丝杠测量仪主轴箱结构设计毕业设计.docx

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丝杠测量仪主轴箱结构设计毕业设计

丝杠测量仪主轴箱结构设计

1绪论

1.1滚珠丝杠副介绍

滚珠丝杠副主要是由螺杆、螺母循环系统和滚珠组成，如图1.1所示。

图1.1滚珠丝杠副

滚珠丝杠副是机床和IT、光电、半导体、医疗等精密设备上最常用的传动元件，它的主要功能是将旋转运动转换为线性运动，或将扭矩转换为轴线反覆作用力，同时具有高精度、可逆性和高效率的特点。

1.2滚珠丝杠的特点及应用

1.1.1滚珠丝杠副的特点

滚珠丝杠副在使用上有很多的优点，下列详述了滚珠丝杠副的的各项特点[1]。

（1）高效率及可逆性

由于滚珠丝杠的螺杆轴和螺帽都是点接触的滚动运动，所以其效率可以达到90%以上。

所以其传动扭矩只有传统丝杠的1/3。

（2）零背隙及高刚度

数控机床、半导体设备等对于传动丝杠的要求为零背隙、最小弹性变形及高顺畅感。

滚珠丝杠采用施加预压力，来达到数控机床的重现性及全行程的高刚度。

（3）高精度

滚珠丝杠采用了哥德式的沟槽形状、可以使轴向精度调整得很小，也能轻松的传动。

如果消除轴向间隙，可以使丝杠具有更好的刚度，减少丝杠、螺母和滚珠在承载时的弹性变形，可以达到更高的精度。

（4）低起动扭矩及顺畅度

传统丝杠因为是金属与金属间的面接触，所以为了克服起动摩擦力，则必须采用较高的起动扭矩。

然而滚珠丝杠是由钢珠滚动接触，只需很小的起动扭矩就可以克服摩擦力。

（5）静音及寿命长

高精度的设备在快速进给及重负载操作下，必须要求低噪音和有较长的使用寿命。

滚珠丝杠的丝杠、螺母和滚珠都经过表面精密加工，在滚动摩擦时产生的磨损极小，保证了低噪音的效果和较长的使用寿命。

（6）优于气、液压制动器的优点

如果制动器中采用滚珠丝杠取代传统的气压或液压起动可以得到许多的优点，比如：

不会渗漏，不须过滤，省能源及重现性高。

1.2.2滚珠丝杠副的应用范围

滚珠丝杠的应用很广泛，滚珠丝杠的应用已经渗透到我们生活的方方面面，在我们周围很多设备都离不开滚珠丝杠，下面列出了一些滚珠丝杠的应用范围。

（1）CNC机械：

CNC加工中心，CNC车床，CNC铣床，CNC放电加工机，CNC磨床，CNC线切割机等等。

（2）精密工具机：

铣床，磨床，道具磨床，齿轮加工机，车铣复合机。

（3）产业机械：

印刷机，造纸机，自动化机械，纺织机，绘图机，射出成型机。

（4）电子机械：

量测仪器，X-Y平台，医疗设备，工厂自动化设备，IC封装机，半导体设备等等。

（5）输送机械：

材料搬送设备，核能反应器，高度制动器等等。

（6）航天航空工业：

飞机襟翼，机场负载设备，尾翼制动器等等。

（7）其他：

如天线使用的制动器，阀门开关装置，太阳能板伸缩机构，电子显微镜对焦机构等等。

1.3国内外滚珠丝杠的发展及研究现状

滚珠丝杠副早在19世纪末就发明的，但是因为制造难度过大，很长一段时间没能投入实际使用。

美国通用汽车公司是第一个使用滚珠丝杠副的企业，它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上。

随后滚珠丝杠副被逐渐大量使用在汽车，飞机等行业。

相比起国外，我国研究滚珠丝杠副只有不到50年的历史，我国与国外在丝杠发展水平上还是有较大的差距。

不过随着科学技术的进步和我国的不断努力，我国在丝杠行业与国外正在逐渐缩小差距，有些研究领域已经赶超国外先进潮流。

1.3.1国内研究现状

我国在1960成功试制了程控龙门铣床插管式滚珠丝杠副；在1976年成功研制出JCS-014型激光丝杠导程误差动态测量仪，并批量生产；1984年第二代滚珠丝杠测量仪研制成功；1992年我国研制成功了第三代3米滚珠丝杠副动态测量仪；2000年，我国成功研制出了48m/min高速滚珠丝杠副，并在加工中心上得到成功应用。

