完整版滚珠丝杠副预紧转矩测量仪毕业设计.docx
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完整版滚珠丝杠副预紧转矩测量仪毕业设计
毕
业
设
计
论
文
班级：
机械1104
姓名：
孙浩文
指导老师：
王科社
摘要
这是一篇关于滚珠丝杠预紧力检测仪的技术性报告。
我主要用pro/e野火5.0和autocad2008等软件完成对这套系统的建模、仿真及cad工程图的绘制。
我也对这个系统的工作原理进行了说明和演示。
我也对改良了检测仪的机械传动系统。
降低了电机的功率，使传动变得更加简便。
滚珠丝杠对很多种数控机床来说是非常重要的，所以为了工业进步我们要不断提高改进它的检测装置。
abstract
Thisisatechnologyreportofballscrewpre-tighteningforcedetector.Iuse
Pro/ewildfire5.0andautocad2008tocompletemodeling,emulationanddrawing.Ialsoexplainedhowthissystemappearstowork.Andiimprovethemechanicldrivesystemofthemachine.Makeitdesignedpowerofmotor.Andmakeitsimpleandconvenient.
Ballscrewisveryimportantformanynumericlcontrolmachine.Sowemustalwaysimprovetheballscrewpreloadtesterforindustrialdevelopment.
第1章前言
第2章文献综述
2.1研究意义
2.2国内外研究现状及成果
2.2.1国外研究现状及成果
2.2.2国内研究现状及成果
2.3发展方向
第3章测量仪的用途、规格、主要技术性能及特点
3.1系统功能
3.2研究内容
3.3研究方向
第4章滚珠丝杠预紧力测量仪的总体设计
4.1滚珠丝杠滚珠丝杠预紧力测量仪的总体设计示意图
4.2设计重点
4.3设计难点
第5章主要技术参数确定
5.1主要技术参数
5.1.1主要零件载荷及强度参数
第6章动力机参数
第7章机械结构设计
7.1主要零件的尺寸及材料参数
第8章滚珠丝杠预紧力测量仪的传动设计
8.1结构方案的确定
8.2机构及主要零件空间布置
8.3结构工艺性的考虑
8.4轴承的布局
8.5润滑与密封方式的选择
第9章滚珠丝杠预紧力测量仪计算机仿真动画设计
第10章技术经济分析
10.1主要零件成本价格与市场价格
10.2装配工作量成本以及配套软件计算机成本
10.3市场需求以及改良收益和其他收益第
11章结语
后记谢词
第1章前言
在科学技术不断发展进步的当今，机械已经和人们的生产、生活结合得密不可分，小到人们的手表，手机，大到各种动力驱动的动车组和谐号，航空客机，邮轮货船。
这些常用机械给人们的生活带来了巨大便利，在交通上缩短了大量的时间。
作为现代机械生产的主流，数控加工中心，各类加工机床等设备的一个重要组成部分，滚珠丝杠的改进研发，维修及应用，技术指标检测。
对生产效率与质量的提升，有着很重要的指导意义和迫切的现实意义。
本篇是一篇针对设计产品的产品说明书，对滚珠丝杠预紧力检测仪系统，的机械设计部分进行介绍，理论分析，计算分析，仿真，包括对制造工程图制作及细节处理进行论述，还有对原有系统的一些改进设计，其中本篇没法具体详细体现的设计工作，实验环节，即在pro/ewildfire5.0，autocad等软件上的设计图工作，和现场勘察，实物测绘也在，本篇中和本篇的附录中做简要介绍。
