完整版滚珠丝杠副预紧转矩测量仪的机械结构设计毕业设计.docx
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完整版滚珠丝杠副预紧转矩测量仪的机械结构设计毕业设计
毕
业
设
计
论
文
班级：
机械1104
姓名：
孙浩文
指导老师：
王科社
毕业设计（论文）任务书
学院：
机电工程学院专业：
机械设计制造及其自动化S班级：
机1104
学生情况
指导教师情况
题目类型
姓名
学号
姓名
职称
单位
理工专业
文、管、经专业
理论研究□
理论研究□
孙浩文
王科社
教授
机械工程系
科研开发□
应用研究□
工程设计■
调查研究□
题目
滚珠丝杠副预紧转矩测量仪的机械结构设计
是否实物型毕设
是□否□
主要
内容
以及
目标
（毕业设计应完成的主要内容，设计任务达到的目标）
滚珠丝杠副预紧转矩测量仪的机械结构主机采用花岗石床身，主导轨采用滚动直线导轨，摩擦力小、运动灵活、轻便；头架装有三爪卡盘以夹持丝杠，尾架顶尖为莫氏5#，装夹方便。
主轴电机通过减速机及皮带轮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带动测头架，丝杠旋转时，放在螺旋槽内的带动测头带动拖车平稳运动。
带动测头架能够径向和轴向调整，以适合不同导程的丝杠副的检测。
测力传感器安装在拖车上仅阻止螺母的转动而不带动拖车运动，导轨与拖车之间的摩擦力对测量没有影响。
设计内容包括：
（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动画。
所设计的滚珠丝杠副转矩测量仪是测量滚珠丝杠副空载预紧转矩的专用仪器。
可方便、直观、精确地实现滚珠丝杠副的预紧转矩测量。
即实测无外加载荷情况下,滚珠丝杠相对于滚珠螺母旋转,在有效行程内丝杠与螺母之间由摩擦力引起的转矩值。
成果
形式
（毕业设计完成具体工作量；成果形式；验收方式）
滚珠丝杠副预紧转矩测量仪的工作原理图，滚珠丝杠副预紧转矩测量仪的的装配图，零件图和动画演示等；（以上图量不小于3A0）；设计说明书约两万字；外文翻译不小于5千汉字；写一篇论文，题目自定；调研报告（2000字左右）；文献综述报告（4000～8000字）（参考文献15篇（包括至少2篇外文资料）以上）；开题报告。
基本
要求
（对完成设计任务方面的具体要求：
对理工专业应提出设计技术参数、数据及来源、调试所用仪器设备等）
（1）被测滚珠丝杠的最大长度:
1600mm；最大直径Φ80㎜，螺母最大外径Ф200mm；
（2）仪器的中心高:
115mm；（3）测量转速:
0—150转/分，数字变频调速；（4）测量转矩范围:
0.001～9.999Nm；（5）转矩显示分辨率:
0.001Nm；（6）仪器最大误差:
±0.02Nm；（7）仪器的相对误差:
±0.2%FS；（8）测量结果可自动显示或根据需要进行打印。
测力传感器的技术指标：
（1）.测量范围:
0.05～140N；
（2）.分辩率:
0.05N；（3）.最大误差:
±0.2N
实习
调研
要求
（对部分有实习环节的专业，提出实习或调研的具体要求，包括调研提纲、实习时间、地点和具体内容要求；文、管、经专业提出对论文论点有关论据、数据和素材的搜集要求）
调研目的：
了解本课题的国内外技术现状和水平，以便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。
调研提纲：
1）了解滚珠丝杠副预紧转矩测量仪结构原理及其使用性能，通过现场观察和阅读图纸、说明书等技术资料，对其主要技术性能指标、总体布局、传动原理、结构原理及主要装配结构关系有详尽的了解。
2）了解滚珠丝杠副预紧转矩测量仪装配全过程。
装配是机械生产的最后一环，决定产品的性能与质量，要着重掌握和了解装配工艺过程及其特点，同类产品的装配要求，工装夹具，装配、检验、调整的方法和手段。
3）了解制造滚珠丝杠副预紧转矩测量仪需要工装设备的设计原理及其应用。
不但要了解工装设备的现状及生产手段要能从设计的观点和原则来分析，寻求可行的设计思路和改进方法。
4）了解滚珠丝杠副预紧转矩测量仪国内外同类设备。
参观先进设备，收集同类产品的资料屯掌握同类产品科技发展的前沿信息，以使设计有超前意识，并收集产品图纸、设计资料等主要参考资料。
5）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。
主要
参考
文献
（指导教师提供有关参考资料、工具书、期刊论文等）
[1]孙丽霞.丝杠副动态误差检测与分析的研究[D].南京:
南京理工大学机械工程学院2005.
