺寸参数 d0——公称直径:它指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径。 它是滚珠丝杠副的特征（或名义）尺寸。 Ph(或螺距t)——基本导程：它指丝杠相对于螺母旋转6.28弧度时，螺母上基准点的轴 向位移。 行程：它指丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。 此外还有丝杠螺纹大径d1、丝杠螺纹底径d2、滚珠直径DW、螺母螺纹底径D2、螺母螺纹内径D3、丝杠螺纹全长等。
滚珠丝杠螺母副的计算和选型
Δ3 一、进给传动部件的计算和选型 进给传动部件的计算和选型主要包括:确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、计算减速器、选择步进电机等。 1、脉冲当量的确定 根据设计任务的要求，X方向的脉冲当量为δx=0.005mm/脉冲，Z 方向为δz=0.01mm/脉冲。 2、切削力的计算 切削力的分析和计算过程如下： 设工件材料为碳素结构钢，σb=650Mpa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角κr=60°，前角γo=10°，刃倾角λs=-5°；切削用量为：背吃刀量a p=3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度vc=105m/min。 查表得：C Fc=2795，x Fc=1.0，y Fc=0.75，n Fc=-0.15。 查表得：主偏角κr的修正系数kκrFc=0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数均为1.0。 由经验公式（3—2）,算得主切削力F c=2673.4N。由经验公式F c：F f： F p=1：0.35：0.4，算得进给切削力F f=935.69N，背向力F p=1069.36N。 3、滚珠丝杠螺母副的计算和选型 （1）工作载荷F m的计算 已知移动部件总重G=1300N；车削力F c=2673.4N，F p=1069.36N，F f=935.69N。根据F z=F c，F y=F p，F x=F f的对应关系，可得：F z=2673.4N，F y=1069.36N，F x=935.69N。 选用矩形—三角形组合滑动导轨，查表，取K=1.15，μ=0.16，代入F m=KF x+μ（F z+G），得工作载荷F m=1712N。 （2）最大动载荷F Q的计算 设本车床Z向在最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8m/min，初选丝杠基本导程P h=6mm，则此时丝杠转速n=1000v/P h=133r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠系数
滚珠丝杠设计实例与计算
计算举例 某台加工中心台进给用滚珠丝杠副的设计计算: 已知: 工作台重量 W 1=5000N 工作及夹具最大重量W 2=3000N 工作台最大行程 L K =1000mm 工作台导轨的摩擦系数:动摩擦系数μ=0.1 静摩擦系数μ0=0.2 快速进给速度 V max =15m/min 定位精度20 μm /300mm 全行程25μm 重复定位精度10μm 要求寿命20000小时(两班制工作十年)。 表1 解： 1) 确定滚珠丝杠副的导程 max max h i n V P =? ::/min :/min :h max max mm m r i P V n 滚珠丝杠副的导程 工作台最高移动速度 电机最高转速 传动比 因电机与丝杠直联，1i = 由表查得 max 15/min m V =
max 1500/min n r = 代入得， 10h mm P = 2)确定当量载荷 112() m s n F F F W W P μ==+++ 可求得： 12342920,1850,1320, 800,1290m F N F N F N F N F N ===== 3)确定当量转速 112212/min m n t n t n r t t ++???==++??? 230 4）预期额定动载荷 ①按预期工作时间估算。 按表3-24查得：轻微冲击取.w f =13 按表3-22查得：精度等级1-3取.a f =10 按表3-23查得：可靠性97%取.c f =044 已知h L h =20000 得：nm a c C N = =24815 ②拟采用预紧滚珠丝杠，按最大负载max F 计算， 按表3-25查得：中预载取：.e f =45 max F F N ==12920，代入得 ' max am e C f F N ==13140
