滚珠丝杠副的三维建模及仿真
滚珠丝杠副的三维建模及仿真
1 滚珠丝杠副的结构
滚珠丝杠副由滚珠、丝杠和螺母组成，其结构如图1所示
图1 滚珠丝杠副的结构
2 滚珠丝杠的建模
在这里我建立模型只是为了更方便看清楚滚珠与丝杠和螺母之间的关系，并不能直接用这个建模后的模型仿真，但这个建模在一定程度上也为后来的仿真做了一些准备工作。
2.1 螺母的建模
启动pro/e软件，在文件菜单下设置工作目录，选择方便使用的文件夹作为工作目录。设置工作目录是为了方便存取文件，以后新建文件系统也会自动指向这个文件夹。
选择【文件】——【新建】，在“类型”里选择“零件”，在“子类型”中选择“实体”，在“名称”里输入“螺母”，不适用缺省模板，选择mmns-part-solid 模板，这种符合国家标准，单击“确定”随后进入pro/e零件建模模块。
选择【拉伸】进入实体操作状态按住右键选择“定义内部草绘”进入草绘状
态后，绘制直径110mm、厚度15mm的螺母的凸缘造型，再【拉伸】以相同草绘平面绘制直径71mm、厚度65mm拉伸方向与上一步相同的螺母体的造型。如图2所示
图2 螺母体的造型
在此选择【拉伸】命令，按住右键选择“移除材料”，接着定义内部草绘，草绘平面选择“使用先前的”进入草绘后在螺母体的一侧面绘制直径为49.5mm 的同心圆草图，在信息栏中选择改变拉伸方向，然后选择穿透；然后确定应用，完成通孔的造型；最后选择【插入】——【螺旋扫描切口】，完成螺母螺纹孔的造型。
在应用拉伸移除材料绘制螺母凸缘上一个阶梯孔的造型，用阵列命令完成六个空的造型。为了方便观察用拉伸移除材料将螺母四分之一切掉，形成半刨视图。螺母的三维建模完成，如图3所示
特别指出这里切除四分之一的螺母只是为了后面建模成滚珠丝杠后能清楚的看清里面的结构。
图3 螺母的三维建模
2.2 丝杠的建模
启动pro/e软件然后按照与螺母建模相同的操作方法进行pro/e零件建模。
首先选择【插入】——【拉伸】，完成直径为49.5mm的丝杠圆柱的造型，再选择【插入】——【螺旋扫描切口】完成丝杠螺纹的造型，如图4所示。
这里我们画的丝杠比较长，只是为了让大家更清楚的看清楚丝杠。
图4 丝杠
2.3 滚珠的建模
按丝杠的建模方法新建零件草图，点击工具栏插入基准曲线，弹出对话框中选择“从方程”并完成，根据提示依次选择坐标系；选择笛卡尔作为参数形式，弹出记事本输入轨迹方程如图5所示，保存并关闭记事本完成了曲线定义的所有
项目，单击确定按钮，即生成轨迹曲线如图6所示。
进入草绘状态，在TOP平面上绘制直径3.175mm的圆，圆心位于FRONT平面下方，且与原点水平距离为24.75mm，利用一条直线将圆的左半边裁掉，然后完成草绘。选择【插入】——【旋转】根据提示选择半圆作为旋转对象，直径作为旋转轴，旋转角度为360完成滚珠造型。如图7所示。
将旋转做成的滚珠阵列：选择【编辑】——【阵列】命令，出现阵列信息栏，选择类型为“轴”，选螺旋线的中心线为阵列中心；第一方向阵列成员220个，角度为7.44；第二方向为1，选择尺寸信息，在方向1的增量上输入0.10416667；其他不变，完成。如图8所示。
图5 记事本对话框
图6 生成的螺旋曲线
图7 滚珠的造型
图8 滚珠的螺旋阵列
3 滚珠丝杠副的装配
采用有底向上的装配设计，首先生成个装配零件，然后有零件生成装配件。在pro/e中装配件也叫组件，选择【文件】——【新建】，在“类型”中选择“组件”，在“子类型”中选择“设计”，在名称中说如gunzhusigang，选择不适用缺省模板，选择mmns-asm-design模板，点击“确定”进入装配界面。
