调研报告-高性能滚珠丝杠副精度保持性测试试验台设计及测试规范文件的制定

1、调研报告班级：机械0903班 学号：2009010073 姓名：陈莹 指导教师：王科社教授 日期：2013-3-21一调研题目高性能滚珠丝杠副精度保持性测试试验台设计及测试规范文件的制定二调研场地北京信息科技大学图书馆 北京精密天工滚珠丝杠股份有限公司三调研目的了解高性能滚珠丝杠副精度保持性测试试验台设计的国内外技术现状和水平，正确估计自己的项目，同时也使所做的项目具有一定的先进性。四调研内容（一）.了解滚珠丝杠精度保持性测试试验台和滚珠丝杠的结构原理及其使用性能。滚珠丝杠的结构： 滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构(以圆形反向器和椭圆形反向器为代表)和外循环结构(以插管为代表)两种。这两种结

2、构也是最常用的结构。这两种结构性能没有本质区别，只是内循环结构安装连接尺寸小；外循环结构安装连接尺寸大。目前，滚珠丝杠副的结构已有10多种，但比较常用的主要有：内循环结构；外循环结构；端盖结构；盖板结构。滚珠丝杠原理：      1、按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例，滚珠丝杠是用来将旋转运动转化为直线运动；或将直线运动转化为旋转运动的执行元件，并具有传动效率高，定位准确等      2、当滚珠丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可

3、以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。滚珠丝杠副的特点 1）传动效率高。 滚动摩擦降低了摩擦系数，减小了摩擦带来的功率消耗。2）传动的可逆性，不能自锁。 正传动回转运动转变为直线运动； 逆传动直线运动转变为回转运动。3）同步性。 用几套同样规格的滚珠丝杠副同时驱动几个相同的部件或装置时，包括启动的同时性、运行速度和位移等具有较高的一致性。4）传动精度高 材料经过热处理之后尺寸稳定、通过预紧消除轴向间隙、滚动摩擦系数小工作温升较小、可通过预拉伸以补偿热伸长、行程累计误差小可以获得较高的定位精度与重复定位精度。滚珠丝杠精度保持性测试试验台。对于机械产品来说，可靠性是评价机械产品性能的一个

4、很重要指标，对于具有高速度，高精度和高负载能力的高性能滚珠丝杠副产品来说，精度保持性的高低是反应滚珠丝杠副性能的最重要的指标，精度保持性的高低直接反映滚珠丝杠副的工作能力，滚珠丝杠副的精度保持性的高低也是企业产品竞争力的一个重要保证。近年来，国内外在可靠性理论发展方面取得了较大的发展，也有较完善的理论。随着技术的发展，对于产品的精度要求越来越高，同时，精度保持性的高低是急需解决的问题。所以，国内外众多学者在可靠性的理论基础上提出精度保持性的概念，运用可靠性理论研究精度保持性理论。在调研场地-北京精密天工滚珠丝杠股份有限公司，我们在工程师的带领下参观了一下工厂的生产车间。从用来制作丝杠的毛配料到

5、加工它的车床，磨床，有磨外圆，车外圆，精车，表面感应淬火，粗磨螺纹等很多工序，每个步骤都有专门的机器设备及操作人员，和我们在长春一汽时参观的车间一样，虽然没有看到每个步骤的加工细节，但很清楚地了解了滚珠丝杠的加工过程。在调研场地北京精密天工滚珠丝杠股份有限公司，我见到了一台滚珠丝杠寿命试验机，它的功能主要是测量滚珠丝杠的寿命，精度，速度及载荷。为满足滚珠丝杠副的试验要求，计划研制的试验平台将遵从模块化设计思路，可用于多种规格丝杠的综合性能测试评价。滚珠丝杠副寿命试验台本身主要部分由台座、被测模块和负载模块。原理图如图1所示。台座：安装被测模块、负载模块和安全防护装置的基础。石质或铸铁座体固定在

6、钎入地下的螺栓上。台座留有冷却系统管路线槽和部分传感器位置，并安装防撞块、可拆卸的透明防护罩等。被测模块：安放被测丝杠。各种规格和形式的丝杠均可在试验台上进行测试评价并做到拆装方便。负载模块：以直线电机（对拖）为主要形式为测试提供力负载。根据被测丝杠具体试验要求，使用可伺服控制的负载电机，实现稳定、可编程、宽范围、与速度不耦合的推力负载。台座饲服电机直线电机负载装置被测滚珠丝杠被测模块驱动器变压器、电抗、滤波等变压器、电抗、滤波等负载模块驱动器冷却站力传感器调理电路电源电源反馈电源反馈电源冷媒上位机数据采集试验系统软件其他仪器变送器等多路传感器、控制信号控制位置力控制温度、流量等其他线形往复运

