1、調研報告班級：機械0903班 學號：2009010073 姓名：陳瑩 指導教師：王科社教授 日期：2013-3-21一調研題目高性能滾珠絲杠副精度保持性測試試驗臺設計及測試規范文件的制定二調研場地北京信息科技大學圖書館 北京精密天工滾珠絲杠股份有限公司三調研目的了解高性能滾珠絲杠副精度保持性測試試驗臺設計的國內外技術現狀和水平，正確估計自己的項目，同時也使所做的項目具有一定的先進性。四調研內容（一）.了解滾珠絲杠精度保持性測試試驗臺和滾珠絲杠的結構原理及其使用性能。滾珠絲杠的結構： 滾珠絲杠副的結構傳統分為內循環結構(以圓形反向器和橢圓形反向器為代表)和外循環結構(以插管為代表)兩種。這兩種結

2、構也是最常用的結構。這兩種結構性能沒有本質區別，只是內循環結構安裝連接尺寸小；外循環結構安裝連接尺寸大。目前，滾珠絲杠副的結構已有10多種，但比較常用的主要有：內循環結構；外循環結構；端蓋結構；蓋板結構。滾珠絲杠原理：      1、按照國標GB/T17587.3-1998及應用實例，滾珠絲杠是用來將旋轉運動轉化為直線運動；或將直線運動轉化為旋轉運動的執行元件，并具有傳動效率高，定位準確等      2、當滾珠絲杠作為主動體時，螺母就會隨絲桿的轉動角度按照對應規格的導程轉化成直線運動，被動工件可

3、以通過螺母座和螺母連接，從而實現對應的直線運動。滾珠絲杠副的特點 1）傳動效率高。 滾動摩擦降低了摩擦系數，減小了摩擦帶來的功率消耗。2）傳動的可逆性，不能自鎖。 正傳動回轉運動轉變為直線運動； 逆傳動直線運動轉變為回轉運動。3）同步性。 用幾套同樣規格的滾珠絲杠副同時驅動幾個相同的部件或裝置時，包括啟動的同時性、運行速度和位移等具有較高的一致性。4）傳動精度高 材料經過熱處理之后尺寸穩定、通過預緊消除軸向間隙、滾動摩擦系數小工作溫升較小、可通過預拉伸以補償熱伸長、行程累計誤差小可以獲得較高的定位精度與重復定位精度。滾珠絲杠精度保持性測試試驗臺。對于機械產品來說，可靠性是評價機械產品性能的一個

4、很重要指標，對于具有高速度，高精度和高負載能力的高性能滾珠絲杠副產品來說，精度保持性的高低是反應滾珠絲杠副性能的最重要的指標，精度保持性的高低直接反映滾珠絲杠副的工作能力，滾珠絲杠副的精度保持性的高低也是企業產品競爭力的一個重要保證。近年來，國內外在可靠性理論發展方面取得了較大的發展，也有較完善的理論。隨著技術的發展，對于產品的精度要求越來越高，同時，精度保持性的高低是急需解決的問題。所以，國內外眾多學者在可靠性的理論基礎上提出精度保持性的概念，運用可靠性理論研究精度保持性理論。在調研場地-北京精密天工滾珠絲杠股份有限公司，我們在工程師的帶領下參觀了一下工廠的生產車間。從用來制作絲杠的毛配料到

5、加工它的車床，磨床，有磨外圓，車外圓，精車，表面感應淬火，粗磨螺紋等很多工序，每個步驟都有專門的機器設備及操作人員，和我們在長春一汽時參觀的車間一樣，雖然沒有看到每個步驟的加工細節，但很清楚地了解了滾珠絲杠的加工過程。在調研場地北京精密天工滾珠絲杠股份有限公司，我見到了一臺滾珠絲杠壽命試驗機，它的功能主要是測量滾珠絲杠的壽命，精度，速度及載荷。為滿足滾珠絲杠副的試驗要求，計劃研制的試驗平臺將遵從模塊化設計思路，可用于多種規格絲杠的綜合性能測試評價。滾珠絲杠副壽命試驗臺本身主要部分由臺座、被測模塊和負載模塊。原理圖如圖1所示。臺座：安裝被測模塊、負載模塊和安全防護裝置的基礎。石質或鑄鐵座體固定在

6、釬入地下的螺栓上。臺座留有冷卻系統管路線槽和部分傳感器位置，并安裝防撞塊、可拆卸的透明防護罩等。被測模塊：安放被測絲杠。各種規格和形式的絲杠均可在試驗臺上進行測試評價并做到拆裝方便。負載模塊：以直線電機（對拖）為主要形式為測試提供力負載。根據被測絲杠具體試驗要求，使用可伺服控制的負載電機，實現穩定、可編程、寬范圍、與速度不耦合的推力負載。臺座飼服電機直線電機負載裝置被測滾珠絲杠被測模塊驅動器變壓器、電抗、濾波等變壓器、電抗、濾波等負載模塊驅動器冷卻站力傳感器調理電路電源電源反饋電源反饋電源冷媒上位機數據采集試驗系統軟件其他儀器變送器等多路傳感器、控制信號控制位置力控制溫度、流量等其他線形往復運

