滾珠絲杠精度保持性測試試驗臺設(shè)計

1、滾珠絲杠精度保持性試驗臺設(shè)計 第一章 概述1.1 課題背景及意義1.1.1 課題背景近年來，隨著數(shù)控技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的發(fā)展，滾珠絲杠副作為一種高效、節(jié)能、高精度、低成本的傳動與定位元件已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機械、航天航空、衛(wèi)星、儀器儀表、核工業(yè)等各個領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)水平的提高，數(shù)控機床、機器人等機械設(shè)備的進給速度越來越快，必然帶動滾珠絲杠副向高速化的方向發(fā)展。滾珠絲杠副產(chǎn)品出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面。 在數(shù)控技術(shù)方面隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，一批又一批的高速數(shù)控機床應(yīng)運而生，其功能隨主機的要求不斷擴展提高，從20世紀4050年代的“敏捷省能傳動”到70年代“精密定位”，再從80年代的“大導程快速

2、驅(qū)動”到90年代后期的“精密高速驅(qū)動”，在這一發(fā)展過程中，產(chǎn)品不斷升級換代，達到質(zhì)的飛躍。在驅(qū)動速度不斷提高并向更高速度推進的過程中，不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對進給系統(tǒng)提出了很高的要求：（1） 大進給速度應(yīng)達到40m/min或更高;（2） 加速度要高達到1g以上;（3） 動態(tài)性能要好,達到較高的定位精度。因此為適應(yīng)高速化要求（40m/min以上）、滿足承載要求且能精密定位的滾珠絲杠副就成為能實現(xiàn)數(shù)控機床高速化首選的傳動與定位部件。而且作為伺服進給驅(qū)動系統(tǒng)中的重要執(zhí)行機構(gòu)滾珠絲杠副，其發(fā)展必然與具有高效快速、節(jié)省能源、零間隙高剛度傳動、跟隨靈敏、不污染環(huán)境且周邊環(huán)境的適應(yīng)性強等特點的

3、高速切削機床的發(fā)展同步，將始終占據(jù)直線運動應(yīng)用領(lǐng)域的絕大部分市場。為適應(yīng)高速切削加工的要求，高性能的滾珠絲杠副已成為滾珠絲桿副產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。它要求滾珠絲杠副在高速度的基礎(chǔ)上具有高的精度穩(wěn)定性，達到高剛度、高負載、自潤滑、低噪聲、小溫升、長壽命等性能，這就要求滾珠絲杠副在設(shè)計、制造及試驗檢測技術(shù)上不斷的創(chuàng)新。滾珠絲杠副在高速驅(qū)動時主要存在的問題是：噪聲、溫升、精度。滾珠絲杠副噪聲產(chǎn)生的原因主要有：滾珠在循環(huán)回路中的流暢性、滾珠之間的碰撞 滾道的粗糙度、絲杠的彎曲等。滾珠絲杠副的溫升主要是由滾珠與絲杠、螺母、反向器之問的摩擦及滾珠之間的摩擦產(chǎn)生的要解決上述問題首先應(yīng)從滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)設(shè)計開始，對

4、存在的問題采取措施；另一方面，從工藝上解決，通過合理的工藝流程，提高產(chǎn)品的內(nèi)質(zhì)量；選取適當?shù)臐L珠絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩；減小滾珠絲杠副的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的變動量，使?jié)L珠絲杠副適應(yīng)高速驅(qū)動的要求。總之，隨著社會的不斷發(fā)展，用戶對滾珠絲杠副的要求越來越嚴，要求也多樣化，促使?jié)L珠絲杠生產(chǎn)廠不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量、開發(fā)新品種，以滿足用戶的需求。1.1.2課題的意義近幾年來，人們對滾珠絲杠副的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩變動量的大小開始重視起來，以前人們只重視滾珠絲杠副綜合行程誤差曲線，現(xiàn)在也開始重視滾珠絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的曲線 因為有了這兩條曲線，滾珠絲杠副的性能就能很好地反映出來為了滿足上述要求，北京機床研究所先后研制了滾珠絲杠副綜合行程誤差測

5、量儀和預(yù)緊轉(zhuǎn)矩測量儀。應(yīng)用現(xiàn)代化的測量手段和高精度的傳感器，在測量過程中能實時顯示行程誤差曲線和預(yù)緊轉(zhuǎn)矩曲線，并打印出完整的測量報告，為衡量滾珠絲杠副的總成質(zhì)量，提供了可靠的檢測手段。制造和測量是密不可分的，沒有測量產(chǎn)品質(zhì)量就沒有保證。要實現(xiàn)滾珠絲杠副高性能原材料的選擇是直接影響滾珠絲杠副的高剛度、高負載等性能的重要因素。對材料進行相關(guān)的試驗，并通過試驗成果來指導產(chǎn)品設(shè)計，選擇原材料，以改善滾珠絲杠副的內(nèi)在性能是至關(guān)重要的。要實現(xiàn)滾珠絲杠副高性能，還必須從檢測技術(shù)上依靠科技求創(chuàng)新。精確的檢測手段及完善的試驗設(shè)備是保證產(chǎn)品質(zhì)量和研究產(chǎn)品性能的前提。長期以來，我國過于追求對檢測滾珠絲杠副的螺距精度

6、的研究，而在滾珠絲杠副的性能研究上相對滯后，甚至在一些性能的項目如滾珠絲杠副噪聲、溫升、加速度、動態(tài)剛度等試驗上還是一片空白，致使產(chǎn)品在性能上與國際先進水平存在較大的差距，這也是制約我國數(shù)控機床向更高檔次發(fā)展的主要原因之一。要實現(xiàn)滾珠絲杠副高性能，就必須從檢測技術(shù)上依靠科技求創(chuàng)新。精確的檢測手段及完善的試驗設(shè)備是保證產(chǎn)品質(zhì)量和研究產(chǎn)品性能的前提。隨著數(shù)控機床向高速化發(fā)展（驅(qū)動速度40m/min），現(xiàn)有的滾珠絲杠副滿足不了要求，出現(xiàn)溫度上升，噪聲增大，定位精度下降等現(xiàn)象，有的可能由于×（公稱直徑×轉(zhuǎn)速）的增大，絲杠副結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，因此高速滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與普通滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)是

7、不同的。通過做模擬性試驗了解滾珠絲杠副在不同使用條件下的性能，以便了解滾珠絲杠副在不同使用條件下的使用情況。隨著用戶對滾珠絲杠副性能要求的逐步提高制造廠必須改進結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此需要通過測量了解產(chǎn)品的性能，為產(chǎn)品的改進提供有效可供比較的數(shù)據(jù)。本課題的意義在于研制開發(fā)一種用于測量高速滾珠絲杠副綜合性能參數(shù)的試驗臺。利用該試驗臺可以對滾珠絲杠副的加速度、速度、溫升、熱位移、定位精度等綜合性能參數(shù)進行測試,為用戶提供準確可靠的檢測報告。第二章 滾珠絲杠現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢等近年來國內(nèi)外在滾珠絲杠（副）方面的發(fā)展主要在以下幾個方面：2.1滾珠絲杠副在國內(nèi)的發(fā)展情況：滾珠絲杠副自1874年在美