本产品说明书，主要就滚珠丝杠预紧力检测仪系统的系统功能，总体设计，主要零件的受力参数，动力机参数，机械结构设计，传动设计及技术参数，经济技术分析，仿真设计方法进行图文并述的方式进行论述说明。
第2章文献综述
2.1研究意义
滚珠丝杠是目前应用最广泛的一种传动形式，它具有传动效率高，启动力矩小，传动灵敏平稳，工作寿命长等优点。
通过施加预紧力，可以保证丝杠，滚珠和螺母之间没有间隙，而且，可以将整个螺母丝杠副的弹性变形量减少到最小，从而提高滚珠丝杠副的刚度及精度。
传统的获得滚珠丝杠预紧力的方法都是通过扭矩测量而间接获得，因而不能精确反映预紧力的大小，且不能随时精确地补偿因磨损而增大的间隙，不能保证稳定的精度。
因此能够进行实时补偿的连续可调预紧装置对于滚珠丝杠副的传动稳定性，对于提高整个滚珠丝杠副的传动精度及效率有非常重要的指导意义。
2.2国内外研究现状及成果
2.2.1国外研究现状及成果
世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上，1940年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副，1943年，滚珠丝杠副开始用于飞机上。
精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在精度和性能上产生了较大的飞跃，随着数控机床和各种自动化设备的发展，促进了滚珠丝杠副的研究和生产。
从50年代开始，在工业发达的国家中，滚珠丝杠副生产厂家迅速出现，例如：
美国的WARNER-BEAVER公司、GM－SAGINAW公司；英国的ROTAX公司；日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。
2.2.2国内研究现状及成果
我国早在20世纪50年代末期就开始研制滚珠丝杠副，并于1964年自行研制出第一套滚珠丝杠副。
开始阶段主要是引进国外的滚珠丝杠副加以研究并生产，之后于1973到1978年期间，我国滚珠丝杠副的生产开始了按系列化标准分工布点的小批量生产，近几十年来，人们对滚珠丝杠副的预紧转矩变动量的大小开始重视起来，以前人们只重视滚珠丝杠副综合行程误差曲线，现在也开始重视滚珠丝杠副预紧转矩的曲线。
因为有了这两条曲线，滚珠丝杠副的性能就能很好地反映出来。
。
2.3发展方向
由上面国际各大滚珠丝杠副生产企业的产品发展趋势可以总结出未来国际上滚珠丝杠产品的主要发展方向，如下：
（1）随着制造业的发展，高速度、高精度、高刚度、高可靠性、低振动、低噪声、地文升的滚珠丝杠副将成为滚珠丝杠副性能发展的主要方向；
（2）冷轧滚珠丝杠副也由于其自身的特殊性将成为发展方向之一；
（3）根据特殊领域的需要，特定用途的滚珠丝杠副，如适应宇航工业、卫星、电子产品行业等的微型滚珠丝杠副，在高温、真空、核电站、太空舱设备上使用的绿色环保滚珠丝杠副等都将得到一定的重视。
第3章测量仪的用途、规格、主要技术性能及特点
3.1系统功能
滚珠丝杠副预紧力测量仪采用花岗石床身，导轨采用滑动动直线导轨；一端装有三爪卡盘，一段用顶尖装置，装夹简单。
主轴电机通过配套可变或固定减速器，连轴器，主轴，三爪卡盘带动被测丝杠做旋转运动，主轴转速为0～150转/分；测量拖车上载有精密压力传感器和组合架，丝杠旋转时，侧头组合架带动拖车平稳运动。
组合架能够在x轴和y轴上调整位置，以配合不同型号的滚珠丝杠副的检测。
测力传感器安装在拖车上仅阻止螺母的转动而不带动滑板运动，导轨与滑板之间的摩擦力对测量没有影响。
3.2研究内容
（1）滚珠丝杠副预紧转矩测量仪的总体设计；
（2）测量部分的结构设计；
（3）传动部分运动与动力学计算；
（4）零部件的工作能力计算；
（5）滚珠丝杠副预紧转矩测量仪的工作仿真。
3.3研究方向
设计的滚珠丝杠副预紧力测量仪是测量滚珠丝杠副无载荷时预紧力的仪器。
