行星滚柱丝杠的虚拟样机设计

1、题目：行星滚柱丝杠的虚拟样机设计（宋体三号）（加粗）专业：机械设计制造及其自动化 学生： 拓文杰 （签名） 指导教师：韩敏 （签名） 摘 要行星滚柱滚柱丝杠作为新兴的丝杠传动装置，自1942年发明到现在，经过不断发展应用到各个领域里，目前为止还是有很多问题没有攻克，随着螺纹加工工艺的进步，科技技术的发展，行星滚柱丝杠将会取代其他丝杠类传动装置。为了更好地了解滚柱丝杠的整体结构以及运动原理，对行星滚柱丝杠的各个零部件进行参数设计，了解滚柱，丝杠，螺母以及内齿圈之间的参数关系，同时了解各个参数对行星滚柱丝杠的性能影响，之后进行三维建模，根据参数设计绘制出每个零件的三维图，最后装配零件，建立好行星滚

2、柱丝杠的三维模型，在加载动画，可以了解到行星滚柱丝杠的运动状况。通过设计，对行星滚柱丝杠今后的发展有了清晰的认识。关键词：行星滚柱丝杠 参数设计 三维建模Subject：The virtual prototype design of the planetary roller screwPlanetary roller screw as emerging screw transmission device, the invention in 1942 to the present, through the continuous development of applications in var

3、ious fields, so far there are still many problems not conquer, along with the progress of the screw thread processing technology, the development of science and technology, the planetary roller screw will replace other screw transmission device.In order to better understand the overall structure of

4、the roller screw and movement principle of the various parts of the planetary roller screw parameter design, understanding of roller, screw, nut, and the parameters of the relationship between inner gear ring, at the same time to understand the various parameters on the performance of the planetary

5、roller screw, after 3 d modeling, according to the parameter design to map each components of the three-dimensional figure, final assembly parts, establish good 3 d model of the planetary roller screw, the loading animation, can learn the movement condition of the planetary roller screw.Through the

6、design of planetary roller screw have a clear understanding of the future development.目录第1章 1 绪论11.1 行星滚柱丝杠的研究现状和市场需求31.2 选题目的及意义4第2章 行星滚柱丝杠的参数设计62.1 概述62.2 主要零件的参数设计62.2.1滚柱的参数设计6 2.3.2丝杠的参数设计112.3.3内齿圈的参数设计122.3.4螺母的参数设计12第3章 3 solidworks三维建模133.1 SolidWorks简介143.2主要零件的三维建模143.2.1丝杠的三维建模143.2.2滚柱的

7、三维建模193.2.3内齿圈的三维建模233.2.4螺母的三维建模243.2.5行星架的三维建模273.3建模与配合283.3.1螺母与滚柱的配合293.3.2内齿圈的啮合333.3.3丝杠的啮合343.3.4行星架的配合363.4行星滚柱丝杠的动画设计374结论372 第1章 绪论 行星滚柱丝杠是一种将旋转运动转化为直线运动的机械传动装置，用滚柱作为中间传动体，用滚动摩擦取代滑动摩擦，这种传动方式与滚珠丝杠类似。行星滚柱丝杠作为一种新兴起来的的传动装置，有着摩擦力小、传动效率高、整体体积小、工作寿命长、机构承载能力强等特点。行星滚柱丝杠按照结构的不同可以大致分为三类：标准式、反向式、循环式、

8、轴承环型式和差动式。标准型行星滚柱丝杠主要传动装置有丝杠、螺母和螺纹滚柱，丝杠具有一定角度牙型角的多头螺纹，螺母的螺纹与丝杠的螺纹相同，有着相同的头数、螺纹形状和螺距，即螺纹截面相同，滚柱是单头螺纹，螺距与滚柱和丝杠相同，只是螺纹截面与螺母和丝杠有些区别，为了保证啮合，滚柱的螺纹面通常为圆弧面。多个滚柱沿丝杠圆周方向均匀分布，传动过程中滚柱既绕着丝杠轴线公转同时又绕自身轴线自转，丝杠和螺母分别与滚柱啮合，由于三者具有相同的牙型和螺旋升角，所以在啮合过程中可以保证丝杠及螺母与滚柱之间的纯滚动，并且确保螺母与滚柱没有轴向相对位移。在螺纹滚柱的两端加工直齿，与带有内齿圈的端盖啮合，用以消除螺旋升角对

9、滚柱产生的倾斜力矩，并使滚柱沿圆周方向相对位置固定，保证所有滚柱的轴线都与丝杠轴线平行。在标准型行星滚柱丝杠的基础上，根据不同性能要求进行修改形成了其他结构类型的行星滚柱丝杠。循环型行星滚柱丝杠的丝杠和螺母与标准型行星滚柱丝杠相同都是牙型角为90°并且具有相同螺旋升角的多头螺纹，但是行星滚柱不再采用单头螺纹而是加工成没有螺旋升角的沟槽状结构，端盖的内齿圈被复位凸轮环取代，因为凸轮有着往复运动，当旋转一周后，滚柱又回到了原来的位置，与丝杠啮合，这和滚珠丝杠的滚珠原理相似，但是具有更高的承载力。在螺母中添加一个凹槽，当凸轮旋转到这个位置时，凸轮会推入到加工好的凹槽中，这样，滚柱就会回到原