8、國獲得專利至今已有100多年的歷史，自1964年我國自行研制出第一套滾珠絲杠副以來，在我國也有40余年的開發(fā)研制、專業(yè)生產(chǎn)的歷史.。隨著產(chǎn)品應(yīng)用范圍的不斷擴大及制造水平逐漸提高，滾珠絲杠副制造技術(shù)經(jīng)歷了以下幾個階段：1.起步行業(yè)標準的制定（19641982年）；2.發(fā)展部頒標準的形成（19821991年）；3.成熟國家標準的制定（19911998年）；4.趕超世界潮流（1998年）四個階段。經(jīng)過近40年的發(fā)展和努力，滾珠絲杠制造行業(yè)現(xiàn)在已基本形成一定的規(guī)模，滿足了國內(nèi)70 左右的市場需求。在滾動功能部件協(xié)會內(nèi)部有20多個生產(chǎn)廠家，而在協(xié)會以外，則星羅棋布大大小小有近100多個生產(chǎn)企業(yè)。但是在這

9、么多的生產(chǎn)企業(yè)中，真正能夠全規(guī)格、大批量、完全供應(yīng)所有的滾動功能部件的，又寥若晨星，屈指可數(shù)。這也就是說，國內(nèi)雖然有那么多的滾動功能部件生產(chǎn)廠家，但大部分僅僅生產(chǎn)某一類或某一類中的某些規(guī)格。這也就造成，滾動功能部件雖然廠家眾多，但絕大部分是低層次、低水平的，很難跟上數(shù)控機械行業(yè)的快速發(fā)展。隨著科學技木的不斷發(fā)展，人們對滾珠絲杠副的要求也越來越高，為了使機械產(chǎn)品能實現(xiàn)高的定位精度且能平穩(wěn)運行，這就要求滾珠絲杠副不但有高的精度，而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無阻滯現(xiàn)象。滾珠絲杠副運轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)，主要取決于滾珠絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的變動量，不同轉(zhuǎn)速下滾珠絲杠副的滾珠鏈運動的流暢性不同因此，滾珠絲杠副的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩也不相同。國際

10、標準ISO34083-1992以及部頒標準JB3162.2-92規(guī)定了在轉(zhuǎn)速為100rmin時，滾珠絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的允差。由于存在加工誤差，如：滾珠絲杠中徑尺寸全長不一致，絲杠、螺母的導程誤差，絲杠與螺母的滾道齒形誤差以及螺紋滾道的粗糙度等，使?jié)L珠絲杠副的動態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩在絲杠螺紋全長上是不恒定的，這直接影響驅(qū)動系統(tǒng)的平穩(wěn)性，因而也影響滾珠絲杠剮的定位精度。因此，滾珠絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩變動量的大小是反映滾珠絲杠副性能好壞的重要指標。2.2滾珠絲杠副在國外的發(fā)展：早在l9世紀末就發(fā)明了滾珠絲杠副，但很長一段時間未能實際應(yīng)用，因制造難度太大。世界上第一個使用滾珠絲杠副的是美國通用汽車公司薩吉諾分廠，它將滾

11、珠絲杠副用于汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上。l940年，美國開始成批生產(chǎn)用于汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的滾珠絲杠副，1943年，滾珠絲杠副開始用于飛機上。精密螺紋磨床的出現(xiàn)使?jié)L珠絲杠副在精度和性能上產(chǎn)生了較大的飛躍，隨著數(shù)控機床和各種自動化設(shè)備的發(fā)展，促進了滾珠絲杠副的研究和生產(chǎn)。從5O年代開始，在工業(yè)發(fā)達的國家中，滾珠絲杠副生產(chǎn)廠家如雨后春筍般迅速出現(xiàn)，例如：美國的WARNERBEAVER 公司、GM SAGINAW 公司；英國的ROTAX公司；日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。隨著在滾珠絲杠應(yīng)用中對滾珠絲杠性能要求的不斷提高，先進、便捷的檢測手段成了生產(chǎn)提高滾珠絲杠質(zhì)量及產(chǎn)量的可靠保證。國外許多制造滾珠絲杠的公

12、司，除了致力于改革加工工藝外，都把檢測手段的更新?lián)Q代放在優(yōu)先的地位。經(jīng)過多年的開發(fā)和試驗，已形成了一套較為完整的檢測體系，它們包括有:導程精度測量儀、觸針式輪廓測量儀、動態(tài)預(yù)緊力矩儀、壽命試驗機和接觸剛度測量機等。這些檢測儀器都有幾個值得注意的特點:（1） 采用微處理機或計算機，對檢測數(shù)據(jù)自動判別和處理。如日本NSK公司 ，在LMS型3m激光絲杠動態(tài)測量儀上加了一套“導程精度自動評定系統(tǒng)”(Lead Accuracy Measuring System)。它具有三個功用 :迅速完成數(shù)據(jù)處理，輸出導程誤差曲線，并根據(jù)JIS或ISO滾珠絲杠標準判斷出精度等級;通過圖形放大、濾波獲得精確數(shù)據(jù)，對誤差做

13、出統(tǒng)計分析;對導程誤差曲線進行諧波分析。（2） 測量儀器的多功能化.例如，聯(lián)邦德國林德納公司研制的GMM-4導程測量機，對于各種不同牙型的絲杠，可以同時完成螺紋中徑、單面導程誤差及雙面大導程誤差的測量。而且，還能夠?qū)ρb配后的滾珠絲杠副，同時進行綜合導程精度和空載預(yù)緊力矩的測量。（3） 測量方式向動態(tài)連續(xù)機自動化方向發(fā)展。測量方式采用動態(tài)連續(xù)測量，是為了獲得與滾珠絲杠工作狀態(tài)接近的各種性能數(shù)據(jù)。如日本NSK公司研制了臥式連續(xù)動態(tài)預(yù)緊力矩測量機，安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的裝配工段。使用時，可以自動的滾珠絲杠儀300 m /m in的速度跑合50個回合，然后自動轉(zhuǎn)入低速并開始自動測量和記錄。綜上所述，當前國內(nèi)

14、外滾珠絲杠動態(tài)測量儀的發(fā)展，主要有以下幾個方面:(1)儀器能適應(yīng)最新的國家標準和ISO標準，為企業(yè)技術(shù)改造提供依據(jù)，推動生的進步，提高產(chǎn)品工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，為產(chǎn)品走向國際市場提供依據(jù)保證。(2)測量功能的集成化。同一臺測量儀可測多種類型的絲杠，既可測滾珠絲杠，也可測梯形絲杠，既能測量綜合導程精度，又能測量動態(tài)預(yù)緊力矩，大大降低了檢測成本。第三章 設(shè)計的用途、主要技術(shù)性能及特點3.1 論文主要完成以下幾個方面的研究工作：(1)研究絲杠的動態(tài)測量方法，針對實際應(yīng)用的要求選擇合適的測量手段，選擇合適的測量工具。(2)完成測量平臺主軸控制系統(tǒng)的設(shè)計，選用合適的驅(qū)動電機及控制方式，以達到測量的要求(3