能够简单、直接、准确地达到滚珠丝杠副预紧力的测量：
无外载荷的条件下,滚珠丝杠相对于滚珠螺母旋转,在设定的行程内丝杠与滚珠螺母之间由滚动和滑动摩擦力引起的转矩值从而获得预紧力数值。
第4章滚珠丝杠预紧力测量仪的总体设计
4.1滚珠丝杠滚珠丝杠预紧力测量仪的总体设计示意图
（a）（b）（d）
（d）（e）（f）
图4-1实际仪器部件
（a）-三爪卡盘拖车测头架（c）右上-压力传感器丝杠
（b）-尾架顶尖导轨（d）-发动机皮带轮主轴机箱
（e）-滚珠丝杠副预紧转矩测量仪操作面板（f）-滚珠丝杠双螺母
图4-2硬件总体设计图
图4-3测量仪整体实物图
4.2设计重点
该测量仪应适用于多种规格的滚珠丝杠测量，卡具适用范围和导轨长度要进行重点设计。
传感器类型及加装位置和测量方式上要重点设计，传感器的移动设计方案。
4.3设计难点
传感器跟随滚珠丝杠螺母的移动而移动的机械原理及装配实现
图4-4BK-3压力传感器外形尺寸图
图4-5扭矩传感器机械连接示意图
图4-6测量原理图
1-控制柜2-伺服电机3-前轴承座4-滚珠丝杠5-螺母座
6-后轴承座7-计算机8-传力销9-传感器10-滑板11-受力轴
图4-7传感器随螺母移动原理图
第5章主要技术参数确定
5.1主要技术参数
5.1.1主要零件载荷及强度参数
已知珠丝杠副的导程
：
滑板最高移动速度
：
动力机机最高转速；
I：
传动比
电机与丝杠间为联轴器和减速器直接连接
由上得=4m/min，=1500r/min
代入后得到0.67mm
取5mm
1）转速与载荷
（1）丝杠转速
由上表查的=0.6,=0.8,=1,=5
代入得120，160，200，800
丝杠轴向载荷
：
丝杠轴向载荷，：
纵向载荷，：
垂向载荷
＝800N，＝200N
（1）转速
/100+/100+/100+/100
得240r/min
（2）载荷
得＝157N
2）选择滚珠丝杠副
＝1，＝1，＝1，＝0.53，=1.3，＝10000h
可求得＝1359N
4）最小螺纹底径
（1）丝杠轴向最大变形量
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
已知重复定位精度10
定位精度25
①＝3，②＝6
取两种结果最小值＝3
（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
：
最小螺纹底径mm
L＝（1.1—1.2）行程+（10—14）
静摩擦力=
已知行程l980mm，＝810N,=0.21
代入得L=1100mm＝150N=9.6mm
5）确定滚珠丝杠副得规格代号
（3）选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式
（4）由计算出的，，选取滚珠丝杠副FFZD4005-5
=5,=2200N>=1359N
6）确定滚珠丝杠副预紧力
=
其中＝2200
＝733N
7）行程补偿值与拉伸力
（1）行程补偿值C=11.8
式中＝
查表得到＝950
＝110，＝（2—4）＝15
温差取
代入数据得C=32
（2）预拉伸力
＝1.95
代入得＝487N
8）确定支承滚珠丝杠副用得轴承
（1）轴承承受最大轴向载荷
＝20＋47＝67
（2）轴承类型
两端固定的支承，滚针轴承
（5）轴承内径
d略小于=4，=，取d=3
带入数据得＝236N
（6）轴承预紧力
（7）选取轴承型号规格
当d＝3mm，预加负荷
所以选择TVP轴承
d＝3，预加负荷为290>＝236N
9）滚珠丝杠副工作图设计
（1）丝杠螺纹长度
余程
（2）两端支承距离，丝杠L
（3）行程起点离固定支承距离
＝1290，＝1350
＝1410，＝30
10）传动系统刚度
（1）丝杠抗压刚度
1）丝杠最小抗压刚度
＝6.6
:
丝杠底径