10、来的位置。通过这样的改制，可以使得滚柱加工难度降低，同时这可以采用更小的螺纹导程，提高位置精度，可以制作更小型的行星滚柱丝杠，并且有更多的接触点，增强了承载能力。然而这种机构也是有缺点的，在啮合过程中，由于滚柱会与丝杠周期性的分离，频繁的接触与分离，会使滚柱与丝杠周期性的碰撞，从而影响使用寿命，当这种类型的行星滚柱丝杠在高速运作中会产生很大的噪声，影响使用效果。 轴承环型行星滚柱丝杠的丝杠也是具有一定角度牙型角的多头螺纹，滚柱与循环型行星滚柱丝杠的丝杠采用同牙型的凹槽，而螺母不再与滚柱进行啮合，螺母通过轴承环与滚柱轴向确定，轴承环两端端面安装有推力轴承并和壳体固定。传动过程中动力由丝杠自传带动

11、滚柱绕着丝杠做公转，滚柱通过轴承环和推力轴承将动力传至螺母和壳体上，使得螺母自转，假定螺母是固定的，则滚柱就具有一定的公转，这样就完成传动过程。与之前两种相比，这种结构方式最大程度的减小了摩擦，提高了传动效率。 丝杠3（1-1）是具有90°牙型角的梯形螺纹，其螺纹头数为5，丝杠与滚柱1之间为螺纹啮合，滚柱的端部齿轮也经过螺纹切除，使其啮合在丝杠的螺纹中，螺母4与滚柱之间的啮合为螺纹啮合，并将内齿圈2嵌入到螺母中，本图中没有绘制行星架，滚柱应该插入到行星架中的行星孔中，行星架与内齿圈分别安装于螺母的两端端面上。滚柱的端部齿轮与内齿圈还有这齿轮副，可以保证滚柱与螺母之间没有轴向的偏移，增

12、加运动的稳定性，减少丝杠与滚柱之间的滑动，保证滚柱与螺母的运动一致性。滚柱的螺纹面为圆弧面，可以保证滚柱与丝杠和螺母之间的接触为点接触，增加传动效率，和工作寿命。1-1 滚柱丝杠副结构图1. 滚柱2.内齿圈3.丝杠4.螺母行星滚柱丝杠的运动原理是丝杠旋转，假定螺母是固定的，由于丝杠与滚柱为螺纹啮合，所以滚柱会自转，由于端部齿轮与内齿圈啮合，行星架与内齿圈固定，所以丝杠会边自转边作轴向运动；由于滚柱的自转，会使得端部齿轮旋转，内齿圈固定，所以会带动滚柱绕着丝杠做公转，从而完成整个传动1.1行星滚柱丝杠的研究现状和市场需求行星滚柱丝杠最先是由瑞典人Carl Bruno Strandgren在194

13、2年第一个设计出来的，有着传动效率高，摩擦力小等特点，然而至今却没有能够广泛应用，这主要是由于其结构多为螺纹啮合，齿轮啮合，从而使得加工难度大，成本较高。目前主要使用在民用领域，比如高精度、高精密机床、食品包装机械、特殊、专业机械、测试仿真机械等；但随着大型飞行器与军用设备的发展以及煤矿、石油、化工、大型机床等需要很大推力、高精度、高效率、超长寿命的机械装置作为新的机电传动系统的执行机构，取代容易污染、维护成本高的传统液压传动系统，行星滚柱丝杠便受到了社会的广泛关注。瑞士Rollvis是当今世界上最有名，最专业的行星滚柱丝杠生产厂家，在市场中占有着将近40%份额，该厂生产的产品广泛应用于航空航

14、天、大型精密机床、军用设备、仿真机器人等行业，可以生产的丝杠直径从1mm150mm，满足各种机械设备，导程从0.1mm50mm，轴向传动速度最高可以达到2m/s，大幅度提高传动效率，精度可以达到0.1pm，满足很多精密机床的要求，而且能够加工特殊的，专用的飞标准螺母。此外，其他国家近年来也在大力打发展行星滚柱丝杠的研制与生产，带动着行星滚柱丝杠的发展与创新，行星滚柱丝杠得到了很大程度的发展。国内的一些企业具有行星滚柱丝杠制造能力，也有着一定的有点，比如研制的行星滚柱丝杠承载能力更强、抗冲击性能强和轴向速度高等特点，但国内企业大多精度不能满足一些高精度机床的设计要求，其性能和寿命都不如国外产品。

15、1.2选题目的及意义 因为行星滚柱丝杠与滚柱丝杠的结构特点和工作原理相似，只是滚珠丝杠中的摩擦为滑动摩擦，其传动不稳定，而且滚柱丝杠的螺纹截面为梯形，承载力更高，接触面更大，传动稳定。 滚柱丝杠与滚珠丝杠相比，所具有的优点 （1）滚柱与丝杠接触半径更大，而且所有滚柱都参与与丝杠之间的螺纹啮合，包括滚柱的端面齿轮，若行星滚柱丝杠中的滚珠个数为5，则其性能比滚珠丝扛在相同丝杠直径下承载力提高5倍，相同负载下比滚珠丝扛节省2/5空间，寿命提高12倍，工作坏境温度范围提高1.5倍。当滚柱丝杠直径为120mm时，其推力可达100t。 （2）滚柱丝杠由于滚柱端部齿轮与内齿圈啮合，所以滚柱与丝杠和螺母之间的