滚珠丝杠的选取与计算.part1
4.1.1驱动扭矩仅为滑动丝杠的1/3 滚珠丝杠是滚珠丝杠与螺母间的螺纹沟槽做滚动运动，因此可获得高效率，与过去的滑动丝杠相比，驱动扭矩仅为1/3以下（图1与2）。从而，不仅可将旋转运动变为直线运动，而且可以容易地将直线运动变成旋转运动。 图1：正效率（旋转→直线） 图2：反效率（直线→旋转） 4.1.1.1导程角的计算法 p d h ??=πρβtan …………………………………… （ 1 ） β：导程角 （度） d p ：滚珠中心直径 （mm ） ρh ：进给丝杠的导程 （mm ） 4.1.1.2推力与扭矩的关系
当施加推力或扭矩时，所产生的扭矩或推力可用（2）~（4）式计算。 （1）获得所需推力的驱动扭矩 T ：驱动扭矩 Fa ：导向面的摩擦阻力 Fa=μ×mg μ：导向面的摩擦系数 g ：重力加速度 （ 9.8m/s 2 ） m ：运送物的质量 （ kg ） ρh ：进给丝杠的导程 （ mm ） η：进给丝杠的正效率 （图1） （2）施加扭矩时产生的推力 h T Fa ???=ρηπ12…………………………………… （ 2 ） Fa ：产生的推力 （ N ） T ：驱动扭矩 （N mm ） ρh ：进给丝杠的导程 （ mm ） η：进给丝杠的正效率 （图1） （3）施加推力时产生的扭矩 π ηρ22Fa h T ??= …………………………………… （ 4） T ：驱动扭矩 （N mm ） Fa ：产生的推力 （ N ） ρh ：进给丝杠的导程 （ mm ） η：进给丝杠的正效率 （图2）
4.1.1.3驱动扭矩的计算例 用有效直径是：32mm ，导程：10mm （导程角：5O 41’的丝杠，运送质量为500Kg 的物体，其所需的扭矩如下 （1）滚动导向（μ=0.003） 滚珠丝杠及（μ=0.003，效率η=0.96） 导向面的摩擦阻力 Fa=0.003×500×9.8=14.7N 驱动扭矩 mm N T ?=??=2496 .02107.14π （2）滚动导向（μ=0.003） 滚珠丝杠及（μ=0.2，效率η=0.32） 导向面的摩擦阻力 Fa=0.003×500×9.8=14.7N 驱动扭矩 mm N T ?=??=7332 .02107.14π 4.1.2能高速进给 因滚珠丝杠效率高，发热低，从而能进行高速进给。 高速例）图7表示使用大导程滚珠丝杠以2m/s 速度使用时的速度线图。
滚珠丝杠副的载荷计算
1滚珠丝杠副的载荷计算 ⑴工作载荷F 工作载荷F是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力，其数值可用下列进给作 用力的实验公式计算： 对于燕尾形导轨机床 F=kFx+f(Fz+2Fy+W)(1) 对于矩形导轨机床 F=kFx+f(Fz+Fy+W) (2) 对于三角形或组合导轨机床 F=kFx+f(Fz+W)(3) 对于钻镗主轴圆导轨机床 对于滚动导轨机床 F=Fx+f(Fz+W)+Fr(5) 式(1)?(5)中：Fx、Fy、Fz—x、y、z方向上的切削分力，N; Fr —密封阻力，N; V—移动部件的重量，N; M—主轴上的扭矩，N- m dz—主轴直径, mm 表 1 f'—导轨摩擦系数；f —轴套和轴架以及主轴的键的摩擦系数；k—考虑颠覆力矩影响的实验系数。正常情况下，k、f与f可取表1数值。 (2)最小载荷Fmin 最小载荷F?min为数控机床空载时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。此时， Fx=Fy=Fz=Q (3)最大工作载荷F?max 最大载荷F?max为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。
(4)平均工作载荷Fm与平均转速nm 当机床工作载荷随时间变化且此间转速不同时， 式中：1,t2,…，tn分别为滚珠丝杠在转速n1,n2,…，nn下，所受轴向载荷分别是F1,F2,…, Fn 时的工作时间(min) 当工作载荷与转速接近正比变化且各种转速使用机会均等时，可用下式求得Fm和nm Fm=(2Fmax+Fmin y 3(8) nm=(nm ax+nmin)/2(9) 2滚珠丝杠副主要技术参数的确定 (1)导程Ph 根据机床传动要求，负载大小和传动效率等因素综合考虑确定。一般选择时，先按机床传 动要求确定，其公式为：Ph> vmax/nm ax(10) 式中：vmax—机床工作台最快进给速度， mm/mir; nmax-驱动电机最高转速，r/min。在满足控制系统分辨率要求的前提下，Ph应取较大的数值。 (2)螺母选择 由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高要求，故选择螺母时要注重其刚度的保证。推荐按高刚度要求选择预载的螺母型式。其中插管式外循环的端法兰双螺母应用最为广泛。它适用重载荷传动、高速驱动及精密定位系统。并在大导程、小导程和多头螺纹中具有独特优点，且较为经济。 ①滚珠的工作圈数i和列数j。根据所要求性能、工作寿命，推荐按表 2选取。 表2 ②法兰形状。按安装空间由标准形状选择，亦可根据需要制成特殊法兰形状。 (3)导程精度选择 根据机床定位精度，确定滚珠丝杠副导程的精度等级。一般情况下，推荐按下式估算: 式中：E――累计代表导程偏差，卩m;