：
固定支承距离
代入数据＝782N/
2）丝杠最大抗压刚度
＝6.6
代入数据得9000N/
（2）支承轴承组合刚度
1）一对预紧轴承的组合刚度
：
滚珠直径mm，Z：
滚珠数
：
最大轴向工作载荷N
：
轴承接触角
由《现代机床设计手册》查得
TVP轴承是预载荷得3倍
＝8600N/=365N/
2）支承轴承组合刚度
＝750N/
3）滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度
：
标准上的上的刚度
＝2150N/,=2200N,=733N
代入数据得＝1491N/
11）刚度验算及精度选择
=3.5，Z＝17，＝
（1）
代入得＝
代入得
已知＝800N,=0.2,=160N
:
静摩擦力，：
静摩擦系数，：
正压力
（2）验算传动系统刚度
＝1.6F0/F反；已知反向差值：
重复定位精度是10
＝30>25.6
（3）传动系统刚度变化引起的定位误差
＝（－），代入＝5
（4）确定精度
：
任意300mm内行程变动量对系统
0.8×定位精度－
定位精度为20/300
<14.3,丝杠精度为3级
＝12<14.3
（5）确定滚珠丝杠副得规格代号
已确定得型号：
FFZD
公称直径：
40，导程：
5
螺纹长度1300，丝杠长度1400
P类3级精度
12）校对临界压缩载荷
丝杠最大轴向载荷<预拉伸力F
不用校对
13）校对临界转速
：
临界转速n/min
f：
与支承形式有关的摩擦系数
：
丝杠的底径
：
临界转速计算长度（mm）
由标准得f＝21.9,=40,=
得＝5028>=1500
第6章动力机参数
根据要测量不同规格的滚珠丝杠设定外部载荷最大为200kg导程为5mm要求在100ms以内能加速到10m/min
（1）等效转动惯量的计算：
J1=mv^2/4π^2*n^2=12.7*10^-4kg*m^2
（2）等效力矩的计算：
加速力矩计算
T1=2πnj/60t=1.79N*m
摩擦阻力计算
f=μmg=40N
滑板等移动件等效力矩
T2=fv/2πn=0.32
测量仪整体的等效力矩为
T=T1+T2=1.822N
（3）最大转速
10*1000/5=2000r/min
所以选用符合该参数的电动机m06025
方案一（机床主轴转速=电机转速）直连效果选用150r/min的慢速电动机
方案二外接固定传动比或可变传动比的减速器选用2000r/min的电动机接传动比为3：
40的减速器
（在仿真3d建模中两种方案皆用电机150r/min表示）
（4）功率
T=F输出*D电机主轴/2
=（m传动主轴+m十字联轴器+m三爪卡盘+m滚珠丝杠）*g*d/2
（靠不考虑动，静摩擦力）
P1=T*n=T*150
Pe=P1/η1*η2
T：
输出转矩
P1：
实际功率
Pe：
电机额定率
η1，η2：
运动机械本身效率，电机与运动机械之间的传动效率
第7章机械结构设计
7.1主要零件的尺寸及材料参数
图7-1三爪卡盘组件
卡盘部分：
材料45号钢密度ρ=7.85g/cm3
直径d=83mm
厚度h=70mm
体积v=πr^2*h=379cm^3
重量m=v*ρ=2.97kg
卡爪部分：
材料45号钢
长度L1=26mm
L2=35mm
L3=44mm
宽度b=71mm
厚度h=20mm
体积v=（L1+L2+L3）*b/3*h=50cm^3
重量m=v*ρ=0.4kg
图7-2-1联轴器组件图
图7-2-2联轴器零件一
联轴器键连接:
材料45号钢键宽度b3
半径r1键高度h3
r2键深度a
厚度h
槽宽度b
槽厚度h2
图7-2-3联轴器零件二
联轴器十字滑块：
材料耐磨减震材料
半径r
厚度h
滑块宽度b
滑块深度h2
图7-3传动主轴
传动主轴：
材料38CrMOAL密度ρ=6.23g/cm3
长度L1
L2