15、)設(shè)計友善的用戶界面，通過簡便快捷的操作實現(xiàn)對主軸電機的控制、測量信號的采集。3.2設(shè)計方案的基本原則1） 在分析高速滾珠絲杠副動態(tài)測量系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、操作程序的基礎(chǔ)上，結(jié)合成功的經(jīng)驗提出技術(shù)方案。保留成功可行的操作，以利于操作人員操作利于操作原則。2） 在開發(fā)中淘汰過時，落后的系統(tǒng)和器件，確保系統(tǒng)的先進性，快速性和可維修性先進性于可維修性。 第四章 滾珠絲杠螺母副的選擇本次設(shè)計主要是測量了滾珠絲杠的動態(tài)性能參數(shù)，滾珠絲杠作為主要的研究對象在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該對滾珠絲杠副的工作原理、傳動特點、循環(huán)方式、結(jié)構(gòu)形式做了詳細的講述，并討論了滾珠絲杠高速化以后的結(jié)構(gòu)形式。在設(shè)計時同時考慮到控制部

16、分的設(shè)計，對滾珠絲杠的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了講述。4.1滾珠絲杠副的工作原理及結(jié)構(gòu)形式4.1.1 滾珠絲杠副的工作原理及其傳動特點4.1.1.1工作原理滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間放入適量的滾珠來使絲杠與螺母之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的絲杠傳功。滾珠絲杠副在機械傳動中的作用，同樣是可以將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，也可以將直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。根據(jù)絲杠和螺母相對運動的組合情況，其傳動方式也是多種多樣的。滾珠絲杠副一般是由絲杠1、螺母2、滾珠3以及滾珠循環(huán)返回裝置4四個主要部分組成。如圖2.1所示。a) 為外循環(huán)方式 b) 為內(nèi)循環(huán)方式1-滾珠絲杠 2-螺母 3-滾珠 4-反向器圖4.1 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)從

17、4.1可知，滾珠絲杠副就是指在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間，連續(xù)填滿滾珠作為中間體的螺旋傳動。其工作原理如下：當螺母2(或絲杠1)轉(zhuǎn)動時，在絲杠與螺母間布置的滾珠3依次沿螺紋滾道滾動，同時滾珠3促使絲杠1(或螺母2)作直線運動。為了防止?jié)L珠沿螺紋滾道滾出，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置(返向器)4，構(gòu)成一個封閉的滾珠循環(huán)通道。借助于這個返回裝置，可以使?jié)L珠沿滾道面運動后，經(jīng)通道自動地返回到其工作的入口處，從而使?jié)L珠能在螺紋滾道上繼續(xù)不斷地參與工作。為了消除間隙和提高傳動精度及剛度，滾珠螺母常由兩段組成。滾珠絲杠副除了上述四個部分外，還要有擦拭器，擦拭器將異物從滾珠絲杠內(nèi)部的關(guān)鍵部件中清除掉，并確保

18、有效潤滑。在許多應(yīng)用場合，擦拭器可延長滾珠絲杠的壽命并提高機械的可靠性。擦拭器可安裝在滾珠絲杠的外部或內(nèi)部。4.1.1.2滾珠絲杠副的傳動特點滾珠絲杠副作為精度高的傳動元件在精密機床、數(shù)控機床上得到廣泛的應(yīng)用，在機械工業(yè)、交通運輸、航天航空、軍工產(chǎn)品等各個領(lǐng)域應(yīng)用的很普遍，可用作精密定位自動控制、動力傳遞和運動轉(zhuǎn)換。滾珠絲杠副傳動與滑動絲杠傳動相比其主要特點是：1. 傳動效率高，可達0.90.98，平均為滑動絲杠傳動的23倍，可節(jié)省動力1/23/4，有利于主機的小型化及減輕勞動強度；2. 摩擦力矩小，接觸剛度高，使溫升熱變形減小，有利于改善主機的動態(tài)性能和提高工作精度；3. 工作壽命長。平均可

19、達滑動螺旋傳動的10倍左右；4. 傳動無間隙，無爬行，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳動精度高；5. 具有很好的高速性能，其臨界轉(zhuǎn)速之dn值 （d為軸徑，mm；n為轉(zhuǎn)速，r/min）可達40000以上，可實現(xiàn)線速度120r/min的高速驅(qū)動；6. 具有傳動的可逆性。既可以把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，也可以把直線運動變?yōu)檗D(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，且逆?zhèn)鲃有逝c正傳動效率相近；7. 已經(jīng)實現(xiàn)系列尺寸標準化，并出現(xiàn)了冷軋滾珠絲杠，提供了多用途廉價產(chǎn)品，應(yīng)用于精度要求高的場合，節(jié)能并延長壽命；8. 不能自鎖；9. 抗沖擊震動性能較差；10. 承受軸向載荷的能力差；11. 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高(但結(jié)構(gòu)比靜壓螺旋簡單且維修方便)；12.

20、有專業(yè)廠生產(chǎn)，選用配套方便。4.1.2滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)形式對于滾珠絲杠，除螺紋滾道截面的形狀不同外，各種類型的滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)基本相同。滾珠螺母的構(gòu)造主要與滾道的循環(huán)方式及預(yù)緊方式有關(guān)，且循環(huán)方式對滾珠螺旋傳動的設(shè)計、制造、精度、壽命、成本及軸隙調(diào)整均有重要影響，對滾珠流暢性能更有直接關(guān)系。4.1.2.1 滾珠法向截面形狀與特性圖4.2 滾珠法向截面形狀單圓弧滾道截面（圖4.2a）的特點是磨削滾道的砂輪成型方便，容易獲得較高的精度，滾道與滾子的接觸角隨初始間隙和軸向力大小而變化，不易控制，因而起傳動效率、承載能力和軸向剛度均不夠穩(wěn)定，影響傳動精度。在施加較大的預(yù)緊力之前，絲杠剛度很低，消隙及預(yù)緊必

21、須采用雙螺母。因此應(yīng)用較少。雙圓弧形滾道截面（圖4.2b）的特點是能保持一定的接觸角，傳動效率、承載能力和軸向剛度比較穩(wěn)定，但砂輪成型比較復(fù)雜，不易獲得較高的加工精度，螺旋槽底部不與滾珠接觸，可存納一定的潤滑油與臟物，使磨損減小，對滾珠流暢有利。適用于雙螺母預(yù)緊和單螺母增大鋼球預(yù)緊，以消除軸向間隙。根據(jù)螺紋法向截面形狀特點和設(shè)計要求選用雙圓弧形滾道截面。4.1.2.2滾珠循環(huán)方式的選擇 滾珠絲杠的循環(huán)方式有：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。外循環(huán)分插管式和螺旋槽式；內(nèi)循環(huán)分反向器式和端蓋式。內(nèi)循環(huán)使用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)。在螺母的外側(cè)鉆孔，裝上連通相鄰滾道的返向器，迫使?jié)L珠越過螺紋牙頂進入相鄰滾道。通常一個螺母