滚珠丝杠螺母副的设计要点
目录 一成绩评定表………………………………………………………………………二课程设计任务书………………………………………………………………三前言……………………………………………………………………………………四滚珠丝杠螺母副的设计……………………………………………………五轴承选择……………………………………………………………………………六电机选择……………………………………………………………………………七设计总结……………………………………………………………………………八参考文献……………………………………………………………………………
成绩评定表 学生姓名李洋班级学号1001012116 专业机械设计制 造及其自动 化课程设计题目数控车床伺服进给系统 结构与控制设计（8） 评 语 组长签字： 成绩 日期201 年月日
课程设计任务书 学院机械学院专业机械设计制造及其自动化学生姓名李洋班级学号1001012116 课程设计题目数控车床伺服进给系统结构与控制设计（8） 实践教学要求与任务: 1、设计内容 （1）运动设计：确定最佳传动比，计算选择滚珠丝杠螺母副、伺服电动机、导轨及丝杠的支承； （2）结构设计：完成进给系统装配图设计（0#图1张）； （3）验算：完成系统刚度计算，验算定位误差等； （4）设计单片机控制交流电机变频调速的原理图（多速开关）； （5）按照加速-匀速1-减速-匀速2-减速停的速度曲线，设计单片机控制程序； （6）撰写设计计算说明书。 2、主要技术参数： X轴：进给行程 400 mm；进给速度 1-6000mm/min，快移速度 10m/min,；最大进给力：5500 N；定位精度:0.012mm/300mm, 定位精度:0.006mm，横向滑板上刀架重量： 80 Kg。 工作计划与进度安排:（共2周） （1）集中讲授设计内容、步骤及要求，下发设计题目及任务书，理解题目要求，查阅资料，确定结构设计方案（第16周的周一～周二） （2）指导学生进行设计计算及确定设计方案、装配图结构设计（第16周的周三～周五） （3）结构部分说明书撰写及答辩验收（第16周的周六～第17周的周一上午）（4）控制方案确定及原理图设计、控制程序设计（第17周的周一下午～周四）（5）控制部分说明书撰写及答辩验收（第17周的周四～周五） 指导教师： 201 年月日专业负责人： 201 年月日 学院教学副院长： 201 年月日
滚珠丝杠副传动系统
滚珠丝杠副传动系统 滚珠丝杠螺母副的特点 滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构。滚珠丝杠螺母副其它特点如下: 1.运动极灵敏，低速时不会出现爬行； 2.可以完全消除间隙并可预紧，故有较高的轴向刚度，反向定位精度高； 3.滚珠丝杠螺母副摩擦系数小，无自锁，能实现可逆传动； 4.滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分外循环和内循环两种，如图7.3所示。 预紧是指它在过盈的条件下工作，把弹性变形量控制在最小限度。滚珠丝杠多采用双螺母调隙结构。用双螺母加预紧力消除轴向间隙时，必须注意：预紧力不宜过大或过小，要特别减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。 双螺母调隙结构分为螺纹式、垫片式和齿差式等，如图7.4所示。 內絹环方式 图7.3滚珠丝杠螺母副 （分别点击图片进入仿真页 a.螺纹式 b.垫片式
c.齿差式 图7.4双螺母调隙结构 滚珠丝杠的主要技术参数 滚珠丝杠的主要技术参数如图7.5所示。 1）名义直径DO 滚珠丝杠的名义直径DO是滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时，包络滚珠球心的圆柱直径。它是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。名义直径与承载能力有直接关系，DO越大，承载能力和刚度越大。 2）基本导程Ph 导程是丝杠相对于螺母旋转一圈时，螺母上基准点的轴向位移。导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。导程过小势必使滚珠直径变小，滚珠丝杠螺母副的承载能力亦随之减小。 3）滚珠直径dO 一般取d0=0.6Ph 4）滚珠的工作圈数j和工作滚珠总数N 工作圈数j 一般取2.5?3.5圈，而工作滚珠总数N以不大于150个为宜。 5）列数K 要求工作圈数较多的场合，可采用双列或多列式螺母的结构形式