7、动电流图1 滚珠丝杠副寿命试验台组成（二）.了解滚珠丝杠精度保持性测试试验台和滚珠丝杠的装配全过程。滚珠丝杠副是由滚珠丝杠，滚珠螺母和滚珠组成的部件，它可将旋转运动和直线运动相互转变，滚珠丝杠副中的滚动体是滚珠。常见的滚珠丝杠副循环方式主要有四种：内循环（如图2），外循环（如图3），端塞循环（如图4），端盖循环（如图5）。图2 内循环结构示意图图3 外循环结构示意图 图4 端塞循环结构示意图 图5 端盖循环结构示意图在工厂的车间里我还了解到了滚珠丝杠的装配过程，工人很热情的给我们演示了滚珠装配到反向器与丝杠的滚道中的过程。工厂的总工程师还分别给我们讲解了不同循环方式的滚珠丝杠的滚珠循环过程，让

8、我们清楚直观的了解了他们的异同。滚珠丝杠试验台分为试验台上置和下置两种。调研的试验台是滚珠丝杠在试验台上面的结构，试验台材质是铝材，主要目的是防止磁吸力;试验台通过电机（如图6、图7所示）提供载荷；试验台装有测量速度，载荷，温升的传感器分别与控制与输出测量数据的计算机相连，通过试验台的检测能够清楚明了的看到滚珠丝杠的各种参数变化，进一步研究滚珠丝杠的精度保持性。图6 直接驱动直线负载图7 直线电机结构设计（三.）了解滚珠丝杠精度保持性测试试验台和滚珠丝杠需要工装设备的设计原理及其应用。滚珠丝杆副的预紧方式（如表一）表一 不同预紧方式比较预紧方式双螺母垫片预紧(NFD、CDM系列)单螺母变位导程

9、预紧(CBT、CBM系列)单螺母增大钢球预紧(NFZ、WCM、DCT、DCM系列)结构特点1、 在两螺母间插入垫片，对螺母施加预紧力，一般根据预紧力大小选择垫片厚度。垫片越厚预紧力越大。2、 钢球2点接触。1、 在单螺母中间附近对某一导程增加一增量，对螺母施加预紧力，增量越大预紧力越大。2、 钢球2点接触。1、 在丝杠副中，选用较大的钢球直径装入其中，对丝杠副施加预紧力，钢球直径越大预紧力越大。2、 钢球4点接触。螺母长度长 中 短（四）. 了解滚珠丝杠精度保持性测试试验台和滚珠丝杠国内外同类设备。滚珠丝杠副的高速化同时带来了振动、噪声和由于摩擦引起的温升等诸多问题，噪声和温升成为制约滚珠丝杠

10、副高速化的关键因素。分析研究这些方面对滚珠丝杠高速化有很大的现实意义。国外对滚珠丝杠副的研究主要是日本、瑞典、德国、美国和韩国，虽然相关的文献并不多，但所研究的内容基本涵盖了丝杠副的结构、运动学、接触变形、刚度、载荷与寿命、摩擦、润滑、噪声、温升和热场分布等问题。国内外滚珠丝杠性能对比如表二所示。表二 国内外滚珠丝杠性能对比主要性能精度 (mm) (300mm内螺距误差)最大dn值（万）最高运动速度（m/min）最大加速度度（m/s2）噪音(db)（30m/min下测试）（温升(°C)（30m/min下测试）国外0.02>1590-12015-20<60<5国内0.

11、06>1060-8010-15<70<10NSK在“第24届日本国际机床展（JIMTOF2008）”（2008年10月30日11月4日，东京有明国际会展中心）上，展出了进给速度全球最高、达到240m/min的超高速工作台。目前，加工中心等的进给速度最高在120m/min左右，实际在60m/min左右。该公司表示，“机床的高速化是永远的主题。我们的目的是通过展出240m/min超高速工作台来了解市场需求，并在数年后达到实用水平”。 超高速工作台在达到高速化的同时，还实现了高刚性化和高精度化。首先，在高速化方面，将轴径为50mm的滚珠丝杠副的导程扩大了80mm。中导程类型的导程为

12、25mm，因此相比之下扩大了3倍以上。在同一转数（此次为3000rpm）下，加大导程后，进给速度自然就会加快。但是，由于滚珠减少，刚性就会下降。因此，该公司通过滚珠丝杠副采用有4条沟槽的丝杠副，增加了滚珠数量，从而确保了刚性。滚珠的增加还有望实现长寿命。我国滚动功能部件行业生产不集中、产品品种单一、含金量偏低，尚无在国际上有影响力的知名品牌，已成为国产数控机床发展的瓶颈。针对以上问题，北京精密天工滚珠丝杠股份有限公司很好的改进。北京机床研究所从1960年开始研制滚珠丝杠副，至今已有50年的历史，积累了丰富的滚珠丝杠副的设计开发，工艺经验，拥有完备的测量技术和生产制造能力。为尖端技术领域，机床工