16、摩擦为滚动摩擦，而且传动效率与滚珠丝杠相当，在具有良好的润滑情况下效率可以达到90%，体现出滚柱丝杠的高传动效率。 （3）滚柱与行星架啮合，行星架与内齿圈啮合，因此滚柱相对于螺母没有轴向运动，而且具有更高的加速,旋转和减速的能力,而滚珠丝杠难以达到滚柱丝杠所能达到的直线速度和转速。 （4）行星滚柱丝杠两端配有行星架，可以控制滚柱运动，这样就不需要添加滚动件的循环装置，简化机构，而且在高速运转时，其噪声小。 （5）比起滚珠丝杠，滚柱丝杠可以在坏境相对恶劣的情况下使用。滚柱的端部齿轮与内齿圈成功的保证行星滚柱丝杠的正常运作。 （6）因为丝杠只与滚柱螺纹啮合，和其他零件没有接触关系，因此，只需将丝杠

17、旋出即可完成对机构的拆卸过程。行星滚柱丝杠诸多优点给其带来了广阔的应用前景。滚柱丝杠具有较高承载能力和较快速度，除了可以代替梯形丝杠，滚珠丝杠外，在一定情况下可以代替气缸和液压缸的作用。其配置简单，不需要诸如阀门、泵、过滤器、传感器等复杂的配套系统。并且其体积小，工作寿命长，维护简单，不存在液压缸的液体渗漏情况，噪音显著减小。虽然行星滚柱丝杠的结构设计和参数匹配相对确定，其传动效率，轴向直线运动速度都将确定，但是从研究方面来讲，对于行星滚柱丝杠的最大承载力和使用寿命的研究不多，缺少对行星滚柱丝杠从外部尺寸参数到运动参数的研究，无法得到准确的外部尺寸参数与运动结果之间的数学模型，这对行星滚柱丝杠

18、的优化和深入发展有很大的限制。目前国内外对行星滚柱丝杠的研究还没有成熟的理论体系和系统的研究方法，这也限制了行星滚柱丝杠的广泛应用。滚柱丝杠传动机构可以应用于机械加工机床、检测设备、钣金加工机床和弯曲加工机床(替代滚珠轴承传动机构)、医药、激光加工机床制造、半导体和注塑机床制造业(替代液压油缸)等领域。高性能行星滚柱丝杠机构在舰艇的舱门开闭及推进装置、战斗机起落架及制动装置、导弹发射架、坦克火控系统、航天设备等领域也有很大的发挥空间。伴随着以后需要高速 、高精度，高推力的传动装置，行星滚柱丝杠的发展是必须的，由于螺纹加工工艺、制造水平和材料科学的发展，行星滚柱丝杠的性能，稳定性，将得到大幅度的

19、提高，只要在将来能够顺应国内外发展趋势，那么，行星滚柱丝杠的发展将会取代其他类型的丝杠传动装置，在航空昊天、军用设备、数控机床以及高精度机床上广泛运用。因此，加快对行星滚柱丝杠的研制势在必行。研究行星滚柱丝杠的各部分参数，如何去计算，设计这些参数，使得行星滚柱丝杠能够完全啮合，利用solidworks软件对行星滚柱的各个零件进行三维图的绘制，直观的了解零件参数之间的关系，最后装配各个零件，添加零件之间的配合关系，可以知道他们之间的啮合关系，了解滚柱丝杠从零件到装配的全过程，掌握行星滚柱丝杠的 第2章 行星滚柱丝杠的参数设计2.1 概述 标准的行星滚柱丝杠主要由四个部件构成，其中有丝杠、螺母、滚

20、柱和内齿圈。丝杠是具有90°牙型角°的多头螺纹，可以增加导程，提高轴向直线运动速度，螺母与丝杠相同，牙型轮廓与丝杠相同，在设计时，应当保证螺母与丝杠的螺纹头数相同，螺距也相同4。滚柱是具有相同角度牙型角的单头螺纹，为了保证滚柱与丝杠和螺母之间的摩擦力小，提高传动效率，一般使得滚柱的螺纹面为圆弧面，同时可以提高承载能力。取滚柱的个数为丝杠和螺母的螺纹头数，将滚柱沿丝杠的圆周方向进行均匀分布，可以满足每个滚柱与丝杠之间螺纹的啮合。当给予丝杠一个旋转的驱动时，滚柱不仅绕着自身轴线做自转，同时绕着丝杠的轴线做公转。当滚柱转动时，螺母与滚柱没有轴向位移，因为螺纹紧密啮合，其螺旋升角是

21、相同的。2.2 主要零件的参数设计 2.2.1 滚柱的参数设计2.2.1.1滚柱中径的匹配设计 根据设计指标要求，如推力、速度等，可以确定丝杠的中径ds,螺纹头数ns及螺距p，由行星滚柱丝杠的工作原理及运动特性可知 2-1 2-2 2-3 式中：Zn为内齿圈齿数 Ze为滚柱端部齿轮齿数 由式（2-1）和式（2-2）可以得到滚柱中径2.2.1.2部齿轮副设计 为了确保滚柱与丝杠和螺母之间的螺纹能够紧密的啮合，同时使得滚柱与丝杠具有轴向平行的特性，滚柱的端部齿轮也必须与内齿圈的齿轮啮合，因此端部齿轮的分度圆直径与滚柱的中径dr相等,即： 2-4 式中：m端部齿轮的模数 由式（2-4）可以看出，滚柱