22、上裝有三個返向器，這三個返向器沿螺母圓周錯開120°，軸向間隔4373個導程，或裝有兩個返向器，返向器錯開180°，軸向間隔為32個導程。返向器有兩種形式， 圓柱凸鍵反向器與扁圓鑲塊返向器，兩種返向器相比，后者的尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸，縮短了軸向尺寸，但這種返向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，且不能用于多頭螺紋傳動。在滾珠的循環(huán)中，滾珠在進入與離開循環(huán)返向裝置時，容易產(chǎn)生較大的阻力，而且滾珠在返向滾道中的運動多屬于前珠推后珠的滑移運動。很少有滾動，因而滾珠在返向裝置中的摩擦力在整個滾珠絲杠副的摩擦力中，所占的比重較大，而不同的循環(huán)返向裝置由于回珠通道連接與運動的不同， 以

23、及回珠曲線的差異，比重也有所不同。內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，反向器尺寸，承載的鋼球數(shù)減少，鋼球高速時流暢性差，浮動式具有較好的摩擦特性，預(yù)緊力矩為固定反向器的1/31/4。在預(yù)緊時，預(yù)緊力矩上升平緩。結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，使用可靠，工作壽命長，但工藝性差，制造成本高。適用于各種高靈敏、高剛度的精密定位系統(tǒng)。重載荷、多頭螺紋、大導程不宜采用。外循環(huán)是在螺母體上軸向相隔數(shù)個半導程處鉆兩個孔，孔與螺旋槽相切，作為滾珠的進口與出口，再在螺母的外表面上銑出回珠槽并溝通兩孔，并在兩孔處裝上擋珠器，以回珠管相連，形成一個封閉的循環(huán)滾道，這種結(jié)構(gòu)制造簡單，使用廣泛。但滾道與擋珠器的接縫處，難以作的平滑，影響滾珠滾動的平穩(wěn)性，并

24、產(chǎn)生噪聲。外插管式結(jié)構(gòu)簡單，工藝性優(yōu)良，承載能力大，不受導程控制，適合成批生產(chǎn)?；刂楣芸稍O(shè)計，制造成理想的運動通道。滾珠循環(huán)鏈較長，但軸向排列緊湊，軸向尺寸小，螺母配合外徑較小，制造成本低。適用于重型載荷、高速運動幾精密定位系統(tǒng)，在大導程、多頭螺紋中顯示出其獨特的優(yōu)點。對于滾珠絲杠副在高速轉(zhuǎn)動的情況下要求鋼球的流暢性好，宜采用大導程螺紋。同時考慮到節(jié)約成本，本試驗臺擬采用內(nèi)循環(huán)插管式導珠管埋入式大導程滾珠絲杠。4.1.2.3滾珠絲杠支承形式的選擇為了一般來說，一根軸需要有兩個支點，每個支點可由一個或者一個以上的軸承組成。合理的支承形式應(yīng)考慮軸在可及其中有正確的位置，防止軸向竄動以及軸承受熱膨脹

25、后不致將軸承卡死等因素。滿足高精度、高剛度進給系統(tǒng)的需要，除了應(yīng)采用高精度、高剛度的滾珠絲杠副外，還必須充分重視支承的設(shè)計。滾珠絲杠采用兩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臨界速度(相差值為67倍)和更高的剛性(34倍)，所以采用兩端固定支承方式，并保證兩端支承座孔和螺母座孔的精度和同軸度。兩端固定支承方式的特點是：1) 需保持螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝教困難；2) 軸向剛度 只要軸承無間隙，絲杠的軸向剛度為一端固定的4倍3) 絲杠一般不會受壓，無壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高4) 可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲杠自重的下垂和補償熱膨脹，但需要一套預(yù)拉伸的機構(gòu)，結(jié)

26、構(gòu)及工藝都比較復(fù)雜5) 要進行預(yù)拉伸的絲杠，其目標行程應(yīng)略小于公稱行程，減小量等于拉伸量6) 適用于對剛度和位移精度要求高的場合，適用于較長的絲杠安裝7) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn)支承形式如圖2.3所示。圖4.3 兩端固定的支承形式4.1.2.4滾珠絲杠副預(yù)緊方式的選擇1、滾珠螺母預(yù)緊的類型滾珠絲杠副除了對本身單方向的進給精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴格的要求，以保證反向傳動精度，滾珠絲杠副的軸向間隙，會造成滾珠絲杠副起動、停止，以及受沖擊載荷時運動的不穩(wěn)定，反向時有空行程，影響傳動精度與定位精度，滾珠絲杠副的軸向間隙，是負載的滾珠與滾道型面接觸點的彈性變形所引起的螺

27、母位移量與螺母原有間隙的總和。要做到完全消除間隙是比較困難的，通常采用雙螺母預(yù)緊的方法，把彈性變形量控制在最小限度內(nèi)。目前制造的外循環(huán)單螺母的軸向間隙較大，而雙螺母經(jīng)過預(yù)緊后，基本上能消除軸向間隙。應(yīng)用此結(jié)構(gòu)時，應(yīng)注意通過預(yù)緊力產(chǎn)生預(yù)拉變形以減少彈性變形所引起的位移時，該預(yù)緊力不能太大，否則會引起驅(qū)動力矩較大，傳動效率降低，使用壽命縮短。由于雙螺母結(jié)構(gòu)預(yù)緊力的施加是通過調(diào)整兩個螺母之間的軸向位置。使兩螺母中的滾珠在承受工作載荷前，分別與絲杠滾道的兩個不同側(cè)面接觸。只使?jié)L珠和滾道圓弧面間產(chǎn)生一定的接觸壓力-得到一定的預(yù)變形。通過產(chǎn)生預(yù)變形，就可達到消除軸向間隙，提高滾珠絲杠副的軸向剛度的目的。目

28、前，按照使兩個螺母產(chǎn)生軸向位置變化方法的不同，有多種調(diào)整預(yù)緊方式，如墊片調(diào)隙式、螺紋調(diào)隙式、齒差調(diào)隙式、對旋調(diào)隙式。其特點如下：(1) 墊片調(diào)隙式通常用螺釘來連接滾珠絲杠副兩個螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片，通過調(diào)整墊片的厚度，來使螺母產(chǎn)生軸向位移，以達到消除間隙與產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。這種結(jié)構(gòu)需要修磨墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。分別有拉伸預(yù)緊和壓縮預(yù)緊兩種預(yù)緊方式，前者采用較多。這種結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，剛度好及裝卸方便，但調(diào)整費事，并且在工作中不能隨意調(diào)整。除非更換厚度不同的墊片。軸向剛性好，預(yù)緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好,預(yù)緊可靠，不可調(diào)整，軸向尺寸適中，工藝性好，滾道有磨損時不