滚珠丝杠副选用的基本原则
滚珠丝杠副速选的基本原则 种类的选择：目前滚珠丝杠副的性价比已经相当高，无特别大的载荷要求时，都选择滚珠丝杠副，它具有价格相对便宜，效率高，精度可选范围广、尺寸标准化安装方便等优点。在精度要求不是太高时，通常选择冷轧滚珠丝杠副，以便降低成本；在精度要求高或载荷超过冷轧丝杠最大规格额定载荷时需选择磨制或旋铣滚珠丝杠副。不管何类滚珠丝杠副，螺母的尺寸尽量在系列规格中选择，以降低成本缩短货 期。 精度级别的选择：滚珠丝杠副在用于纯传动时，通常选用“T”类（即机械手册中提到的传动类），其精度级别一般可选“T5”级（周期偏差在1丝以下），“T7”级或“T10”级，其总长范围内偏差一般无要求（可不考虑加工时温差等对行程精度的影响，便于加工）。因而，价格较低（建议选“T7”，且上述3种级别的价格差不大）；在用于精密定位传动（有行程上的定位要求）时，则要选择“P”类（即机械手册中提到的定位类），精度级别要在“P1”、“P2”、“P3”、“P4”、“P5”级（精度依次降低），其中“P1”、“P2”级价格很贵，一般用于非常精密的工作母机或要求很高的场合，多数情况下开环使用（非母机），而“P3”、“P4”级在高精度机床中用得最多、最广，需要很高精度时一般加装光栅，需要较高精度时开环使用也很好，“P5”则使用大多数数控机床及其改造，如数控车，数控铣、镗，数控磨以及各种配合数控装置的传动机构，需要时也可加装光栅（因“5”级的“任意300mm行程的偏差为0.023”，且曲线平滑，在很多实际案例中，配合光栅效果非常好）。文档收集自网络，仅用于个人学习 规格的选择：首先当然是要选有足够载荷（动载和静载）的规格。根据使用状态，选择符合条件的规格。同时（重点），如果选用的是磨制或旋铣滚珠丝杠副（冷轧的不需要考虑长径比），要估算长径比（丝杠总长除以螺纹公称直径的比值），但因长度在设计时已确定，在规格的确定上需要调整，原则上使其长径比小于50，（理论上长径比越小越好，对“P”类丝杠而言，长径比越小越利于加工和保证各项形位公差，故单位价格越便宜）。所以“规格越小不等于越便宜”。文档收集自网络，仅用于个人学习 预紧方式的选择：对于纯传动的情况，一般要求传动灵活，允许有一定返向间隙（不大，一般为几丝），多选用单螺母，它价格相对便宜、传动更灵活；对于不允许有返向间隙的精密传动的情况，则需选择双螺母预紧，它能调整预紧力的大小，保持性好，并能够重复调整；另外，在行程空间受限制的情况下，也可选用变位导程预紧（俗称错距预紧），该方式预紧力较小，且难以重复调整，一般不选。文档收集自网络，仅用于个人学习 导程的选择：选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚）。在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度）；对于要求高速度的场合，导程可以超过20，对磨制丝杠而言导程一般可做到约等于公称直径（受磨削螺旋升角限制），如32（32*32）、40（40*40）等，当然也可以更大（非磨削，但极少考虑）。导程越大，同条件下旋转分力越大，周期误差被放大，速度越快。故一般速度很高的场合要求的是灵活，而放弃部分精度诉求，对间隙要求意义变小（导程精度偏差增大），因此，大导程丝杠一般都是单螺母。文档收集自网络，仅用于个人学习 完整的滚珠丝杠副设计选型，除了要考虑传动行程（间接影响其他性能参数）、导程（结合设计速度和马达转速选取）、使用状态（影响受力情况），额定载荷（尤其是动载荷将影响寿命）、部件刚度（影响定位精度和重复定位精度）、安装形式（力系组成和力学模型）、载荷脉动情况（与静载荷一同考虑决定安全性），形状特性（影响工艺性和安装）等因素外，还需要对所选的规格的重复定位精度、定位精度、压杆稳定性、极限转速、峰值静载荷以及循环系统极限速率（Dn值）等进行校核，进行修正选择后才能得到完全适用的规格，进而确定马达、轴承等关联件的特征参数。文档收集自网络，仅用于个人学习 滚珠丝杠副基础知识 1. 什么是滚珠丝杠副？ 滚珠丝杠副是由丝杠，螺母，滚珠组成的机械元件。其作用是将旋转运动转变为直线运动，或逆向由直线运动变为旋转运动。丝杠、螺母之间用滚珠做滚动体。文档收集自网络，仅用于个人学习