22、的中径dr是由端部齿轮的齿数与模数确定的，因此在选择端部齿轮的齿数Zr和模数m，首先先考虑齿轮之间的啮合情况，保证齿轮之间没有根切，所以选择的模数为标准值，压力角也为标准值20°。所以需要进行多次的判定，才能确定出合适的齿数与模数。也要判定选定的齿数与不产生翔雀紫雨轩齿数最小Zmin=的关系，最小Zmin为： 2-5 式中：ha*-为齿顶高系数，长齿制ha*=1，短齿制ha*=0.8，计算过程中先采用长齿制 -为齿轮压力角，一般取20º。 具体判定过程如下： (1)选定齿数Zr，比较Zr与ZMIN的大小，当Zr>Zmin时，判定选定的齿数和模数满足设计要求，不会产生根

23、切，因此可以根据齿轮相关公式计算出齿顶圆直径da，齿根圆直径df和中心距a。 （2）当Zr<Zmin时，表明选定的齿数Zr和模数m不满足设计要求，需要重新确定齿数和模数，因此 可以用下面三种方法来调整：第一种，重新选定模数m和齿数Zr，然后重复上面的步骤，比较选定的齿数与最小齿数之间的关系。第二种，重新选择齿顶高系数ha*或者压力角，一般不采用这种方法，因为在建模中选择用的齿轮都为标准件，压力角和齿顶高系数没有非标准值，所以无法建立模型。第三种是利用变位，变位系数。变位系数xmin小时允许其根切，变位系数大时采用高度变位。然后在进一步推导出齿顶圆直径da，齿根圆直径df，中心距a。2.2

24、.1.3滚柱螺纹设计在进行螺纹设计时，先确定螺纹牙形，选取梯形螺纹，因为其牙型为等腰梯形，牙型角取90°，这样滚柱与螺母和丝杠的螺纹内核为锥面，啮合紧密不易松动，牙根强度高，寿命高，工艺行强，传动效率高，啮合程度高。因为滚柱的端部齿轮也要啮合到丝杠的螺纹当中，因此滚柱螺纹大径d与滚柱端部齿轮齿顶圆直径da相等才能保证滚柱与丝杠完全啮合。在滚柱转动的过程中，为了防止滚柱与螺母有着轴向偏移，因此滚柱的螺纹必须完全啮合在螺母的内螺纹中，又因为滚柱与丝杠螺纹啮合，因此滚柱螺纹面采用圆弧面，同时使得滚柱与丝杠和螺母之间的接触为点接触。圆弧半径为： 2-6 综上所述可以将螺纹牙截面确定，从而整个

25、滚柱设计完毕。2.2.1.4滚柱整体设计流程图 2-2-1滚柱整体设计流程图现选择丝杠中径为ds=15mm，螺纹头数nn=ns=5，螺距p=2mm，由式（2-1和2-2）可得出滚柱中径dr=5mm，取滚柱端部齿轮的压力角n=20º，齿顶高系数h*a=1，顶隙系数c*=0.25，根据式（2-5）课的最小齿数Zmin=9 。确定齿数Zr=20，根据式（2-4）得模数m=0.25 。齿轮相关计算公式： 2-7 2-8 2-9 2-10式中da为齿顶圆直径，df为齿根圆直径，ha为齿顶高，b为齿宽，为齿宽系数，通过机械设计手册可以得到。因此可以得出滚柱的所有尺寸（表2-2-1）中径/mm大径

26、/mm小径/mm螺距/mm螺纹头数螺纹段长度/mm牙型角/(º)55.54.35212590表2-2-1滚柱的螺纹尺寸表2-2-2端部齿轮的尺寸齿数模数齿顶圆直径/mm齿根圆直径/mm200.255.54.352.2.2 丝杠的参数设计由滚柱的螺纹参数以及端部齿轮参数，可以确定丝杠的螺纹参数。丝杠的螺纹截面与滚柱螺纹截面都为梯形，且具有相同的牙型角，区别在滚柱的螺纹面为圆弧面，而丝杠为直线面。为了保证螺纹紧密啮合，可以得到丝杠的相关尺寸。丝杠的相关尺寸（表2-2-3）中径/mm大径/mm小径/mm螺纹长度/mm螺纹头数螺距/mm牙型角/(º)1515.5514.351205

27、2902.2.3 内齿圈的参数设计 根据齿轮啮合的原理，内齿圈的齿顶高系数，齿隙系数，可以得到内齿圈的模数， 根据式（2-3）可以得到内齿圈的齿数 根据式（2-7,2-8）可以得到内齿圈的齿顶圆直径以及齿根圆直径。 表2-2-4内齿圈的相关尺寸齿数模数齿顶圆直径/mm齿根圆直径/mm1000.2525.5524.352.2.4 螺母的参数设计2.2.4.1螺母中径的参数设计 滚柱与丝扛以及螺母配合，为了保证他们最大程度的啮合，其中心距应该满足丝杠螺纹中径的半径与滚柱螺纹中径之和等于螺母螺纹的中径，即，从而的到了螺母螺纹中径（图2-2-2-1）2-2-2螺母中径示意图2.2.4.2螺母螺纹设计

