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滚珠丝杠副现状及发展精品文档滚珠丝杠副现状及发展学 院 机械学院 专业班级 机设1094 姓 名 罗成 李源 刘飞华 王庆维 钟鸿翔指导教师 邓 奕 2013/3/13摘 要近年来，随着加工制造、工艺、材料冶炼及热处理等技术的进步和发展，作为精密线性传动的首选部件之一的滚珠丝杠副越来越受国内、国际制造业的重视，其综合性能也有了很大的提高，因此本文在此基础上对滚珠丝杠副进行简单的探讨和研究。本文对其可以概括为以下的三个方面：一方面，滚珠丝杠副是目前世界上应用最广泛的一种新型的传动形式，其结构是有哪些部件组成，结构特点是什么，工作原理以及具有什么发展优势；第二方面，回顾滚珠丝杠副的发展简史，概述了其国内、外的发展现状及动态总结了一些滚珠丝杠副的国内外研究成果；最后一方面，概述对滚珠丝杠副的优化前景和应用发展。关键词 滚珠丝杠副 结构特点 现状发展 应用前景前言：机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势，有广阔的技术前景。滚珠丝杆副是为了适应机电一体化机械传动系统的要求而发展起来的一种新型传动机构，由滚珠丝杠、滚珠螺母（组件）和滚珠组成，可以将旋转运动变为直线运动，或者将直线运动转变成旋转运动。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。但是由于制造和装配的误差，滚珠丝杠副总是存在间隙，同时，滚珠丝杠在轴向载荷的作用下，滚珠和螺纹滚道接触部位会产生弹性变形，影响滚珠丝杠的传动精度。滚珠丝杠副不仅是各类数控装备的核心功能部件，还是机械工业领域中资本密集型和技术密集型的重要通用零部件。在线性传动家族中滚珠丝杠副是应用面很广，产业化程度较高的产品。一、 滚珠丝杠副的结构及特点(一)、滚珠丝杠副的结构随着机床加工精度越来越高，滚珠丝杠副以其许多独特的优点，越来越多出现在有较高精度的机床上。滚珠丝杠螺母机构如图2-1所示，丝杠1和螺母2都具有圆弧形螺旋槽，合起来形成螺旋线滚道，连续装入若干（一般小于150个）等直径的滚珠3.当丝杠与螺母传动时，滚珠便沿螺旋槽滚动，数圈后经由回程引导装置，重新回到丝杠与螺母之间，形成一个闭合的循环回路6。一般滚珠丝杠副根据螺母的数量可以分为单螺母滚珠丝杠结构和双螺母滚珠丝杠结构如图2-2。图2-1 滚珠丝杠单螺母结构1.丝杠 2.螺母 3.滚珠图2-2 滚珠丝杠双螺母结构(二)、滚珠丝杠副的特点及作用它是一种新的滚动摩擦传动机构，与滑动丝杠螺母机构相比具有以下特点：1.传动效率高，摩擦损失小 滚珠丝杠螺母传动效率92%96% ，比滑动丝杠螺母的20%40%提高24倍，而消耗的功率仅为滑动丝杠螺母的1/41/32.动作灵敏无爬行现象 滚动摩擦的启动阻力很小（几乎与运动速度完全无关），运动平稳、动作灵敏，在低速下能均匀运动且不易出现爬行现象，特别适于位移速度较低的高精度传动。3.精度保持性好 滚动摩擦的磨损小，寿命长在长期运转中能保持较好的精度4.经适当预紧能实现无间隙传动 采用双螺母加预紧力控制弹性变形，经调整后能基本上消除轴向间隙，提高轴向精度，在无间隙和过盈下能正常运转，并具有较高的定位精度和位移精度。机床上采用滚珠丝杠螺母传动，是一种精密而又省力的运动转换装置。二、 滚珠丝杠副的现状(一)、滚珠丝杠副的国外的发展现状及简史由于滚珠丝杠副独特的优良技术性能，其研究迅速得到了世界许多国家的高度重视，滚珠丝杠传动的应用也随之扩展到其它领域中。随着机床自动化的发展，特别是1965年数控机床的出现，促进了滚珠丝杠副产品的品种和规格的发展。质量和产量的提高，推动了设计技术和制造工艺的进步，迅速研制了加工和磨削滚珠螺母的专用机床。随着新工艺的发展，制造技术的进步，大幅度的提高了滚珠丝杠副的生产效率和质量，同时缩短了生产的周期，降低了成本，反过来又促进了滚珠丝杠副品种和规格的扩大、质量和产量的进一步提高、系列化等方面的重大发展。早在19世纪末就发明了滚珠丝杠副，但很长一段时间未能实际应用，因制造难度太大。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如雨后春笋般迅速出现，例如：美国的WARNER-BEAVER公司、GMSAGINAW公司；英国的ROTAX公司；日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。