[2]周明杰.新型滚珠丝杠测量系统的设计与研究[D].吉林:
吉林大学机械科学与工程学院，2007.
[3]刘晓慧.滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素及测试方法研究[D].济南:
山东大学机械工程学院，2006.
[4]张刚.滚珠丝杠副摩擦力矩测量仪研制及其实验分析[D].济南:
山东大学机械工程学院，2007.
[5]宋现春，孙溪.基于虚拟仪器技术的滚珠丝杠副摩擦力矩测试系统设计[J].组合机床与自动化加工技术，2008（3）:
7-9.
[6]洪宇.高速滚珠丝杠副综合性能测量系统设计[D].南京:
南京理工大学机械工程学院，2006.
[7]刘剑.高速滚珠丝杠副综合性能的试验研究[D].济南:
山东大学机械工程学院，2005.
[8]王兆坦，刘宪银，李保民等.高速精密滚珠丝杠副综合性能测试仪[J].制造技术与机[9]肖正义，焦洁.高速滚珠丝杠副的研发和测试技术[J].制造技术与机床，2004（4）:
95-98.
[10]日本精工株式会社上海事务所.滚珠丝杠的最新技术动向[J].现在制造，2003（8）:
86-88.
[11]黄祖尧.国外滚珠丝杠副的精度、性能检测动向[J].制造技术与机床，1985（11）:
37-39
[12]刘莉.精密滚珠丝杠螺旋线误差动态测试技术的研究[D].济南:
山东大学机械工程学院，2006.
[13]宋延陵.丝杠磨削在线动态测量系统分析与设计[D].南京:
南京理工大学机械工程学院，2004.
主要仪器
设备或开发环境
（根据毕业设计题目情况需要，各学院统一填写要求）
机床研究所的滚珠丝杠副预紧转矩测量仪（1006室）
毕业设计（论文）开始日期
毕业设计（论文）完成日期
毕业设计（论文）进度计划（起止时间、工作内容）
（指导教师对毕业设计（论文）的进度计划提出要求,至少详细到前期、中期和答辩阶段）
周次
计划完成工作
1
1.了解设计题目，接受设计任务；
2.借设计手册和资料；阅读老师提供的资料；阅读毕业设计工作手册，初步了解其内容，以后各部分按其规定的执行；
3.拟定调研计划（调研方法、对象、内容、路线、测试题或调查问卷或访谈提纲的设计、文献调研等）及调研；
2
1．调研实习；确定设计题目涉及的关键词（keyword）（包括中文和英文的）；查阅文献资料（校园网、图书馆、情报所、专利局、研究所、书店、工厂、公司、学校等）；特别是在校园网下述网站下载需要的资料：
http：
//；http：
//202.112.71.25；http：
//202.204.214.108:
85；http：
//；http：
//。
2．阅读资料；开始外文翻译（5000汉字以上）；PRO/E等软件的学习;
3
1．编写调研报告（2000字左右）；撰写文献综述报告（4000～8000字,参阅文献资料不少于15篇，其中最少两篇外文资料）；
2．设计对象的功能分析，确定出合适的功能参数；
3．分析研究同类设备的技术方案与功能原理，拟订多种可能的设计方案（原理图或机构运动简图），并进行分析比较，确定初步设计方案。
4
1．写开题报告；拟定第5～13周的工作进度计划初稿，经与老师讨论定稿后，写在下面计划完成工作栏中（下面栏的工作计划作为参考，要根据自己的设计题目补充和完善，必要具体化列出相应的工作），并严格执行；完成外文资料翻译（5000汉字以上）；
2．作开题报告。
5
1．根据做开题报告时老师提出的修改意见，对设计方案进行修改完善；
2．设备的运动学设计：
根据确定的结构方案，确定原动件的参数（功率、转速、线速度等），通过运动学计算，确定各运动构件的运动参数（转速，速度，加速度等）。
3．动力学计算：
结合各部分的结构和运动参数，计算各主要零件所受的载荷的大小及特性。
4．设计对象的的机构设计，运动和运动关系设计，关键零件的强度校核。
6
1．零件的工作能力设计；
2．部件装配草图的设计。
3．总装配草图的设计。
7
1．设计对象参数的优化设计。
8
1．根据优化的参数设计设计对象的装配图。
9
1．关键零件图的设计。
10
1．编写设计说明书的提纲；毕业设计小论文的构思与选题，拟定初步题纲；
2．整理前期的设计工作，接受学校与系的期中检查。
11
1．设计对象中零件的三维图制作。
12
1．演示动画制作。
13
1．完成毕业设计要求的小论文的撰写；
14
1．检查并完善设计图并打印；整理设计说明书并装订。
15
1．毕业设计总结；必要的资料和成果刻光盘存档；答辨准备，写答辩提纲；
2．在小组内进行预答辨。
16
1．答辩；
2．归还学校和老师提供的图书资料。
指导教师（签字）：
2014年12月24日
督导教师（签字）：
2014年月日
学院毕业设计（论文）领导小组审查意见：
组长（签字）：
年月日
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。
计算了零件受力情况，电机的转动惯量、等效力矩、最大转速，功率。
我也对这个系统的工作原理进行了说明和演示。
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。
进行了机械结构的设计。
对改良前后的特性进行说明，提出了改良后的缺陷进行理论上的解决方案。
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。
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。
abstract
Thisisatechnologyreportofballscrewpre-tighteningforcedetector.Iuse
Pro/ewildfire5.0andautocad2008tocompletemodeling,emulationanddrawing.Withtheforcecalculation,motor,theequivalentmomentofinertiamoment,maximumspeed,power.Ialsoexplainedhowthissystemappearstowork.Andiimprovethemechanicldrivesystemofthemachine.Makeitdesignedpowerofmotor.Andmakeitsimpleandconvenient.Themechanicalstructuredesign.Thecharacteristicsofbeforeandafterimprovement,putsforwardtheimprovedatheoreticalsolutionofthedefect.