我国在40多年的滚珠丝杠副发展史中，涌现出了不少著名研究单位和企业，比如北京机床研究所、南京工艺装备制造有限公司、山东博特精工股份有限公司等[2]。

目前，国内的不少丝杠生产厂家已经制造出了高精度的滚珠丝杠副，不再依赖与国外进口，比如北京机床研究所研制出的GCBM4016高速滚珠丝杠副，线速度超过了48m/min。

北京机床研究所的丝杠测量仪如图1.2所示。

图1.2丝杠测量仪

我国在滚珠丝杠行业不断走以科技为先导的发展道路，已经取得了不少的成就。

但是在国际知名度方面还不够响亮，今后我国丝杠产业的发展在不断追求精益求精的同时，更要在国际舞台上打响知名度，发展自己的民族品牌。

1.3.2国外研究现状

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。

国外出现了不少滚珠丝杠副生产厂家，世界上比较知名的滚珠丝杠副生产制造商有：

日本的黑田精工KURODA公司、THK公司、NSK公司；韩国的SBC公司；美国的SM-SAGINAW公司；英国的POTAX公司等。

日本的NSK公司已开发出公称直径×导程为：

20mm×60mm、25mm×80mm超大导程滚珠丝杠副，快速进给速度达到了180m/min。

随着现在制造技术的发展，测量技术的进步，国际上对滚珠丝杠副产品的质量和多样化的要求越来越强烈。

丝杠测量仪的研究也向着智能化、高速化、高精度化、多功能化、开放化、模块化的方向发展，计算机技术、机电一体化技术、机器人技术等也被广泛地应用到了滚珠丝杠副产业。

1.4课题研究背景及意义

由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，被广泛应用于机械、航空、核工业等领域。

现在，滚珠丝杠副已成为机械传动与定位的首选部件。

随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展，对滚珠丝杠副的要求也越来越多，普通规格的滚珠丝杠副已经远远满足不了使用要求。

工业机器人、加工中心及机电一体化自动机械的出现，使其进给驱动速度不断提高，但是大导程滚珠丝杠副的出现，满足了高速驱动的要求[3]。

长期以来，我国过于追求对滚珠丝杠副精度的研究，而在滚珠丝杠副综合性能的研究上相对滞后，致使产品在性能上与国际先进水平存在较大的差距，这也是制约我国数控机床向更高档次发展的主要原因之一。

本课题就是要设计丝杠测量仪的主轴箱，丝杠测量仪主要用于滚珠丝杠副滚道型面的误差测量，主轴箱是其主要部件。

通过分析机械运动的方式和传动结构的布局，设计出合理的主轴箱系统，并使其具有良好的结构工艺性。

1.5论文主要研究内容

论文以“丝杠测量仪主轴箱结构设计”为题，主要进行丝杠测量仪主轴箱的结构设计及计算。

在设计过程中，要求做到结构紧凑、可靠，以提高丝杠测量仪主轴箱系统的动力学性能和精度。

通过对系统的分析、设计与计算等过程，完成丝杠测量仪主轴箱系统的设计。

主要研究内容如下：

（1）分析滚珠丝杠副的基本特点及国内外滚珠丝杠产业的研究和发展现状。

（2）分析丝杠测量仪主轴箱系统的特点，进行总传动系统的结构设计，包括拟定传动方案，选择合适的电动机，分配传动比和计算传动装置的动力参数等。

（3）根据主轴箱系统的总体设计方案，进行各部分零件详细的设计，在此阶段会涉及到带轮的设计，齿轮的设计，轴的设计，箱体的设计等步骤。

（4）在杠测量仪主轴箱的各部分都设计完毕后，进行总体装配设计，要做到结构合理，并便于装配与拆卸，即具有良好的结构工艺性。

（5）对本论文的设计工作进行全面总结，总结设计中的不足并提出改进意见，对丝杠测量仪的发展进行展望。

2主轴箱系统的总体设计

主轴箱系统的总体设计主要是进行主轴箱系统的总传动方案设计，包括选择哪些传动形式，画出传动系统简图，选择合适的电动机，确定传动系统总传动比并进行传动比的分配，最后计算出传动装置的运动和动力参数，为后面的详细设计提供数据参考。