28、丝杠的螺纹已经确定，滚柱的螺纹根据丝杠的螺纹参数设计得到，因此，螺母的螺纹参数也对应确定。其螺纹截面与丝杠相同，为梯形。螺母的螺纹大径应当等于相应的内齿圈齿顶圆直径，小径为内齿圈的齿根圆直径，这样，螺母螺纹的整体设计参数就可以得到。表2-2-4螺母的相关尺寸中径/mm大径/mm小径/mm螺纹长度/mm螺纹头数螺距/mm牙型角/(º)2525.5524.35305290第3章 solidworks三维建模3.1 SolidWorks简介Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWor

29、ks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场

30、。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。 一般用solidworks绘图时，用到的特征命令有拉伸凸台，旋转凸台，拉伸切除，旋转切除扫描切除，扫描，插住异性孔，线性阵列，圆周阵列，圆角，倒角的生

31、成，参考几何体的建立，曲线等。灵活运用各个特征来完成零件的三维建模，快速而又简单。3.2 主要零件的三维建模3.2.1 丝杠的三维建模 1）点击新建，选择新手选项，点击零件，新建一张零件图，选择草图中的草图绘制，单击选择在前视基准面上绘制草图，点击草图上的圆，绘制直径为15.55mm的圆，然后点击特征选项，选择特征中的拉伸凸台选项，同时设定拉伸长度为120mm。可以画出一个直径为15.55mm，高为120mm的圆柱。（图3-2-1）3-2-1拉伸圆柱体图 2）点击圆柱的端面，选择草图绘制，并且点击，使得草图正立与制图者面前，在草途中圆形面绘制直径为14.35mm的圆，并添加螺旋线，点击特征中的

32、曲线下拉三角形，选择螺纹线/涡状线从而的到螺旋线编辑选项，通过设置螺旋线参数，可以得到螺纹的路径。为了使得在零件编辑过程中，方便编辑，先取螺旋线的螺距为120mm，起始角度为0º，方向为顺时针（图3-2-2，3-3-3）。3-2-2螺旋线草图3-2-3螺旋线生成效果图 3）在任意平面绘制螺纹截面图，本图设立在零件的上视基准面上，首先先选定草图绘制，选择上视基准面，由于上视基准面经过圆柱中心轴，所以在绘制草图时，先对圆柱体进行剖面，选择剖面选项，在参考几何体中选择上视基准面，距离设定为0,mm，既可以的到剖面体，进行草图绘制。选择草图中的直线命令，绘制一个梯形，然后点击智能尺寸，选择梯

33、形的边，进行尺寸设定，在设置角度的时候，分别点击两条直线，即可出现角度尺寸设定。设定梯形的上底为0.465mm，下底为1.445mm，梯形两斜边的夹角为90º（图3-3-4），如果在装配中出现干涉，可以略微的修改截面参数，以便能够完全啮合，单击特征中的扫描切除，在轮廓图中选择绘制的梯形草图名称，在路径中选择绘制的螺旋线，然后单击确定命令，即可切出螺纹.因为在扫描切除的过程中,上底靠近螺旋线,所以上底即为螺纹的牙底厚,上底为螺纹的牙顶厚,因此在绘制螺旋线草图时,选择圆的直径为14.435,而不是丝杠的中径。（图3-3-5）。3-2-4丝杠扫描切除轮廓3-2-5扫描切除后效果图 4）由于

34、丝杠的螺纹头数为5，所以螺纹起始点相差72º，可以用圆周阵列，阵列出3中的扫描切除过程，在阵列之前，先要为螺旋线添加基准轴，否则无法阵列，单击的下拉三角形，选择基准轴，出现基准轴参数设定选项，选择参考实体为圆柱体的圆柱面，单击确定，既可以生成基准轴。单击特征中的的下拉三角形，选择圆周阵列，在阵列轴中选择刚才建立的基准轴，在角度参数设定选项中设定特征轴线之间的角度，在阵列个数中设定数值，在要阵列的特征中选择上一步中的切除扫描，单击确定，即可完成阵列。选择阵列基准轴为圆柱体的轴线，阵列角度为72º，阵列个数为5，阵列特征选择扫描切除，然后就可以的到相应的螺纹样式（图3-3-6）

35、。后面螺母的螺纹切除也可以用相同的方法去做，可以得到螺纹头数为5，螺距为120mm的螺纹。（3-3-7）3-2-6阵列预览图3-2-7扫描切除结果图 5）最后在编辑螺旋线特征，单击设计树中的切除扫描前的加号，右键单击螺旋线，选择特征编辑，出现螺旋线参数设定选项，可以修改螺纹的螺距，圈数，方向，角度等。因为螺纹头数为5，螺距为2mm，而螺旋线是圆周阵列得出，所以选择单条螺旋线的螺距为10mm，圈数为12，就完成了对丝杠的三维建模（图3-3-8）。3-2-8丝杠三维图3.2.2 滚柱的三维建模 1）因滚柱端部齿轮的建模比较繁琐，且与螺纹在同一圆柱体上，因此直接调用solidworks自带的标准零件