13、具行业提供了多种高精度，高性能，高效率，高质量的滚珠丝杠副，为我国前沿和基础制造业的发展做出过积极的贡献。JCS品牌就是我国自主知识产权滚珠丝杠副的杰出代表。为了制造高速，低噪音，低温升，流畅型的滚珠丝杠副，该公司还和我们学校有一个共同研发的项目-高性能滚珠丝杠副精度保持性测试试验台的设计，该实验台采用试验台在下，滚珠丝杠副在上的装配形式，这样可以清楚地看到传感器的安放位置，而加载在滚珠丝杠副上的载荷由直线电机直接提供，适合轻载高速的工作情况。（五）. 对设计课题进行初步探讨，或进行适当可行的试验或验证，自学有关参考资料。通过对滚珠丝杠副与试验台的基本知识，我也参考了很多中外参考文献，有别的人

14、的研究报告和一些专利。学习文献中可以帮助自己的研究。山东大学，山东济宁博特精密丝杠制造有限公司研制了一种高速滚珠丝杆副综合性能试验台（如图8所示）。用来对滚珠丝杆副的加速度，速度，温升，热位移，定位精度等综合性能参数进行测试。试验台的总体结构：本试验台能测量丝杠的最大长度为2000mm，实际工作行程小于1800mm;测量时工作台移动速度可达60m/min；可以完成负载状态下的加速度，速度，定位精度以及丝杠热伸长的在线实时测量。试验台的结构示意图如下所示。安装时严格保证两条直线导轨7与滚珠丝杠4在两个方向的平行度，前后轴承采用高精度的C级向心球轴承，丝杠及导轨均采用喷油润滑。图8 试验台结构组成

15、华东工学院申请了一个关于滚珠丝杠副跑合及疲劳试验机（如图9）的专利报告。该新型涉及一种滚珠丝杠副性能试验机，特别是一种滚珠丝杠副跑合及疲劳试验机，它由加载装置，换向机构，液压站，控制器等组成，其特征在于加载装置为一液压式油缸，设置于滚珠丝杠副上的两个螺母之间，本实用新型将外加载荷转化为系统的内力，丝杠支撑端无附加外力，实验过程中转运平稳，实现了试验机的寿命大于滚珠丝杠副的寿命，保证了实验可一次连续完成。图9 一种滚珠丝杠副跑合及疲劳试验机1 液压站 2 控制器 3 换向机构 4 液压马达 5 加载装置 6 丝杠 7、8 螺母 9 油缸体 10活塞 11 密封盖 12、13 油腔 14、15 油

16、流孔 16 环形槽 17 凸台液压马达分别与丝杠、换向机构连接，控制器分别与液压站、换向机构、加载装置连接，其特征在于加载装置为一个具有两个油腔的液压式油缸，由油缸体、活塞、密封盖构成，设置于丝杠上，并位于滚珠丝杠副上的两个螺母之间。加载装置套于丝杠上，其中心线与丝杠轴线重合。加载装置的油缸体上设有环形槽，活塞一端带有凸台，插入环形槽中，构成油腔，活塞外套密封盖、并与油缸体紧固。油缸体上设有油流孔，分别与油腔相连。通过比较调研的试验台装配方案，及专利文献的研究方案，提出一种可行性的方案。首先沿用调研时研究的滚珠丝杠副试验台的方案，将滚珠丝杠副装配在试验台的上边，由直线电机提供负载，用传感器连接

17、滚珠丝杠副和计算机，在滚珠丝杆运动时，一次性就获得实验的数据。试验台装配图如图10所示。试验台的实物如图11所示。图10 试验台装配图 图11 试验台实物图5、 参考文献1. 宋现春 刘建 王兆坦 刘宪银 李保民 山东大学 山东济宁博特精密丝杠制造有限公司 高速滚珠丝杠副综合性能试验台的研制开发 2004年7月2. 北京精密天工滚珠丝杠股份有限公司 滚珠丝杠副基础知识及JCS产品介绍和技术发展历程 2010年3月3. 施祖康 张世琪 殷爱华 钱吉胜 迟云 华东工学院 滚珠丝杠副跑合及疲劳试验机 专利申请号 912220060.X4. 施祖康 张世琪 殷爱华 钱吉胜 迟云 华东工学院 滚珠丝杠副

18、动态摩擦力矩测量装置 专利申请号 91213773.85. 施祖康 张世琪 殷爱华 钱吉胜 迟云 华东工学院 双螺母滚珠丝杠副预紧力测试装置专利申请号 91213895.56. 黄祖尧 北京机床研究所 国外滚珠丝杠副的精度，性能检测动向 1985年第11期报刊发表7. 王刚 大连理工大学 高速精密滚珠丝杠副综合性能测试系统开发 2012年6月8. 北京机床研究所 高速滚珠丝杠副的研发和测试技术9. 冯永敢 张怀存 杨庆东 北京信息科技大学 高速滚珠丝杠副寿命试验台预紧力矩测量系统的设计 2012年5月10. 屠国俊 南京理工大学 滚动功能部件可靠性实验、分析及评估方法研究2011年12月11. 程鑫 山东大学 高速滚珠丝杠副性能试验台的研制及丝杠温升试验 2011年11月12. 田茂林 陕西汉江机床有限公司滚动功能部件研究所所长 重载滚珠丝杠副可靠性试验及分析 2012年