29、能隨時消除間隙和進行預(yù)緊。適用于高強度、重載荷的傳動，目前應(yīng)用最廣泛。(2) 螺紋調(diào)隙式雙螺母中的一個螺母的外端有凸緣而另一個沒有凸緣而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個圓螺母固定這。旋轉(zhuǎn)圓螺母時，即可消除間隙，并可產(chǎn)生預(yù)拉緊力。調(diào)整好后，再用另一個圓螺母把它鎖緊。通常調(diào)整端部的圓螺母，使?jié)L珠絲杠螺母產(chǎn)生軸向位移，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，工作可靠，滾道磨損時，可隨時調(diào)整，但預(yù)緊不準確，應(yīng)用普遍?？梢哉{(diào)整預(yù)緊力，但不能實現(xiàn)定量調(diào)整，螺母軸向尺寸大，適用于不需要準確預(yù)加載荷且用戶自調(diào)的場合。雙螺母調(diào)整的特點是，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，故應(yīng)用廣泛，但雙螺母調(diào)整間隙不很精確。(3) 齒差調(diào)隙式在兩個螺母的凸緣上分別

30、有圓柱齒輪，兩者相差一個齒，并裝入內(nèi)齒圈中，內(nèi)齒圈釘或定位銷固定在套簡上。調(diào)整時，先取下兩端的內(nèi)齒圈，當兩個滾珠螺母相對于套簡同方向轉(zhuǎn)動相同齒數(shù)時，一個滾珠螺母相對于另一個滾珠螺母產(chǎn)生相對角位移，從而使?jié)L珠螺母相對于滾珠絲杠副的螺旋滾道產(chǎn)生相對位移，達到消除間隙并施加預(yù)緊力的目的。設(shè)滾珠絲杠副的螺距導程為P，兩側(cè)的內(nèi)齒輪齒數(shù)分別為、，如兩齒沿同一方向各轉(zhuǎn)過一個齒時，其軸向位移量為。齒差式調(diào)隙調(diào)整間隙，調(diào)整準確，但結(jié)構(gòu)尺寸大，裝配比較復(fù)雜，使用于高精度的傳動機構(gòu)。（4） 對旋調(diào)隙式原理與齒差式相同，將兩個螺母相互反方向預(yù)緊，使兩個螺母滾道接觸點產(chǎn)生相對軸向位移。只能進行壓縮預(yù)緊。不用拆卸螺母就可

31、以進行調(diào)整，方便、省事、在雙螺母預(yù)緊結(jié)構(gòu)中對旋的軸向尺寸最小。預(yù)緊調(diào)整后，在中間隔圈配打放松定位銷。除了上述的四種雙螺母加預(yù)緊力的方式外，還有單螺母變導程自預(yù)緊（在一個螺母體內(nèi)將兩個閉式滾珠鏈中間過渡區(qū)域內(nèi)（比段內(nèi)無負荷滾珠）整數(shù)倍基本導程變?yōu)椋海∝撝禐閴嚎s預(yù)緊，一般為正值。這種預(yù)緊方式下的滾珠絲杠副承受拉力和壓力，特點是結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，完全避免了雙螺母結(jié)構(gòu)中形位誤差的干擾，技術(shù)性強，不可調(diào)整，適用于中等載荷以下，且對預(yù)加載荷有要求的精密定位、傳動系統(tǒng)。）和單螺母鋼球過盈預(yù)緊方式(結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但不適宜預(yù)緊力過大的場合。不可調(diào)整，軸向尺寸小)。2、雙螺母預(yù)緊的工作方式由滾珠絲杠副裝配結(jié)構(gòu)可

32、知，預(yù)緊墊片是實現(xiàn)滾珠絲杠副預(yù)緊力的關(guān)鍵零件，調(diào)整滾珠絲杠副的預(yù)緊力只需要調(diào)整預(yù)緊墊片厚度，增減過盈量。1-防塵墊； 2-螺母; 3-滾動體 4-止動銷；5-預(yù)緊墊 ；6-螺母； 7-滾珠絲杠圖2.4 雙螺母墊片預(yù)緊的滾珠絲杠1-螺母；2-預(yù)緊墊片； 3-螺母；4-滾動體；5-滾珠絲杠圖2.5 雙螺母預(yù)緊示意圖雙螺母預(yù)緊墊片式滾珠絲杠結(jié)構(gòu)如圖2.4，該滾珠絲杠采用帶有法蘭盤的螺母，不帶有法蘭盤的螺母，中間夾以帶有一定過盈量的預(yù)緊墊片組成。為了防止螺母、錯動松開，預(yù)緊墊片上帶有止動銷，裝配時，在專用的工藝基礎(chǔ)上軸向加壓預(yù)緊墊片，并和螺母、以一個整體形式旋合道絲杠上。預(yù)緊力的大小決定于預(yù)緊墊片的厚

33、度過盈量。生產(chǎn)廠家在裝配時，根據(jù)絲杠對付的精度等級，覺得預(yù)緊力的大小，并通過調(diào)整預(yù)緊墊片的厚薄來達到所需要的預(yù)緊力。其原理是：通過預(yù)緊墊片使螺母、所構(gòu)成的組合螺距t相對于滾珠絲杠的螺距產(chǎn)生一定的附加量t，如圖2.5所示這樣螺母、在預(yù)緊墊片過盈量產(chǎn)生的軸向力F作用下，通過滾動體和滾珠絲杠弧形滾道緊密接觸，達到完全消除間隙的目的。從圖2.5可以看出，螺母、螺母在預(yù)緊力F的作用下，使運動部件前、后移動時，螺母、都起作用，達到在預(yù)緊狀態(tài)下消除反向空行程死區(qū)。4.1.3滾珠絲杠高速化后的結(jié)構(gòu)形式滾珠絲杠作為驅(qū)動、傳遞直線進給裝置，具有各種綜合功能、高的那些價格比、控制性能好、使用方便等優(yōu)點，至今不但一直

34、北廣泛應(yīng)用，而且起應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。近0年來，數(shù)控機床、機器人、電子裝置等機械設(shè)備的進給速度越來越快，提高了23倍，如數(shù)控價格中心，原來的一般進給速度為3040m/min，而現(xiàn)在達到了60m/min。但是在高速化以后隨之而來，產(chǎn)生了一系列的問題。滾珠絲杠高速化以后所面臨的問題主要有以下幾方面：1、滾珠絲杠高速回轉(zhuǎn)時溫度上升及其熱位移的增大 滾珠絲杠的發(fā)熱量由摩擦扭力及轉(zhuǎn)速求得，定位精度與螺桿熱膨脹有關(guān)。當進給速度低時，滾珠絲杠產(chǎn)生的熱量無法實時散發(fā)而造成溫升，引起滾珠絲杠變形。長時間加工時無法確保工件與刀具的相對位移，使加工精度降低。2、滾珠循環(huán)系統(tǒng)強度問題在滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速加快時，反復(fù)的沖

35、擊力會使?jié)L珠絲杠的滾珠循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)減弱，往往造成循環(huán)系統(tǒng)中導珠器因沖擊疲勞而容易斷裂。3、噪聲與振動問題高速進給噪聲的來源：滾道截面表面粗糙度、滾道面形狀、轉(zhuǎn)速和滾珠與滾珠碰撞、還應(yīng)該考慮滾珠絲杠回轉(zhuǎn)時的共振現(xiàn)象。4、定位精度變換問題滾珠絲杠配合高速小慣量伺服電動機，可使進給速度達到40m/min以上，加速度提高至0.51g（因為加速度與滾珠絲杠加伺服電動機的慣性矩成反比）。5、大導程加工技術(shù)6、螺旋滾道面潤滑油膜變形造成潤滑不均高速回轉(zhuǎn)除因離心力易造成潤滑不足外，高速進給伴隨高加減速運動，根據(jù)試驗在角加速度1500rads 時可能使?jié)L珠由滾動轉(zhuǎn)為滑動，即容易破壞油膜厚度的穩(wěn)定性而造成潤滑不均