36、库里的正齿轮，单击设计库按钮，选择，solidworks会自动插入标准零件库，选择国标文件夹，在选取里面的动力传动，选择齿轮文件夹，然后挑选正齿轮，右键点击生成零件，就可以的到正齿轮的参数设计选项。设定其模数为0.25，齿数为20，压力角为20º，面宽为37mm，标准轴直径为4mm，生成标准零件（3-2-9）3-2-9正齿轮生成图 2）在距离端面1mm处设定基准面，基准面的设定前面已经有过简绍，这里只要将距离设为1mm，如果方向相反，可以单击前的方框，就可以得到想要的基准面。绘制直径分别为4.35mm，5.5mm的同心圆，选择拉伸切除，切除深度为1mm（3-2-10）3-2-10切除

37、结果图 3）用相同的方法，切除出6个端部齿轮（3-2-11）3-2-11切除结果图 4）因为中间为螺纹，所以先切除中间齿轮的齿部分，在中间齿轮的端面建立基准面，绘制2中的草图，拉伸切除深度为25mm，然后再以绘制的草图进行凸台拉伸，就可以的到未切除螺纹的滚柱（3-2-12）3-2-12螺纹圆柱生成图 5）在任意平面绘制螺纹截面进行切除，梯形截面的参数均与丝杠螺纹切除草图相同，需要更改的是梯形斜边，根据式（2-6）可以得到，因此螺纹切除轮廓就可以确定（3-2-13）3-2-13滚柱扫描切除轮廓图 6）绘制螺旋线，方法与丝杠的相同，在螺旋线绘制时，绘制的圆的直径为4.435mm，原因与丝杠相同，同

38、时应当将端部齿轮包含进去，在滚柱与丝杠配合中，因为齿轮也将啮合在丝杠的螺纹中，将端部齿轮也进行螺纹切除，使得滚柱与丝杠之间没有干涉，从而滚柱与丝杠最大程度的啮合。因为滚柱为单头螺纹，因此，直接设定螺旋线的螺距为2mm，圈数为20，方向为顺时针，起始角度为0º，绘制出螺旋线后，选择扫描切除，可以得到（3-2-14）的结果3-2-14切除结果图 7）在滚柱一端端面绘制直径为2mm的圆，选择拉伸凸台选项，拉伸深度为3mm，同理，为另一端也绘制同样的圆柱体（3-2-15），用于与行星架配合。这样滚柱的三维建模就已完成。3-2-15滚柱三维图3.2.3 内齿圈的三维建模因为端部齿轮将与内齿圈啮

39、合，所以内齿圈的宽度应为6mm，内齿圈是直接插入到螺母中，所以内齿圈的外径可以自己设定。直接调用solidworks中的标准零件库，选取直齿内齿圈，设定模数为0.25，齿数为100，压力角为20º，面宽为6mm，外径为28mm，就可以生成所需要的内齿圈（3-2-16）3-2-16内齿圈三维图3.2.4 螺母的三维建模1）新建草图，在前视基准面中，绘制直径为30mm的圆，选择拉伸凸台选项，可以得到圆柱体（3-2-17）3-2-17拉伸圆柱图2）由于螺母为内螺纹，所以绘制螺旋线草图时，应当绘制直径25.55mm的圆，这样才能保证在扫描切除时，梯形上底为螺纹的牙底厚，上底为螺纹牙顶厚。螺母

40、与丝杠相同，螺纹头数都为5，所以绘制过程同丝杠相似。在圆柱端面绘制直径为25.55mm的圆，选择螺旋线，设定螺旋线的螺距为30mm，圈数为1，起始角度0º，方向顺时针（3-2-18）3-2-18螺旋线生成图3）在任意基准面绘制扫描切除轮廓，轮廓图与丝杠相同，唯一不同的是轮廓要置于圆柱体内部，从内部开始切除，因为内部为实体，所以扫描切除之后，将中间的实体圆柱切除掉，就可以切除内螺纹出一条螺纹(3-2-19)3-2-19单条螺纹生成图4）为圆柱体建立基准轴，取用圆周阵列，阵列基准轴为圆柱基准轴，阵列个数为5，角度为72º，阵列特征为扫描切除，可以得到头数为5，螺距为30mm的螺

41、纹（3-2-20）3-2-20阵列结果图5）修改螺旋线特征，因为螺母头数为5，螺距为2mm，所以单个螺旋线的螺距为10mm，螺母长30mm。圈数为3，进行修改，生成三维图（3-2-21）3-2-21螺纹结果图6）在螺母端面建立基准面，绘制直径为28mm和直径为30mm的同心圆，进行凸台拉伸，用于插入内齿圈，完成螺母的三维建模（3-2-22）3-2-22螺母三维图3.2.5 行星架的三维建模1）选择前视基准面，绘制直径为28mm的圆，选择拉伸凸台，拉伸深度为3mm（3-2-23）3-2-23拉伸圆台图2）因丝杠的大径为15.55mm，所以以行星架端面为基准面，绘制直径为16mm的圆，并拉伸切除，