L3
直径d1
d2
d3
体积v
重量m=v*ρ
图7-4轴承组件
轴承座：
材料45号钢
长度
宽度
厚度
倒角
轴承：
外径
内径
滚针长度
图7-5床身
床身：
材料大理石密度ρ=2.6g/cm3
长度L
宽度b
高度h
传动系统平台高度h2
体积v
重量m
特殊说明：
使用大理石的原因是测量仪没有的外载荷和过大的内载荷，所以不需要铸铁这类材料强度较高的金属材料，而且大理石单位造价，即大理石材料价格及切割加工费用要远远低于大多金属材料，加工工艺简单，周期短，容易制造，工艺成熟多样化，可用机械，也可手工制造，而且重量轻，测量仪振动没有那么大。
大理石的比热容为816.96J/（kgk），铁的比热容477.3J/（kgk），季节变化和机械热量对机床温度变化影像更低，所以热胀冷缩效果更小，所以大理石材料作为此测量仪的材料更稳定，更经济，更轻便，便于运输及安装。
而且在大理石材料上不适宜直接铣削螺纹孔，所以在装配上一般在需要铣削螺纹孔位置事先开凿出便于固定填充材料的，比目标螺纹孔更大的空间，并浇注金属材料，进行螺纹孔的铣削制作，比如床身的水平调平的底部平衡螺钉及床脚。
固定传动平台上电机，轴承座，防灰金属罩。
顶尖装置的可调整固定，都用相似的方法。
这些在最终的3d制图和，cad图中都有体现。
其余不影响输出扭矩的零件的尺寸规格会在cad和纸质图纸中详细体现，在这里简要说明。
图7-6-1顶尖和导轨部分
特殊说明：
顶尖装置的位置在测量床身可以进行轴向调整，以便配合装卡各种规格的滚珠丝杠。
图7-6-2顶尖装置
顶尖装置：
材料：
灰口铸铁
总长度L
总高度h
顶尖高度h1
顶尖最大直径Dmax
顶尖尖端长度L1
顶尖末端长度L2
顶尖可缩进长度L变
特殊说明：
顶尖装置外形较为复杂，所以灰口铸铁的特性更适合，含碳量较高（2.7%～4.0%），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。
熔点低（1145～1250℃），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。
由于片状石墨存在，故耐磨性好。
铸造性能和切削加工较好。
一般用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。
图7-7滑板导轨
图7-8滑板组合架传感器及滚珠丝杠
图7-9-1无滑板和丝杠状态总体装配图
图7-9-2总装配图
详细preo立体模型在上传的文件中的
毕设图.rar中
第8章滚珠丝杠预紧力测量仪的传动设计
8.1结构方案的确定
图8-1传动部分装配图
采用电机直连的传动方案，原参考仪器系统中，电机外置，用海绵垫和一个木板非固定状态反正地面上。
海绵起减震效果，减少了对地面的冲击但冲击还是会使电机上下少量跳动、而严重时皮带轮上的皮带因为这种震动不固定产生的跳动，影响并降低了传动效率和最终首测滚珠丝杠的转速导致出现误差，而且选用4000r/min的电机带动大质量的两个皮带轮和一大质量的蜗杆的传动方式，在转动中也会因为离心力和装配之间的间隙产生相应的震动和转递电机的震动。
所以我选用了低转速，大扭矩（相对同类低转速扭矩要大但比原系统的扭矩要小的多根据第六章的公式还会大大降低电机实际输出和额定的功率），而且震动小的三相电机。
在传动上选用对震动耐性强度大，能起减震效果的材料，比如十字连轴器中间部分选用加紧方式固定中间的耐磨耐震动材料十字滑块。
而且在床身镶嵌抗震金属材料，减少震动造成的测量误差。
零件多采用轻质硬度高的合金或工程材料，在减少原系统的2个皮带轮，用传动主轴代替蜗杆。
如果还是无法消除震动就在原有的改良基础上把床身从电机主轴末端处，传动主轴，三爪卡盘，这三处附近任一一处纵向切开。
使测量床身不受电机震动直接影响。