7、動電流圖1 滾珠絲杠副壽命試驗臺組成（二）.了解滾珠絲杠精度保持性測試試驗臺和滾珠絲杠的裝配全過程。滾珠絲杠副是由滾珠絲杠，滾珠螺母和滾珠組成的部件，它可將旋轉運動和直線運動相互轉變，滾珠絲杠副中的滾動體是滾珠。常見的滾珠絲杠副循環方式主要有四種：內循環（如圖2），外循環（如圖3），端塞循環（如圖4），端蓋循環（如圖5）。圖2 內循環結構示意圖圖3 外循環結構示意圖 圖4 端塞循環結構示意圖 圖5 端蓋循環結構示意圖在工廠的車間里我還了解到了滾珠絲杠的裝配過程，工人很熱情的給我們演示了滾珠裝配到反向器與絲杠的滾道中的過程。工廠的總工程師還分別給我們講解了不同循環方式的滾珠絲杠的滾珠循環過程，讓

8、我們清楚直觀的了解了他們的異同。滾珠絲杠試驗臺分為試驗臺上置和下置兩種。調研的試驗臺是滾珠絲杠在試驗臺上面的結構，試驗臺材質是鋁材，主要目的是防止磁吸力;試驗臺通過電機（如圖6、圖7所示）提供載荷；試驗臺裝有測量速度，載荷，溫升的傳感器分別與控制與輸出測量數據的計算機相連，通過試驗臺的檢測能夠清楚明了的看到滾珠絲杠的各種參數變化，進一步研究滾珠絲杠的精度保持性。圖6 直接驅動直線負載圖7 直線電機結構設計（三.）了解滾珠絲杠精度保持性測試試驗臺和滾珠絲杠需要工裝設備的設計原理及其應用。滾珠絲桿副的預緊方式（如表一）表一 不同預緊方式比較預緊方式雙螺母墊片預緊(NFD、CDM系列)單螺母變位導程

9、預緊(CBT、CBM系列)單螺母增大鋼球預緊(NFZ、WCM、DCT、DCM系列)結構特點1、 在兩螺母間插入墊片，對螺母施加預緊力，一般根據預緊力大小選擇墊片厚度。墊片越厚預緊力越大。2、 鋼球2點接觸。1、 在單螺母中間附近對某一導程增加一增量，對螺母施加預緊力，增量越大預緊力越大。2、 鋼球2點接觸。1、 在絲杠副中，選用較大的鋼球直徑裝入其中，對絲杠副施加預緊力，鋼球直徑越大預緊力越大。2、 鋼球4點接觸。螺母長度長 中 短（四）. 了解滾珠絲杠精度保持性測試試驗臺和滾珠絲杠國內外同類設備。滾珠絲杠副的高速化同時帶來了振動、噪聲和由于摩擦引起的溫升等諸多問題，噪聲和溫升成為制約滾珠絲杠

10、副高速化的關鍵因素。分析研究這些方面對滾珠絲杠高速化有很大的現實意義。國外對滾珠絲杠副的研究主要是日本、瑞典、德國、美國和韓國，雖然相關的文獻并不多，但所研究的內容基本涵蓋了絲杠副的結構、運動學、接觸變形、剛度、載荷與壽命、摩擦、潤滑、噪聲、溫升和熱場分布等問題。國內外滾珠絲杠性能對比如表二所示。表二 國內外滾珠絲杠性能對比主要性能精度 (mm) (300mm內螺距誤差)最大dn值（萬）最高運動速度（m/min）最大加速度度（m/s2）噪音(db)（30m/min下測試）（溫升(°C)（30m/min下測試）國外0.02>1590-12015-20<60<5國內0.

11、06>1060-8010-15<70<10NSK在“第24屆日本國際機床展（JIMTOF2008）”（2008年10月30日11月4日，東京有明國際會展中心）上，展出了進給速度全球最高、達到240m/min的超高速工作臺。目前，加工中心等的進給速度最高在120m/min左右，實際在60m/min左右。該公司表示，“機床的高速化是永遠的主題。我們的目的是通過展出240m/min超高速工作臺來了解市場需求，并在數年后達到實用水平”。 超高速工作臺在達到高速化的同時，還實現了高剛性化和高精度化。首先，在高速化方面，將軸徑為50mm的滾珠絲杠副的導程擴大了80mm。中導程類型的導程為

12、25mm，因此相比之下擴大了3倍以上。在同一轉數（此次為3000rpm）下，加大導程后，進給速度自然就會加快。但是，由于滾珠減少，剛性就會下降。因此，該公司通過滾珠絲杠副采用有4條溝槽的絲杠副，增加了滾珠數量，從而確保了剛性。滾珠的增加還有望實現長壽命。我國滾動功能部件行業生產不集中、產品品種單一、含金量偏低，尚無在國際上有影響力的知名品牌，已成為國產數控機床發展的瓶頸。針對以上問題，北京精密天工滾珠絲杠股份有限公司很好的改進。北京機床研究所從1960年開始研制滾珠絲杠副，至今已有50年的歷史，積累了豐富的滾珠絲杠副的設計開發，工藝經驗，擁有完備的測量技術和生產制造能力。為尖端技術領域，機床工