选择【插入】——【元件】——【装配】，系统弹出对话框，要求选取零件以便调入装配环境，在此选择螺母作为第一个进入装配的零件，这时屏幕中出现
了螺母零件，同时弹出装配操控板，由于是第一个插入的零件因此无须进行约束，确定完成螺母装配。
然后再选择【插入】——【元件】——【装配】，选择丝杠作为第二个进入装配的零件，这时屏幕中出现了丝杠零件，单击“放置”，在“约束类型”中选择“对齐”，并在屏幕中依次选择螺母的轴线和丝杠的轴线作为对齐项目，使螺母与丝杠同轴。
单击“移动”菜单，在“运动类型”中选择“平移”，然后在屏幕上单击鼠标左键，并移动鼠标来实现丝杠的移动，将丝杠移动到其螺旋滚道与螺母螺旋滚道对齐即可。确定完成丝杠的装配
再选择【插入】——【元件】——【装配】，选择滚珠作为第三个进入装配的零件，这时屏幕中出现了滚珠零件，单击“放置”，在“约束类型”下拉列表中选择“对齐”，并在屏幕中依次选择丝杠的轴线和滚珠螺旋线的轴线作为对齐项目，使滚珠与丝杠同轴。
单击“移动”在“运动类型”中选择“平移”，然后在屏幕上单击鼠标左键，并移动鼠标来实现滚珠的移动，将滚珠移动到丝杠与螺母共同形成的螺旋滚道，确定。完成滚珠与螺母、丝杠的装配，如图9所示。
图9 滚珠丝杠装配图
4、滚珠丝杠副的仿真
此仿真在与建模相比还是有很大区别的。比如，建模时只需要能够装
配在一起，没有形成运动轨迹，而仿真时要让实体按照一定的运动轨迹运动，就需要给零件设置不同的约束，让其按照预定的轨迹运动，对各个零件的相互约束要求的比较严格。运动时要能够满足滚珠丝杠副在数控机床中预定的运动。具体仿真过程如下：
选择【新建】——【组件】，不使用缺省模板，子类型选择【设计】，名字为fangzhengunzhusigang。模板选择mmns-asm-design,单击【确定】，进入装配界面。为放置丝杠创建一个基准轴，单击【基准轴工具】选择ASM-FRONT和ASM-RIGHT 两个平面如图10所示，创建的基准轴如图11所示。
图10 基准轴对话框
图 11 创建的基准轴
下来开始装配零件，与上一次装配不一样的也基本上从这里开始，装配进去丝杠后，开始给丝杠限制约束，根据丝杠在数控车床上的运动可以知道，我们只要丝杠进行轴向转动不产生位移，根据这个给丝杠两个约束类型，一个圆柱和一个平面。具体见图12-15
图12选择圆柱约束
图13丝杠圆柱约束选择新建的基准轴和丝杠的中心轴接下来选择新建集如图
图14 新约束对话框
给新建集选择平面约束，从而使两个平面相接触，不产生移动，使丝杠完全约束，从而使丝杠达到预定的运动形式。
图15 选择平面约束的对话框
选择平面ASM-RIGHT和RIGHT，如图16
图16 平面约束对话框
点“对号”丝杠装配就此完成。下一步就开始装配螺母，点“装配零件”选择螺母，导入螺母如图17 螺母是装配时没有切除4
1时的螺母。
图17 导入的螺母
螺母在与丝杠在一起装配时，分析数控机床知道在运动过程中螺母只能做沿着轴向平移，不能有转动出现，所以在这里首先要让螺母不能有转动，这就需要一个平面约束，要和丝杠装配，所以就还需要一个圆柱约束。当然这些只是限制了螺母的运动，它们装在一起肯定要传递运动的，这里我们给丝杠与螺母一个槽约束，让丝杠转动，螺母沿着螺旋方向开始水平移动，这就将旋转运动转换成为直线运动了具体操作如下图18-24
图18 选择圆柱约束的对话框
图19 圆柱约束选择建模坐标系中新建的基准轴和螺母的中心线
图20新约束选择平面约束的对话框
图21 选择ASM-TOP和TOP两平面形成平面约束