36、導致加劇磨耗和溫升。7、預(yù)壓力變化一般中低轉(zhuǎn)速注重精度及剛性，高轉(zhuǎn)速注重進給速度，兩者必有不同的預(yù)壓機制。雖然很難獲得精確的預(yù)壓力值，但以各種不同的預(yù)壓彈簧力配合壓縮距離可得到壓力大小的特征值，進而與前述測量的溫升值進行比較。滾珠絲杠高速化所呈現(xiàn)的問題環(huán)環(huán)相扣，互有牽連。在選用時用同時確認整體結(jié)構(gòu)振動性，其中包括夾具、刀具、冷卻系統(tǒng)、主軸以及工作臺等都需要配合，以達到最佳化設(shè)計的目的。第五章 試驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計5.1試驗臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計選取滾珠絲杠副，絲杠公稱直徑為40mm，導程為10mm，有效行程為1800mm。滾珠絲杠由伺服電動機驅(qū)動，電機安裝在床身上，通過聯(lián)軸器與絲杠直聯(lián)。床身為大型鑄件，上

37、面安裝直線滾動導軌。絲杠由軸承固定在床身上，絲杠與螺母相聯(lián)，螺母安裝在螺母座上，螺母靠螺栓和工作臺相聯(lián)。絲杠轉(zhuǎn)動工作臺通過滑塊在導軌上平動。工作臺上安裝由加速度傳感器用來測量絲杠的加速度；左右軸承座和螺母座上安裝有溫度傳感器，用來測量溫度變化；絲杠軸端安裝位移傳感器用來測量絲杠的熱伸長；床身安裝光柵尺，用來測量工作臺的定位精度。各種傳感器輸出信號經(jīng)過放大處理，計算出各種轉(zhuǎn)換后輸入到計算機內(nèi)，通過計算機內(nèi)部軟件出來，計算出各種變化曲線，完成各個參數(shù)的測量，試驗臺總體組成示意圖如圖2.6所示。 1交流伺服電動機 2聯(lián)軸器 3滾珠絲杠 4壓電加速度傳感器5工作臺 6帶溫度傳感器的螺母 7直線導軌 8

38、電感位移傳感器圖4.6試驗臺總體組成示意圖5.2床身及工作臺 試驗臺為保證絲杠大于1800mm的有效行程，由于床身上要安裝伺服電機，左右軸承座、光柵尺，因此設(shè)計床身長度為2.4m左右。寬度的選擇盈考慮傻瓜平板的大小，擬選擇寬度為800mm左右，高度700mm左右。使床身既能滿足檢測要求，又看起來美觀。床身示意圖如圖3.1所示。圖3.1 床身及導軌示意圖5.2.1床身的技術(shù)條件采用HT200灰鑄鐵鑄造。力學性能不得低于GB/T9437的規(guī)定，即硬度為HBS170220,抗拉強度為200Mpa左右。5.2.2床身的技術(shù)要求1、鑄件上的型砂應(yīng)清除干凈，對澆口、冒口、結(jié)疤和夾砂等均應(yīng)鏟除或打磨掉，清理

39、后的毛坯表面應(yīng)平整、光潔；2、鑄件表面不允許有裂紋、氣孔、縮孔、渣眼、澆注不足以及其他能降低床身強度和明顯損害外觀的鑄造缺陷存在；3、床身鑄件在機械加工前應(yīng)進行時效處理，以消除殘余應(yīng)力；4、安裝導軌的平面應(yīng)保證好的平行度。5.2.3工作臺的材料選擇HT200鑄鐵，作時效處理。工作臺（圖3.2）用M10的圓柱頭內(nèi)六角螺母固定在滑塊上，滑塊沿導軌移動，工作臺上裝有壓電式加速度傳感器。 圖3.2 工作臺結(jié)構(gòu)示意圖5.2.4導軌材料和熱處理用于機床導軌的材料應(yīng)具有良好的耐磨性，摩擦系數(shù)小和動靜摩擦系數(shù)（見表3-1）小。加工和使用內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的變形小，尺寸穩(wěn)定性好等性能。導軌副應(yīng)盡量由不同的材料組成，如果

40、選用相同材料，也應(yīng)采用不同的熱處理或者不同的硬度。通常動導軌（短導軌）選擇較軟和耐磨性低材料，固定導軌（長導軌）選擇較硬和耐磨材料制造。根據(jù)以上要求，機床滑動導軌材料的選擇如下；固定導軌選擇HT200灰鑄鐵，動導軌選擇HT150灰鑄鐵。安裝時，通過刮研導軌的方法保證導軌的表面粗糙度。導軌的熱處理是采用鑄鐵粗加工后進行一次時效處理。5.3軸承及其它零件5.3.1軸承的選擇軸承是機械中重要的元件。機床主軸高速化的一個關(guān)鍵技術(shù)就是軸承，軸承首先必須滿足高速運轉(zhuǎn)的要求，并具有較高的回轉(zhuǎn)精度和較低的溫升；其次，必須具有盡可能高的徑向和軸向剛度；此外，還要具有較長的使用壽命，特別是保持精度的壽命。滾動軸承

41、因產(chǎn)品以標準化、互換性和通用性好、結(jié)構(gòu)簡單、維護保養(yǎng)容易等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。作為高速滾珠絲杠所使用的軸承應(yīng)該具有旋轉(zhuǎn)精度高、剛度高、承載能力強、抗振性好，極限轉(zhuǎn)速高適應(yīng)范圍大、摩擦功率小、噪聲低、壽命長等性能，同時應(yīng)滿足制造簡單，使用維修方便，成本低，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊等要求。絲杠初步選擇公稱直徑為40mm。根據(jù)使用要求滾珠絲杠采用兩端固定的軸承配置形式。這種支承形式常使用角接觸球軸承或者圓錐滾子軸承。兩個軸承各限制一個方向的軸向位移。在使用時，為提高支承的剛性和旋轉(zhuǎn)精度，有時也為承受較大的徑向、軸向載荷，常將兩套單列角接觸球軸承裝在同一支點上，常用的配置型式：一是正安裝，如圖3.3（a）所示，

42、或稱面對面安裝，此種配置方式兩軸承外圈的窄邊相對，從另一方面看，兩軸承的載荷作用中心a、b落到支承跨距點C d之內(nèi)；二是反安裝，如圖3.3（b）所示，或稱背對背安裝。此種配置方式是兩軸承外圈的寬邊相對，從兩軸承的載荷作用中心a、b看，其落到支承跨距點C、d之外。圖3.3 分裝于兩支點角接觸軸承裝配方式圖3.4 組合為一支點角接觸軸承裝配方式面對面安裝時受力作用線向內(nèi)收斂，壓力中心間的距離小，懸臂較長，支承剛性較差。在受熱變形方面，因為運轉(zhuǎn)時軸的溫度一般高于外殼的溫度，軸的軸向和徑向熱膨脹將大于外殼的熱膨脹，這時若采用面對面的安裝方式，因為減小了預(yù)調(diào)的間隙，可能導致卡死。這種安裝方式使用較少。背