42、深度为完全贯穿（3-2-24）3-2-24拉伸切除图3）设计时，丝杠与螺母的螺纹头数为5，所以在配合时滚柱的个数为5，这5个滚柱都要在行星架上，因滚柱的中心轴与丝杠的中心轴的距离为10mm，所以在行星架的端面绘制5个直径为2mm，距离中心轴10mm的圆，且角度为72º。并拉伸切除，切除深度为完全贯穿，就完成了行星架的三维建模（3-2-25）3-2-25行星架三维图3.3 建模与配合上述建模所用到的参数全部来自于前面的行星滚柱丝杠的参数设计，但难免在配合过程中发生干涉，所以，在配合的过程中，每添加一个配合的时候都要进行干涉评估，当有干涉发生时，可以稍微修改零件的一些参数，以达到完整的啮

43、合。若在配合的过程中出现尺寸上的问题，可以回到零件图中进行修改，保存后，装配体会自动的更新，方便装配3.3.1 螺母与滚柱的配合螺母与滚柱的配合比较复杂，既要满足螺纹配合，又要满足端部齿轮副的啮合，而滚柱与丝杠的配合只有螺纹啮合。因此，先进行滚柱与螺母的配合，这两个零件完全啮合好后，在添加别的零件，即使出现干涉，也不必要改动过多的尺寸参数，可以提高配合的效率，同时减少配合过程中的问题。1） 单击新建选项，选择建立一张装配体，生成装配工作界面（3-3-1）3-3-1装配工作界面图2） 选择浏览选项，找到保存的螺母与滚柱的零件图，插入到装配体中。在插入过程中由于零件之间没有添加配合，所以每个零件都

44、是单独存在的，可以移动，旋转零件，使得零件相对的在同一个平面（3-3-2）3-3-2插入零件图3） 单击装配体，选择配合选项就可以在所选实体之间添加一定的配合关系，在标准配合中有平行，重合，垂直，相切，同轴心，锁定，以及距离，角度，以及零件配合位置的配合设定；在高级配合中有着对称，宽度，路径配合，线性/线性耦合的配合设定；在机械配合中有着凸轮，铰链，齿轮，齿条小齿轮，螺旋，万向节的配合设定。关于滚柱与螺母之间的配合，首先先添加中心轴之间的距离，单击配合按钮，在设计树中选择滚柱的中心轴与螺母的中心轴，选定后会自动添加到配合选择中，选择距离配合，填入数值为10mm，点击确定，再次选择两中心轴，在角

45、度中选择0度，即可完成中心轴距离的正确配合（3-3-3）3-3-3中心距配合结果图4） 接着是对滚柱与螺母螺纹的啮合，因为中心距已经满足条件，所以只需让滚柱的牙顶完全位于螺母的牙底即可使得螺纹正确啮合，首先确定滚柱和螺母的螺旋线起始点所在的端面，如果在装配体中不好得到，可以在零件图中寻找，并建立基准面，可以修改基准面名称，方便配合，然后添加配合关系，让两个端面重合.配合中选择的面是图中的蓝色光亮部分，单击确定，即可添加配合关系（3-3-4）。3-3-4端面配合结果图5）接着对螺纹啮合进行配合，选择滚柱的轮齿中心面，以及螺母的螺纹中心面，中心面进过螺纹的起始点，且经过滚柱与螺母的中心轴，若在零件

46、编辑中没有添加中心面，可以在对零件进行编辑，设定基准面以便于螺纹的配合，本图已经建立过了，所以直接选择，即可完成螺纹之间的配合（3-3-5）。3-3-5中心面配合结果图6） 经过上述过程，滚柱即与螺母完全啮合，可以单击评估，选择干涉检查进行检验，是否会发生干涉，（3-3-6）可以对装配体进行剖面设定，观察螺纹之间是否有干涉。3-3-6剖面干涉结果图7） 单击评估按钮，选择间隙验证，可以快速计算得到滚柱与螺母之间的间隙，本图的间隙为0.04mm，可以满足传动要求，因此可以判定单个滚柱与螺母之间已经完全啮合。8） 因为滚柱个数为5，所以要还要添加4个滚柱，这里直接可以进行零件的阵列，选择装配体中的

47、圆周阵列，在阵列轴中选择螺母的中心轴，在角度参数设定中选择72°，在阵列个数中选择5，在要阵列的零件中选择滚柱，单击确定（3-3-7），就完成了整个滚柱与螺母的啮合。这里可以先不进行阵列，当所有零件都配合好后再进行，可以方便配合，也可以使得装配过程比较简洁，阵列不仅是阵列零件，还阵列零件所拥有的配合关系，所以可以先不阵列，此处是为了可以直观的看到配合后的情况。3-3-7螺母和滚柱配合结果图3.3.2 内齿圈的啮合 1）插入零件内齿圈，在设计库中调用直齿内齿圈，按照参数设计中的数据设定内齿圈的各部分参数，并生成零件。 2）添加第一个配合关系，单击配合，选择内齿圈最外端的圆的边线和螺母外

48、圆的边线，添加同轴心的配合关系；继续添加配合关系，单击选择内齿圈一端端面和螺母的端面，添加重合关系；最后定义滚柱的端部齿轮与内齿圈的齿轮啮合部分，单击选择配合，选机械配合，单击齿轮，选择内齿圈的齿根边线和端部齿轮的齿顶圆边线，在比率中填入相应的参数，这样内齿圈就可以完全啮合（3-3-8）3-3-8齿轮配合结果图3.3.3 丝杠的啮合丝杠与滚柱的啮合只有螺纹啮合，因此方法与滚柱与螺纹相同，值得注意的是滚柱的端部齿轮是否能够完整的啮合在丝杠中。在本图的配合中，采用下述方法。1） 先插入零件丝杠，放在合适的位置。2） 添加配合关系，选择丝杠的中心轴和螺母的中心轴，添加重合的配合关系，为了是螺纹可以完