随着数控机床的发展，“高速、高效”成为各厂家追求的目标，对于高速驱动与定位部件，国外已有直线电动机问世，开始用于加工中心，快速进给速度达到 160m/min以上，加速度达4g以上，向滚珠丝杠副提出严峻的挑战。但由于直线电动机存在价格昂贵、控制系统复杂、需采取措施解决磁铁吸引金属切屑、强磁对人身危害以及发热等缺点，在近一段时间很难得到普及。滚珠丝杠副仍是现在高速驱动的最优先选择，国外大部分高速加工中心仍使用滚珠丝杠副。为了达到高速驱动目的，设计时在提高电动机转速(电动机最高转速可达4000r/min)的同时，使用大导程滚珠丝杠副，导程可达32mm。如日本马扎克公司在 FF660机床上使用滚珠丝杠副，机床快速移动速度达90m/min，加速度达1.5g2。近几十年来，随着国际制造业高速化，精密化发展进程的加速，滚珠丝杠副的发展得到了前所未有的机遇。海外众多的滚珠丝杠副生产企业，不断加大对滚珠丝杠副的研究力度，通过技术创新，不断地推动着滚珠丝杠副的发展。由于滚珠丝杠副的使用不断普及，使用领域不断扩大，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远远满足不了使用要求，如航天航空领域、小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置等基本上都需要公称直径d012mm，导程Ph=0.52.5 mm的微型滚珠丝杠副。日本NSK公司已开发出公称直径d0=4mm，导程Ph=0.5mm的世界最小导程微型滚珠丝杠副。半导体插件装置、小型机器人等需要微型大导程滚珠丝杠副，以满足高速驱动要求。例如我国台湾HIWIN（上银）公司推出对滚珠螺母实施强冷的低温高速滚珠丝杠副，汉诺威EM02001展会上首次亮相，d 值高达20万；德国Ware Electric公司所生产的冷轧滚珠丝杠精度已经达到0.013mm/300mm；日本NSK，THK，台湾HIWIN，PMI等公司都先后根据高温、真空、核电站、太空舱设备等特殊条件下使用的滚珠丝杠副，推出防尘、自润滑、免维修新技术产品，例如THK的高含油率、高密度纤维网QZ自润滑装置，NSK的“NSKK1润滑装置“等3。由于设计制造等技术的进步，滚珠丝杠副的结构也有着一定的改进和变化，比如说日本THK公司已经将带有保持架的滚珠丝杠副产品化，其产品的综合性能得到了很大的提高。随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展，工业机器人、数控锻压机械、加工中心以及机电一体化自动机械等，其进给驱动速度不断提高，大导程滚珠丝杠副的出现，满足了高速化的要求。日本NSK公司已开发出公称直径导程为：15mm40mm、16mm50mm、20mm60mm、25mm 80mm超大导程滚珠丝杠副，快速进给速度达180m/min。从前，担心大导程滚珠丝杠副驱动对加工中心精度的影响，设计时取导程Ph10mm。随着科学技术的进步，从1999年日本国际机床展览会上可看出，设计与研究现在大部分高速加工中心都使用大导程滚珠丝杠副4。(二)、滚珠丝杠副的国内发展现状在总体上看，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。目前我国滚动功能部件生产企业有50家（不含台湾省），研究院所、高校共3家，企业附属研究机构3个。生产滚珠丝杠的企业有48家，年产值可达6.5亿元，生产滚动直线导轨的企业有6家（其中4家同时生产滚珠丝杠），年产值可达1.5亿元。在50家企业中，生产规模大、工艺装备较齐全、产量大、品种多的企业只有6家，而且企业存在对用户市场缺乏战略研究，产业技术开发的工作跟不上形势发展的要求，企业的核心竞争力不强，创新能力较差等问题。我国滚动功能部件产业与国外的主要差距是：专业生产水平不高，信息化管理滞后，产业化进程缓慢，个性化服务跟不上。中低档产品与国外同类产品差距较小或基本持平，但生产效率却远远低于国外。而高性能、高档次的产品与NSK、THK、INA等知名企业有明显差距，成为制约国产高档数控机床发展的瓶颈。其实，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。