滚珠丝杠的选型计算
滚珠丝杠的选型计算 摘要： 随着机床及自动化行业的高速发展，滚珠丝杠的使用变得越来越广泛。许多机械工程师在对自己的设备所需要的滚珠丝杠选型时，面对丝杠资料上给的复杂的计算公式和繁杂选型步骤，感觉无从下手，不知道那些是需要重点考虑的关键点。为了使滚珠丝杠的选型步骤更为清晰简便，更既具备可操作性，我结合多年来丝杠的选型经验，对丝杠的选型做了一些归纳、简化，让丝杠的选型选型更为简单明了。顺便对应的伺服电机的选型也做说明。 关键词：滚珠丝杠、计算选型、伺服电机、机床、自动化。 一、确认使用条件： 1、被移动负载的质量：M (KG) 2、丝杠的安装方向：水平、垂直、倾斜； 3、沉重导轨的形式：线轨、平面导轨、 4、丝杠的行程：L (mm) 5、负载移动的速度：v (m/s) 6、负载需要的加速度：a (m/s^2) 7、丝杠的精度：C3到C7级 8、丝杠使用的环境：特殊环境需求的考虑。 二、简化计算选型： 举例，使用条件如下： 1、被移动负载重量：M=50kg; 2、安装方向：垂直安装; 3、导轨形式：线性滑轨 4、速度：v=0.2m/s 5、加速时间：t=0.1s 6、行程：1000mm； 7、精度：0.1mm 三、计算过程： 1、计算加速度：a=v/t=0.2/0.1=2m/s^2 (v：速度；t：加速时间) 2、计算丝杠的最大轴向力：F=Mgμ+Ma +Mg (水平运动，去除Mg选型，M负载重
量；g重力加速度9.8；μ：摩擦系数，平面导轨取值0.1，线轨取值：0.05；a加速度) F=50*9.8*0.05+50*2+50*9.8=614.5N 3、计算出丝杠的轴向负载以后，选型会出现两个分支，一种情况是客户不知道设备的设 计寿命年限，以及每一年中丝杠的使用平率，不做精确的丝杠寿命校核。那么我们推荐一种简单可行的方法，就是查询丝杠资料中的动负荷值C。结合第7项精度0.1mm 的要求，我们推荐常备FSI螺帽形式的丝杠，尺寸参数表如下： 根据丝杠的轴向推力：F=614.5N=62.7kgf；我们推荐将F乘以4~8之间的一个系数，对于使用平率低，可靠度要求不高的情况，我们推荐4倍系数，对于可靠度要求较高，我们推荐8倍的系数。 根据举例：F*8=62.7*8=501.6kgf；查询丝杠的表格，16-5T3的丝杠，其动负荷是1000kgf； 大于501.6kgf，所以16-5T3的丝杠可以满足要求；该型号表示，丝杠的公称直径为16mm；丝杠导程为5mm； 4、对于丝杠寿命有明确要求的选型，举例如下： 根据此前的举例，丝杠用20s做一次往返运动，停留10s在进行下一个循环。每天工作16小时，每年工作300天，设计寿命10年。则计算丝杠的转数寿命为： L=1000/5*2*2*60*16*300*10 (1000是行程，5是导程，2是往返，2是每分钟2次，
丝杆计算方法完整版
丝杆计算方法 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
一、计算折合到电机上的负载转矩的方法如下： 1、水平直线运动轴： *μ·W·P B T L = 2π·R·η（N·M） 式 P B ：滚珠丝杆螺距（m） μ：摩擦系数 η：传动系数的效率 1/R：减速比 W:工作台及工件重量（KG） 2、垂直直线运动轴： *（W-W C ）P B T L= 2π·R·η（N·M） 式 W C ：配重块重量（KG） 3、旋转轴运动： T 1 T L = R·η（N·M） 式 T 1 ：负载转矩（N·M） 二：负载惯量计算 与负载转矩不同的是，只通过计算即可得到负载惯量的准确数值。不管是直线运动还是旋转运动，对所有由电机驱动的运动部件的惯量分别计算，并按照规则相加即可得到负载惯量。由以下基本公式就能得到几乎所有情况下的负载惯量。1、柱体的惯量 D(cm） L（cm） 由下式计算有中心轴的援助体的惯量。如滚珠丝杆，齿轮等。 πγD4L （kg·cm·sec2）或πγ·L·D4（KG·M2） J K = 32*980 J K = 32 式γ：密度（KG/CM3）铁：γ〧*10-3KG/CM3=*103KG/M3 铝：γ〧*10-3KG/CM3=*103KG/M3 JK：惯量（KG·CM·SEC2）（KG·M2） D：圆柱体直径（CM）·（M） L：圆柱体长度（CM ）·（M） 2、运动体的惯量 用下式计算诸如工作台、工件等部件的惯量 W P B 2 J L1 = 980 2π（KG·CM·SEC2） P B 2 =W 2π（KG·M2） 式中：W：直线运动体的重量（KG） PB：以直线方向电机每转移动量（cm）或（m）3、有变速机构时折算到电机轴上的惯量
滚珠丝杠副的设计计算