49、全啮合，使得丝杠的螺旋线端面与滚柱的螺旋线端面重合，在标准配合中选择重合的配合关系，同螺母与丝杠相似，使丝杠的中心面与滚柱的中心面重合，就可以是的螺纹完全啮合（3-3-9）3-3-9螺纹啮合剖面图3） 在进行干涉检查，确定啮合是否正确，通过结果未干涉可以判定出，配合后的螺纹啮合是正确的，符合传动所需的条件，因此，丝杠的配合也完成了（3-3-10）（3-3-11）。3-3-10丝杠配合结果图3-3-11丝杠配合端面图3.3.4 行星架的配合行星架的配合比较简单，先插入行星架的零件图，添加重合配合关系，选择行星架的中心轴和螺母的中心轴，使中心轴重合；然后添加重合配合关系，选择行星架端面和内齿圈端面

50、，最后添加同轴心配合关系，选择行星架空心圆柱体的底圆边线和滚柱的小圆柱体的底圆的边线，添加这三个配合关系后，行星架的位置就完全确定。 至此，行星滚柱丝杠装配就完成了（3-3-12）3-3-12行星滚柱丝杠的三维模型3.4 行星滚柱丝杠的动画设计 在利用SolidWorks设计动画时，先要对装配体之间的配合进行修改，将滚柱的中心面与螺母的中心面之间的重合配合，以及滚柱中心面与丝杠中心面之间的重合配合删除掉，因为在动画设计中要选择一零件为固定件，其他零件为可移动零件，如果重合的配合关系还存在，则滚柱，螺母，丝杠都将无法做旋转运动，各个零件都完全定义，只有轴向的运动，虽然重合关系被删除，但是他们之间

51、的位置在动画中可以保留，他们之间的啮合依旧是满足设计要求的。然后添加螺旋关系，选择行星架的圆柱面，以及丝杠的中径圆草图，在圈数/mm中键入2，表示每转1圈，丝杠便轴向移动2mm，即一个螺距。 固定螺母和内齿圈，选择添加马达选项，在面和方向中都选择行星架最外端的端面，单击确定，即可完成行星滚柱丝杠的动画设计。可以单击播放按钮使得动画开始播放，也可以保存动画。 整个行星滚柱丝杠的虚拟样机设计完成。4结论在进行行星滚柱丝杠的参数设计过程中，了解到滚柱螺纹，与丝杠螺纹和螺母螺纹的参数关系，其中滚柱的螺纹中径与丝杠的螺纹中径和螺母中径之间的关系，满足线性关系。同时了解到螺柱端部齿轮的尺寸参数与滚柱螺纹参

52、数尺寸之间的关系，在零件参数设计的整个过程，要注意如何保证在啮合的紧密性，以及传动的稳定性。在参数设计中主要遇到的问题便是滚柱端部齿轮的参数设计，因为在参数设计时，先确定丝杠的中径，以丝杠的中径为基准设置滚柱的中径参数，得到滚柱的中径参数，由配合原理又可以得到端部齿轮的分度圆直径，知道分度圆直径后，根据国标，确定端部齿轮的齿顶高系数为1，齿隙系数为0.3，得到齿轮的齿顶圆直径，和齿根圆直径。因为滚柱中的端部齿轮将会啮合在丝杠的螺纹中，所以滚柱螺纹的大径和小径也确定，因为牙型角都是90°，所以螺纹牙的轮廓也就确定，滚柱的螺纹啮合在丝杠的螺纹中，所以丝杠的螺纹牙轮廓也就确定，可以得到丝杠

53、的螺纹大径和小径。同理可以得到螺母的大径与小径，而内齿圈选择模数和端部齿轮相同的标准件，这样，所有的尺寸就都可以得到。由此可以看出，自己定义的只有丝杠的中径，其他的都是经过一系列的推导得出。整个行星滚柱丝杠的尺寸参数确定。通过solidworks对行星滚柱丝杠的模型建立，了解solidworks的建模方法，利用三维图的立体效果分析零件的尺寸参数是否正确，从而可以实时的寻找到参数设计中的问题，在零件三维建模的过程中，比较麻烦的是螺纹的生成，由于螺纹要紧密的啮合，所以在螺纹切除过程中误差不能过大，在滚柱的螺纹切除中，因为是外螺纹，所以可以设定扫描切除轮廓与圆柱体上段为穿透关系，这样在扫描切除时，梯形轮廓的上底将会贴紧螺旋线，可以得到标准的螺纹，其螺纹牙底的宽度为梯形的上底，螺纹牙顶的的厚度为梯形的下底，牙顶到牙底的距离为梯形的高，设定梯形的各个参数即可得到与参数设计中的滚珠螺纹一模一样的三维图。而螺母因为是内螺纹，因此，必须将梯形轮廓放在螺母内部，梯形的上底垂直于螺母的端面，上底与斜边的