但是这也许会带来大量的其他问题，要通过实验及理论来证明。
由于时间有限这部分没有进行。
本系统最大的好出就是大大减少了电机功率，在装配上减少零件，使维修和安装变得更加容易，重量上相应的减少，可使产品的运输变得更加节省空间和重量。
本系统最大的问题是小电机的震动就算很小也会直接作用与机床本身，但是前面也提到了一种解决方案，但我个人不看好这个方案，还是力求从材料和减少电机本身这个震动源的震动，来减小对测量误差以及测量过程中对机械部件的损耗。
但在现在的机械技术和材料技术环境下，我认为本方案完全是可行的，遂选用了才此改良方案，这也是本论文，和毕设工作中的一大亮点。
8.2机构及主要零件空间布置
如本章传动图所示，电机放在机床的传动平（高）台的最前断，用两个m8的螺钉旋入螺纹孔在镶嵌的金属材料上固定。
电机主轴与十字联轴器采用键连接，或过盈连接，以应对不同的需求，因为根据不同的滚珠丝杠，比如特殊的大一些的滚珠丝杠就可以进更换，这是键连接可以带来的好处便于更换可以多次利用拆卸，缺点是键易于受径向跳动，轴向窜动影响产生磨损，但这个便于更换的出发点真好契合。
采用过盈连接，这种连接的优点是结构简单，定心性好，承载能力高，能承受冲击载荷，对轴的强度削弱小。
缺点是装配困难，对配合尺寸精度要求较高。
由于拆开过盈连接需要很大的外力，往往要损坏连接中零件的配合表面，所以一般过盈连接属于不可拆连接。
所以我选用了键连接。
十字联轴器另一段和传动主轴采用键连接，主轴的被两个轴承和轴承座承载，主轴和轴承和轴承座过盈连接，1个轴承座用m8螺钉旋入螺纹孔固定用在镶嵌材料上。
主轴另一端是牙型螺纹，和有中间贯通通螺纹孔三爪卡盘主轴螺纹配合，末端用螺母紧固且保证螺纹与螺纹孔装配后没有相对运动。
最后三爪卡盘夹紧滚珠丝杠，从而达到电机转动后带动十字联轴器，传动主轴，三爪卡盘，滚珠丝杠转动。
8.3结构工艺性的考虑
在工艺上要特别注意的就是在大理石床身上镶嵌用于铣削螺纹孔的金属材料，必须填满大理石床身上预先开凿的中间带有与槽长相等长的牙型突起的槽进行固定，防止材料脱落。
8.4轴承的布局
两端固定，承载传动主轴。
在最大外径的轴两端1/6处固定。
8.5润滑与密封方式的选择
定期清理添加新的润滑油，润滑油只有键连接处和轴承处，需要添加，润滑油前者起保护键的作用，后者是润滑和保护滚柱。
第9章滚珠丝杠预紧力测量仪计算机仿真动画设计
图9-1仿真动画1电机驱动丝杠旋转
具体仿真步骤如下，把电机的壳体采用〖刚性〗固定在床身上，然后〖新建〗一个组件，将电机主轴，十字联轴器，和传动主轴，三爪卡盘，丝杠，按上图的顺序〖刚性〗连接在一起，回到之前的窗口，将该组件设为〖旋转轴〗特性主轴首端插入电机壳体，插入两个轴承在如图位置〖刚性〗固定在床身上，在电机主轴或整个组件上施加一个〖伺服电动机〗。
调试动画，设置电机速度为150r/min，选择100帧，每帧0.1s，并录制即可。
图9-2仿真动画2滚珠丝杠副旋转前进带动滑板组合架轴向移动
具体仿真步骤如下，将滚珠丝杠副，两个组合架，和滑板〖刚性〗连接成一个组件，回到整体仿真窗口，让滚珠丝杠副和丝杠的中心轴对起进行〖滑块〗特性的连接，以丝杠中心轴为滑动方向，以丝杠副为滑块，在滚珠丝杠副上施加一个〖直线电动机电动机〗。
调试动画，设置电机速度14mm*150r/min=35mm/s,选择100帧，每帧0.1s，并录制即可。
第10章技术经济分析
10.1主要零件成本价格与市场价格
按照机械零件生产厂家纯利润平均15%，网店（阿里巴巴）销售5%的比例。
可根据查询到的网店价格得到成本价格如下：
1.三爪卡盘*1网店价格200-1.2万人民币成本价格166-1万人民币
2.轴承及轴承座*2
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