Ballscrewisveryimportantformanynumericlcontrolmachine.Sowemustalwaysimprovetheballscrewpreloadtesterforindustrialdevelopment.
Theproductspecifications,mainlydetectorsystemofballscrewpre-tighteningforcefunction,theoveralldesign,themainmechanicalparametersoftheparts,engineparameters,mechanicalstructuredesign,transmissiondesignandtechnicalparametersandeconomictechnicalanalysis,thesimulationdesignmethodareexplained,theessaydiscussesthewayofgraphicandabove.
第1章前言....................................................1
第2章国内外研究发展状况......................................2
2.1研究意义.................................................2
2.2国内外研究现状及成果.....................................2
2.2.1国外研究现状及成果.....................................2
2.2.2国内研究现状及成果.....................................2
2.3发展方向.................................................2
第3章测量仪的用途、规格、主要技术性能及特点...................3
3.1系统功能.................................................3
3.2研究内容.................................................3
3.3研究方向.................................................3
第4章滚珠丝杠预紧力测量仪的总体设计..........................3
4.1滚珠丝杠滚珠丝杠预紧力测量仪的总体设计示意图.............3
4.2设计重点.................................................5
4.3设计难点.................................................5
第5章主要技术参数确定.......................................7
5.1主要技术参数...........................................7
5.1.1主要零件载荷及强度参数................................7
第6章动力机参数.............................................13
第7章机械结构设计...........................................14
7.1主要零件的尺寸及材料参数................................14
第8章滚珠丝杠预紧力测量仪的传动设计.........................22
8.1结构方案的确定........................................22
8.2机构及主要零件空间布置................................22
8.3结构工艺性的考虑......................................23
8.4轴承的布局............................................23
8.5润滑与密封方式的选择................................23
第9章滚珠丝杠预紧力测量仪计算机仿真动画设计.................24
第10章技术经济分析..........................................25
10.1主要零件成本价格与市场价格.............................25
10.2装配工作量成本以及配套软件计算机成本...................25
10.3市场需求以及改良收益和其他收益第.......................25第11章结语..................................................27
后记谢词......................................................27
参考文献......................................................28
附录..........................................................29
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。
我改良了检测仪的机械传动系统的布置。
降低了电机的功率，使传动变得更加简便。
进行了机械结构的设计。
对改良前后的特性进行说明，提出了改良后的缺陷进行理论上的解决方案。
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。
第2章国内外研究发展状况
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
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