43、對背安裝時力的作用線向外側(cè)散，在支承距離相同的情況下壓力中心間的距離比面對面安裝時的大，軸承間的有效支點距離增大，懸臂較短，支承的剛性比面對面安裝時的好。安裝時，通過調(diào)整軸承外圈或者內(nèi)圈的軸向位置，可使軸承達到理想的游隙或所需要的預(yù)緊程度。因此在兩端固定的支承形式下采用一對角接觸球軸承背對背安裝的形式。角接觸球軸承的特點是可以同時承受徑向載荷和軸向載荷，也可單獨承受軸向載荷。接觸角越大，承受載荷的能力越大，極限轉(zhuǎn)速高。初步選擇角接觸球軸承的型號為7006AC/DB，公稱接觸角為25°，支承采用脂潤滑，極限轉(zhuǎn)速為6700r/min。軸承采用軸肩和圓螺母定位。絲杠右端裝有電感式位移傳感器

44、，用于測量熱伸長。5.3.2軸承座軸承座作為支承軸承的零件可以選擇鑄件，在抗拉強度上要滿足要求，鑄造上時要注意避免鑄造缺陷的產(chǎn)生。對于軸承座的設(shè)計要求主要如下：1、滾動軸承座的材料 圖3.5 軸承座應(yīng)采用HT200灰鑄鐵鑄造，其力學性能不得低于GB/T9439的規(guī)定，軸承座也可采用與其性能相同或者相近的其他材料鑄造?？上螺d硬度范圍在HBS170220,抗拉強度200Mpa左右。滾動軸承座的技術(shù)條件（JB/T8847-2000） 示意圖見圖3.52、對滾動軸承座鑄件的要求（1）鑄件上的型砂應(yīng)清除干凈，對澆口、冒口、結(jié)疤和夾砂等均應(yīng)鏟除或打磨掉，清理后的毛坯表面應(yīng)平整、光潔；（2）鑄件表面不允許有

45、裂紋、氣孔、縮孔、渣眼、澆注不足以及其他能降低軸承座強度和明顯損害外觀的鑄造缺陷存在；（3）軸承座鑄件在機械加工前應(yīng)進行時效處理。3、對滾動軸承座機械加工后的要求（1）軸承座加工后的表面不得有砂眼、毛刺和銳邊；（2）軸承座上蓋與底座相配后，其鑄造外形不得有明顯錯位 軸承座內(nèi)孔直徑D與鑄造外緣不得有明顯的偏心。在軸外不得有明顯的偏移。（3）軸承座中心高H（或h）的極限偏差應(yīng)符合GB/T1800.4-1993表22中h13的規(guī)定。軸承座內(nèi)孔直徑D的極限偏差應(yīng)符合GB/T275-1993表A2、A4中H8的規(guī)定。其他尺寸：孔按H14,軸按h14，其他按執(zhí)行；（4）軸承座內(nèi)孔直徑D和孔肩端面的表面粗糙

46、度應(yīng)符合GB/T275-1993中表7的規(guī)定；軸承座上蓋底面與底座的配合面以及底座底面，其表面粗糙度Ra的最大值位6.3m（5）軸承座內(nèi)孔圓柱度以及內(nèi)孔端面垂直度應(yīng)符合GB/T275-1993中表6的規(guī)定；軸承座內(nèi)孔軸心線對底面的平行度應(yīng)符合GB/T1184-1996中表B3規(guī)定的公差等級8級的公差值。預(yù)緊調(diào)整后，在中間隔圈配打防松定位銷。5.3.3.螺母座圖3.6 螺母座螺母座是支承滾珠螺母的元件其主要的技術(shù)要求如下。螺母座的結(jié)構(gòu)見圖3.6。螺母座的材料采用HT200灰鑄鐵鑄造，其力學性能不得低于GB/T9439的規(guī)定，即硬度為HBS170220，抗拉強度在200Mpa左右。第六章 動力設(shè)計

47、計算6.1 電機功率的選擇和計算 伺服電動機也稱為執(zhí)行電動機，一般為永磁式同步電動機，伺服電動機有直流和交流兩種，它們的最大特點是可控。在有控制信號輸入伺服電動機轉(zhuǎn)動；沒有控制信號輸入時，則停止轉(zhuǎn)動。改變控制電壓的大小和相位(或極性)，就可以改變伺服電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。因此，它與普通電動機相比具有如下特點：（1）調(diào)速范圍寬廣。伺服電動機的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能連續(xù)地在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。（2）轉(zhuǎn)子的慣性小，能實現(xiàn)迅速啟動、停轉(zhuǎn)。（3）控制功率小，過載能力強，可靠性好。6.1.1直流伺服電動機與交流伺服電動機的主要區(qū)別：由于直流伺服電動機具有良好的調(diào)速功能，因此長期以來，在要求調(diào)速性能較高的場合

48、，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)主導地位。但由于電刷和換向器易磨損，需要經(jīng)常維護，并且有時換向器換向時產(chǎn)生火花，電動機的最高速度受到限制；且直流伺服電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用銅鐵材料消耗大，成本高，所以在使用上受到一定的限制。由于交流伺服電動機無電刷，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量較直流電動機小，使得動態(tài)相應(yīng)好，且輸出功率較大，因此在很多場合，交流伺服電動機已經(jīng)取代了直流伺服電動機。在使用中直流伺服電動機和交流伺服電動機主要有以下區(qū)別：1、直流伺服電動機需要電刷和換向器，使得其結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，工作的穩(wěn)定性和可靠性較差，而且換向器上產(chǎn)生的火花引起的無線電干擾回影響徐圖的正常工作同時由于電刷的阻力矩，使電

49、動機的靈敏性；而交流伺服電動機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，在不易檢修的地方使用時，優(yōu)點更加突出。2、直流伺服電動機的機械特性是線性的，在不同控制電壓下，機械特性是相互平行的，而且特性很硬。但是交流伺服電動機的機械特性是非線性的，其特性的斜率隨控制信號的不同而變化，機械特性很軟，特別在低速段更加嚴重。3、直流伺服電動機機電時間常數(shù)比交流伺服電動機的大的多，但在帶動較大負載時，直流伺服電動機的機電時間常數(shù)就比交流伺服電動機的小。4、直線伺服電機具有高剛度，寬的調(diào)整范圍，高的系統(tǒng)動態(tài)特性，平滑運動，定位精確以及無磨損，無需維護等優(yōu)點。被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)，生活的各個領(lǐng)域。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，直線電機在工業(yè)機器人，