图22 新建槽约束的对话框
下面是选择丝杠的螺旋线，在这里要特别注意一定要将螺旋线选择正确，不能有缺口，否则无法仿真，运动将出现失败，先选择丝杠的螺纹的一条线，然后按住ctrl将所有的螺旋线全部选择，在此过程中，螺旋线并不是一圈两条，螺旋线可能是由很多的不同小线条组成的，这时应该将每一条的线全部选择，这也是此装配的一个难点，在很多次装配时都出现了没有将螺旋线选择完成这种情况，结果仿真时出现了机构不合理，不能进行运动仿真的问题。
图23 选择丝杠的螺旋线
选择完螺旋线，然后就剩下在螺母上面选择一点，这一点一定要和选择的螺旋线相匹配，否则不能进行仿真运动了。螺母上的点是以前画零件时做在上面的基准点，这个点的选择也是十分重要的，因此一定要匹配。
图24 槽约束的丝杠和螺母
这里点选“对号”就完成了滚珠与螺母的装配。然后就是滚珠的装配了，综合分析后得出的结论，目前我们只能想着让螺母与滚珠之间用一个槽约束完成滚珠在丝杠与螺母之间的运动，这与滚珠丝杠副在数控机床上的运动相差太大，滚珠丝杠之中的运动传递是丝杠传递给滚珠，滚珠传递给螺母，从而形成了周期的运动，但就目前来看无法完成那样的仿真，只能简化运动让其达到预定的效果。所以在这里我们只要求滚珠与螺母之间可以形成模仿滚珠丝杠内部的这种运动就可以。在这里给滚珠与螺母一个槽约束，让其达到预定的效果。为了方便装配，在导入滚珠之前，必须先将已经装配好的丝杠进行隐藏，这样就有利于槽约束时，螺母的螺旋线的选择。如果不隐藏丝杠可能在选择时将丝杠的螺旋线选择上，导致失败。在选择螺旋线时注意事项和丝杠相同。然后进行滚珠的导入，具体如图4.25
图25 隐藏丝杠后的装配图
图26导入滚珠后的装配图
图27 隐藏丝杠的模型树
图28 槽约束对话框
图29 螺母螺旋线的选择
图30螺母与滚珠形成的槽连接
螺母与滚珠的连接主要就是螺纹的选择，螺纹的选择要和丝杠的选择一样，中间不能有断续的线条出现，滚珠也选择靠左边的点来进行装配。要保证滚珠在螺母的轨道中，不能偏离轨道。装配完成后，接着就是给丝杠取消隐藏，具体如
图31。
图31取消隐藏的丝杠模型树
完成装配后就开始给滚珠丝杠副添加伺服电机，让其模拟丝杠进行运动。具
体操作步骤如下：先在应用程序中选择“机构”进入机构中，选择“伺服电机”
给丝杠螺母，螺母滚珠，分别添加一个伺服电机，运动轴分别选择所创建的两个
槽连接，分别使它们按照预定的轨迹进行运动，方向选择可以参考丝杠上面的指
针方向，轮廓设置中要定义为速度的，可以看到它们具体的运动形式，丝杠与螺
母由于运动的轨迹比较长一些，设置速度为20；而螺母与滚珠之间的运动轨迹
短，设置速度为1，不至于在还没有运动完滚珠就不满足运动了，当然在真实的
滚珠丝杠副中不会出现这种情况，它的螺母有循环轨道，不会出现滚珠掉出来。
具体步骤如图32——37。
图32给丝杠与螺母添加伺服电机
图33 丝杠与螺母添加伺服电机后的丝杠螺母
图34丝杠螺母关于伺服电机轮廓的对话框
图35 螺母和滚珠添加的伺服电机的对话框
图36 轮廓定义的对话框
图37 添加完两个伺服电机后滚珠丝杠的模型图
设置完伺服电机后就要进行滚珠丝杠副的分析定义，在这里设置工作时间，确定在此时间段内可以正常的进行运动。分析步骤和出现的提示如图38—
—44所示。最后保存仿真图，到此仿真就全部结束了。
图38 分析运动的对话框
图39 分析进行时的进度条
分析完成后保存分析结果，然后进行动画的回放。
图41 回放对话框
图42 保存分析结果对话框
图43动画回放控制窗口
图44 动画回放进行时的截图