2.1传动方案设计

主轴箱传动的设计方案一般用运动简图表示。

它直观地反映了工作机、传动装置和原动机三者之间的运动和力的传递关系。

传动方案首先应该满足工作机的性能要求，适应工作条件、工作可靠。

此外，还应结构简单，尺寸紧凑、成本低，效率高和便于使用和维护等。

因此，因根据具体的设计任务侧重地保证主要设计要求，选用合理的方案。

根据任务书中要求测量工作时主轴转速为8r/min～20r/min，而一般常用电动机的转速为1000r/min或1500r/min，可初步估算总传动比可能在50～187.5，传动比较大，一般的二级圆柱齿轮传动方案不能达到其要求，故选用多级齿轮传动。

本次设计方案中选用皮带轮传动加四级圆柱齿轮传动的传动方案，电动机安装在床身内，床身上安装丝杠测量仪的主轴箱，主轴箱与电动机之间通过一对皮带轮进行传动。

由于本次设计中涉及变速，所以需设计一对双联齿轮以实现变速功能。

传动装置运动简图如图2.1所示。

图2.1传动装置运动简图

带传动是一种绕性运动。

带传动的基本组成零件为带轮（主动带轮和从动带轮）和传动带，见图2.2，当主动带轮1转动时，利用带轮和传动带间的摩擦或啮合作用，将运动和动力通过传动带2传递给从动带轮3。

带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在近代机械中应用广泛。

图2.2带传动机构运动示意图

齿轮传动是机械传动设计中最重要的传动之一，应用广泛，齿轮传动具有效率高；结构紧凑；工作可靠、寿命长；传动比稳定等特点。

圆柱齿轮传动不仅具有以上特点，还便于装配和维修；可以进行变位切削及各种修行、修缘，从而提高传动质量；易于进行精密加工，是机械传动中应用最广的传动。

2.2选择电动机

原动机的种类，无特殊需要，均选用交流电动机作为原动机。

电动机作为系列化产品。

机械设计中仅需根据工作机的工作情况，合理选择电动机类型、结构形式、容量和转速，提出具体的电动机型号。

2.2.1选择电动机的类型

由于丝杠测量仪的负载比较平稳，对启动、制动无特殊要求，任务书中要求采用交流伺服电机驱动，一般可以选用Y系列三相交流异步电动机。

Y系列三相交流异步电动机具有高效、节能、起动转矩高、噪声小、可靠性高、寿命长等优点。

安装尺寸和功率等级也完全符合IEC标准，一般用于无特殊要求的机械设备[4]。

2.2.2选择电动机的功率

电动机的功率选择是否合适，对电动机的正常工作和经济性都有影响。

功率选得过大则电动机的价格高，能力又得不到充分发挥，而且由于电动机经常不在满载下运转，其效率和功率因素都较低而造成能源的浪费。

对于载荷比较稳定，连续运转的机械，通常只需使电动机的额定功率等于或稍大于所需电动机的工作功率，即，而不必校验电动机的发热和启动转矩。

所需电动机工作功率为：

（2.1）

式中：

——工作机所需功率，即输入工作机轴的功率；

——电动机至工作机的传动装置的总效率。

工作机所需功率可由工作的工作阻力和运动参数计算求得，其计算公式

为

（2.2）

式中：

——工作机的阻力矩；

——工作机转速；

——工作机的效率。

对于匀速运行，非精确计算求可以套用以下公式：

（2.3）

式中：

——轴向负载；

——丝杠导程；

n1——进给丝杠的正效率。

轴向负载的计算公式为

（2.4）

式中：

——丝杠的轴向切削力；

——导向件的综合摩擦系数；

——移动物体重量；

——重力加速度。

设轴向切削力不考虑，综合摩擦系数，任务书中要求被测工件重量≤140kg，取=140kg，由式（2.4）可求出：

=0.1×140×9.8N=137.2N

任务书中滚珠丝杠导程范围为2mm～40mm，这里取中间值20mm，设进给丝杠的正效率n1为0.92，由式（2.3）可算得：

=（137.2×20）/（2×3.14×0.92）=474.9N·mm

任务书中要求测量工作时主轴转速为8r/min～20r/min，这里取10r/min，工作机效率为0.98，由式（2.2）可算得工作机所需功率：

，

由电动机至工作机的总效率可按下式计算：

（2.5）

带轮传动效率=0.98，圆柱齿轮传动效率=0.97，每对轴承效率=0.99，由式（2.5）可算得总效率：

知道