同时，在此期间我国的部分学者也开始了对滚珠丝杠副的基础理论的研究，其中以1976年清华大学精密仪器系所编写的数控机床中的滚珠丝杠副对滚珠丝杠副的介绍比较系统，该文章主要介绍了滚珠丝杠副的结构、工作特性、加工工艺及设计计算等内容；以华东工程学院（现南京理工大学）的施祖康在滚珠丝杠副的承载能力及寿命方面的研究比较深入，该文主要介绍了经典的Lundberg-Palmira滚动疲劳统计理论及滚珠螺母的工作行程对承载能力的影响；同时姜学文翻译的滚珠丝杠副的原理与应用、滚珠丝杠负的现状，邹有洪翻译的滚珠丝杠副及预加载荷的确定；1978到1982年，我国滚珠丝杠副的发展主要是学习国外先进经验和技术，并展开滚珠丝杠副基础元件攻关，同时进行产品的更新换代，在此期间主要的滚珠丝杠副理论研究论文有沈守范的滚珠丝杠的微分几何问题，施祖康所写的滚珠丝杠副的弹性接触问题，涨潮鹏所写的滚珠螺旋传动新型回珠槽曲线的设计与分析；到上世纪90年代，我国加入了ISO组织，生产规模扩大，并且期间在科研方面也取得了较大的进展，比如说对疲劳寿命，反向器空间曲面数学模型CAD软件的研究等；90年代至今，随着我国滚珠丝杠副应用范围扩展到民用工业和国防工业，对滚珠丝杠副的研究方向也多集中于生产与检测方面，理论与设计方面的相对系统的研究几乎没有，仅有一些较分散的研究，主要包括华中科技大学孙健利的滚珠丝杠副的高速化技术研究学士学位论文，赵训贵、平舜娣的有关滚珠丝杠副接触角的研究，邹小琦的有关滚珠丝杠副可靠性设计的研究及其他学者、研究人员对滚珠丝杠副的优化设计，刚度计算等的研究。为了满足上述要求，北京机床研究所先后研制了滚珠丝杠副综合行程误差测量仪和预紧转矩测量仪。应用现代化的测量手段和高精度的传感器，在测量过程中能实时显示行程误差曲线和预紧转矩曲线，并打印出完整的测量报告，为衡量滚珠丝杠副的总成质量，提供了可靠的检测手段。在企业方面，我国主要生产滚珠丝杠副的大型企业及研究所如南京工艺装备制造厂、汉江机床股份有限公司、北京机床研究所等在生产过程中不断的总结、探索、创新，并与各高校合作，在滚珠丝杠副的生产、加工制造、实践及试验数据处理等方面积累了一些经验，对滚珠丝杠副的发展起了不可忽视的重要作用。近年来机械部北京机床研究所在滚珠丝杠的理论、测量、试验、高速化、精密化等方面的研究也十分突出。三、 滚珠丝杠副的优化前景及发展 滚珠丝杠副在我国的发展已经有五十多年的历史了，但是在近二十年来随着数控机床的广泛应用，滚珠丝杠副的应用也随之扩展到民用工业和国防工业。并且滚珠丝杠副逐渐向精密高速化、高承载、高效率三个方面发展。目前国内滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是：噪声、温升、精度。解决上述问题首先应从滚珠丝杠副的结构设计开始，对存在的问题采取措施；另一方面，从工艺上解决，通过合理的工艺流程，提高产品的内在质量；选取适当的滚珠丝杠副预紧转矩；减小滚珠丝杠副的预紧转矩的变动量；对滚珠进行改；为滚珠添加保持器；空心强冷；.改进滚珠螺母结构；对滚珠丝杠副实施双电动机驱动，使滚珠丝杠副适应高速驱动的要求。总之，未来滚珠丝杠副将朝着大型、重载、精密的方向发展。滚珠丝杠副的发展及其在各个方面的创新可以实现机械装置的高速化，为机电一体化技术的发展提供了便利的条件。21世纪机电一体化技术将成为机械工业的主角，能带来显著的经济效益和社会效益。结论：随着社会的不断发展，用户对滚珠丝杠副的要求越来越严，要求也多样化，对滚珠丝杠副的优化提出了更严峻的考验，促使国内很多滚珠丝杠生产厂不断提高产品质量、开发新品种，促进工业发展水平的提高以及满足人们的需求。参考文献1 宁立伟.滚珠丝杠副. 机床数控技术,高等教育出版社.2010.12 2012滚珠丝杠副的发展报告. ，3 百度百科. 滚珠丝杠副.4 肖正义.滚珠丝杠副的发展趋势.制作技术与机床.2000.045 黄祖尧.21世纪初海外滚动功能部件发展动态.世界制作技术与装备市场.2003.26 程光仁.施祖康.滚珠螺旋传动设计基础.北京.机械工业出版社.1987.087 喻忠志.我国滚动功能部件产业现状分析.制造技术与机床.2004.048 中国艺工滚动功能部件产品综合样本及资料9 肖正义.焦洁.高速滚珠丝杠副的研发与测试技术.制造技术与机床.2004。0410 滚珠丝杠译文集.南京工艺装备厂.1980.08成绩表如下：姓 名-学号罗成-16李 源-17刘飞华-18王庆维-19钟鸿翔-20成 绩优中良优良收集于网络，如有侵权请联系管理员删除