某台加工中心台进给用滚珠丝杠副的设计计算: 已知: 工作台重量 W 1=5000N 工作及夹具最大重量W 2=3000N 工作台最大行程 L K =1000mm 工作台导轨的摩擦系数:动摩擦系数μ=0.1 静摩擦系数μ0=0.2 快速进给速度 V max =15m/min 定位精度20 μm /300mm 全行程25μm 重复定位精度10μm 要求寿命20000小时(两班制工作十年)。 表1 1)确定滚珠丝杠副的导程 因电机与丝杠直联，i=1 由表1查得 代入得，
按第2页表，取 2）确定当量转速与当量载荷 （1）各种切削方式下，丝杠转速 由表1查得 代入得 （1）各种切削方式下，丝杠轴向载荷 由表1查得
代入得 （3）当量转速 由表1查得 代入得 （2）当量载荷 代入得 3）预期额定动载荷 （1）按预期工作时间估算
=1.3 按表9查得：轻微冲击取 f w 按表7查得：1～3取 按表8查得：可靠性97%取f =0.44 c =20000小时 已知：L h 代入得 （2）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载F 计算： max =4.5 按表10查得：中预载取 F e 代入得 取以上两种结果的最大值 4）确定允许的最小螺纹底径 （1）估算丝杠允许的最大轴向变形量 ① ≤（1/3～1/4）重复定位精度
② ≤（1/4～1/5）定位精度 : 最大轴向变形量μm 已知：重复定位精度10μm, 定位精度25μm ① =3 ② =6 取两种结果的小值=3μm (2）估算最小螺纹底径 丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式 (1.1～1.2)行程+（10～14） 已知：行程为1000mm, 代入得
滚珠丝杠的设计计算与选用#精选
滚珠丝杠的设计计算与选用 滚珠丝杠 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 2)高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3)微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4)无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 5)高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。
滚珠丝杠副特性 ?传动效率高 滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%～98%，为传统的滑动丝杠系统的 2～4倍，如图1.1.1所示，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可 由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。 ?运动平稳 滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。 ?高精度 滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。 ?高耐用性 钢球滚动接触处均经硬化（HRC58～63）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 ?同步性好 由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。 ?高可靠性 与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。 ?无背隙与高刚性 滚珠丝杠传动系统采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状（见图 2.1.2—2.1.3）、使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当 的预紧力，消除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性，减 ?少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。 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。它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)最大进给速度应达到40m/min或更高；(2)加速度要高，达到1g以上；(3)动态性能要