50、機床及各種需要直線運動的機械裝置中都有應(yīng)用，如數(shù)控機床的直線進給行程較短，一般不超過幾百毫米，在很高的進給速度下，只有瞬間達到設(shè)定的高速狀態(tài)和在高速下瞬時準確停止運動，這樣的場合，直線伺服電動機最適用。在小功率隨動系統(tǒng)中經(jīng)常采用交流伺服電動機，在控制系統(tǒng)中交流伺服電動機也常被用作執(zhí)行元件。作為伺服電動機使用的交流電動機通常為兩相交流電動機，它的結(jié)構(gòu)與普通的感應(yīng)電動機相近，但在特性上有很大的差別，即除了具有良好的控制性能以外，還應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍、穩(wěn)定的運行性能、機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好、無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象、控制功率小、起動轉(zhuǎn)矩大以及快速響應(yīng)好等特點。交流伺服電動機都可以作為控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，

51、但是應(yīng)該根據(jù)各自的使用特點具體情況，合理選用。6.1.2伺服電動機的選擇計算 在設(shè)計的試驗臺系統(tǒng)中驅(qū)動滾珠絲杠的電動機選擇日本安川交流伺服電動機，下面是具體的選擇步驟：初步擬定工作臺重500kg，加速度為1g，在0.1s的加速時間內(nèi)可以從零加速到60m/min。v=at，將數(shù)據(jù)代入公式得： （4-1）絲杠的導程初步選擇為10mm，則電動機的轉(zhuǎn)速為： v=60/0.01=6000 （4-2）初步定直線導軌摩擦系數(shù)為0.02，則運動阻力為： （4-3）(1) 計算等效轉(zhuǎn)動慣量：由于速度為60m/min，轉(zhuǎn)速為6000r/min,移動工作臺的重秒量500kg，故等效到電機軸的等效慣量為： (4-4)

52、滾珠絲杠和聯(lián)軸器總的轉(zhuǎn)動慣量可以按0.001 kg·m2計算，這樣，總的等效轉(zhuǎn)動慣量為 J=0.006 kg·m2。按照一般電機的慣量匹配原則，即電機慣量應(yīng)在大于J到小于4J，即在0.006到0.024之間。(2) 計算等效力矩 由于速度 n=6000 r/min，電機慣量 J=0.006 kg·m2，加速時間 t=0.1s，故加速力矩為： T1=37.68N·m (4-5)摩擦系數(shù)按0.02計算，運動阻力為： (4-6)移動件的等效力矩為：T2=0.16 N·m (4-7)所以移動件的總的力矩為：37.68+0.16=37.84 N·

53、;m(3) 交流伺服電動機的選擇我們所要選擇的伺服電機，最高轉(zhuǎn)速應(yīng)在6000r/min，最好能夠選擇的高一點。電機轉(zhuǎn)動慣量0.02 kg·m左右，扭矩不小于40Nm。6.1.3選擇電機特性經(jīng)過認真的思考和性價比分析，我們選擇安川伺服電機，其各性能參數(shù)如表4-1所示（轉(zhuǎn)子慣量：2×10-4kg·m；容許負載慣量：電機慣量5倍以下） 表4-1：電機參數(shù)型號電壓(V)額定輸出功率(KW)額定轉(zhuǎn)矩（Nm）瞬時最大轉(zhuǎn)矩（Nm）額定轉(zhuǎn)速（r/min）最高轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)子慣量SGMGH-44A-A2004.448.47156.2 直線電機的發(fā)熱及

54、其它相關(guān)的計算摘 要：提出了扁平型直線感應(yīng)電動機溫度場的二維計算模型。確定了直線電機中不同材料的導熱系數(shù)和表面換熱系數(shù)，考慮了瞬態(tài)溫度場計算時直線電機繞組端部的影響，分別計算了初級槽部和初級鐵心等效單元體的密度以及比熱容，在此基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件Ansys計算了直線電機運行在短時定額下的溫度場。 關(guān)鍵詞：扁平型直線感應(yīng)電動機；溫度場；有限元1.引言 扁平型直線感應(yīng)電動機常用在短行程，往復(fù)運動的場合，它的發(fā)熱過程是一個非穩(wěn)定的過程。雖然扁平型直線感應(yīng)電動機的散熱效果很好，但是這類電機一般沒有通風冷卻裝置，隨著它的應(yīng)用場合越來越廣泛，單機容量不斷上升，它的發(fā)熱和冷卻問題越來越突出，對其溫度場的

55、研究就顯得日益重要【1】。本文的研究工作主要是以額定電壓為660V，額定電流為13.54A的扁平型直線感應(yīng)電動機為研究對象，采用有限元計算軟件Ansys計算了直線電機運行在短時定額狀態(tài)下的瞬態(tài)溫度場。2.熱參數(shù)和熱源的計算 不同物質(zhì)的導熱系數(shù)不相同，即使同一材料的導熱系數(shù)，影響其因素也很多，諸如溫度、壓力、濕度、多孔性和均勻性等。但通常還是溫度起決定性作用。純金屬的導熱系數(shù)隨著溫度的增加趨向于降低；合金材料和非金屬材料的導熱系數(shù)隨著溫度的增加而增大 。導熱系數(shù)可近似認為是線性規(guī)律變化【2】。 本文在溫度場的求解過程中，考慮到直線電機樣機的溫升限度只有百K左右，金屬材料的導熱系數(shù)變化微小，認為導

56、熱系數(shù)為常數(shù)。電機實際運行時，每種導熱體引用的導熱系數(shù)為： 由于槽中含有多種物質(zhì)成分，在槽寬和槽高方向可將這些成分看成是由槽絕緣、空氣層和繞組多層串聯(lián)而成。然后假定沿槽寬和槽高方向的熱量傳遞互不影響，分別采用等效的導熱系數(shù)計之，這樣將槽部的導熱問題變成正交各向異性導熱問題。 槽中繞組部分的材料性質(zhì)比較復(fù)雜，它的導熱系數(shù)與導體及導體在槽中的排列方式、浸漆工藝、絕緣漆的成分等因素有關(guān)。這里采用經(jīng)驗公 式【3】，繞組部分的導熱系數(shù)為：對流體交換包括兩部分，當流體中存在溫差時，流體分子熱擴散而起導熱作用，其次是流體中的熱焓隨流體運動而遷移。實際上計算由對流作用帶走的熱量時，為了方便，都采用牛頓換熱定律

57、：即單位時間內(nèi)，固體表面與周圍介質(zhì)溫差為1時所 放出的熱量。 利用牛頓換熱定律,在 為已知的情況下，只要知道 ，就可以求出溫差 ，或者相反。這種計算方法之所以簡單，是因為采用了換熱系數(shù) 而把許多計算上的困難回避了。 用空氣作為冷卻介質(zhì)時，其物理性能比較穩(wěn)定。若忽略散熱表面幾何尺寸等因素的影響，則可近似的認為電機各部件的換熱系數(shù)僅與空氣的流速有關(guān)。根據(jù)實驗，當空氣流速在525m/s的范圍內(nèi)時， 與 之間的關(guān)系可表示如下【4】： 在設(shè)計電機時，有時需要計算電機作短時運行時的溫升，例如計算電動機起動時的溫升。對于不穩(wěn)定溫升的計算，需要知道材料的質(zhì)量熱容，又稱比熱容。所謂比熱容，就是1kg工質(zhì)溫度升高（或降低）1K時所