13、具行業提供了多種高精度，高性能，高效率，高質量的滾珠絲杠副，為我國前沿和基礎制造業的發展做出過積極的貢獻。JCS品牌就是我國自主知識產權滾珠絲杠副的杰出代表。為了制造高速，低噪音，低溫升，流暢型的滾珠絲杠副，該公司還和我們學校有一個共同研發的項目-高性能滾珠絲杠副精度保持性測試試驗臺的設計，該實驗臺采用試驗臺在下，滾珠絲杠副在上的裝配形式，這樣可以清楚地看到傳感器的安放位置，而加載在滾珠絲杠副上的載荷由直線電機直接提供，適合輕載高速的工作情況。（五）. 對設計課題進行初步探討，或進行適當可行的試驗或驗證，自學有關參考資料。通過對滾珠絲杠副與試驗臺的基本知識，我也參考了很多中外參考文獻，有別的人

14、的研究報告和一些專利。學習文獻中可以幫助自己的研究。山東大學，山東濟寧博特精密絲杠制造有限公司研制了一種高速滾珠絲桿副綜合性能試驗臺（如圖8所示）。用來對滾珠絲桿副的加速度，速度，溫升，熱位移，定位精度等綜合性能參數進行測試。試驗臺的總體結構：本試驗臺能測量絲杠的最大長度為2000mm，實際工作行程小于1800mm;測量時工作臺移動速度可達60m/min；可以完成負載狀態下的加速度，速度，定位精度以及絲杠熱伸長的在線實時測量。試驗臺的結構示意圖如下所示。安裝時嚴格保證兩條直線導軌7與滾珠絲杠4在兩個方向的平行度，前后軸承采用高精度的C級向心球軸承，絲杠及導軌均采用噴油潤滑。圖8 試驗臺結構組成

15、華東工學院申請了一個關于滾珠絲杠副跑合及疲勞試驗機（如圖9）的專利報告。該新型涉及一種滾珠絲杠副性能試驗機，特別是一種滾珠絲杠副跑合及疲勞試驗機，它由加載裝置，換向機構，液壓站，控制器等組成，其特征在于加載裝置為一液壓式油缸，設置于滾珠絲杠副上的兩個螺母之間，本實用新型將外加載荷轉化為系統的內力，絲杠支撐端無附加外力，實驗過程中轉運平穩，實現了試驗機的壽命大于滾珠絲杠副的壽命，保證了實驗可一次連續完成。圖9 一種滾珠絲杠副跑合及疲勞試驗機1 液壓站 2 控制器 3 換向機構 4 液壓馬達 5 加載裝置 6 絲杠 7、8 螺母 9 油缸體 10活塞 11 密封蓋 12、13 油腔 14、15 油

16、流孔 16 環形槽 17 凸臺液壓馬達分別與絲杠、換向機構連接，控制器分別與液壓站、換向機構、加載裝置連接，其特征在于加載裝置為一個具有兩個油腔的液壓式油缸，由油缸體、活塞、密封蓋構成，設置于絲杠上，并位于滾珠絲杠副上的兩個螺母之間。加載裝置套于絲杠上，其中心線與絲杠軸線重合。加載裝置的油缸體上設有環形槽，活塞一端帶有凸臺，插入環形槽中，構成油腔，活塞外套密封蓋、并與油缸體緊固。油缸體上設有油流孔，分別與油腔相連。通過比較調研的試驗臺裝配方案，及專利文獻的研究方案，提出一種可行性的方案。首先沿用調研時研究的滾珠絲杠副試驗臺的方案，將滾珠絲杠副裝配在試驗臺的上邊，由直線電機提供負載，用傳感器連接

17、滾珠絲杠副和計算機，在滾珠絲桿運動時，一次性就獲得實驗的數據。試驗臺裝配圖如圖10所示。試驗臺的實物如圖11所示。圖10 試驗臺裝配圖 圖11 試驗臺實物圖5、 參考文獻1. 宋現春 劉建 王兆坦 劉憲銀 李保民 山東大學 山東濟寧博特精密絲杠制造有限公司 高速滾珠絲杠副綜合性能試驗臺的研制開發 2004年7月2. 北京精密天工滾珠絲杠股份有限公司 滾珠絲杠副基礎知識及JCS產品介紹和技術發展歷程 2010年3月3. 施祖康 張世琪 殷愛華 錢吉勝 遲云 華東工學院 滾珠絲杠副跑合及疲勞試驗機 專利申請號 912220060.X4. 施祖康 張世琪 殷愛華 錢吉勝 遲云 華東工學院 滾珠絲杠副

18、動態摩擦力矩測量裝置 專利申請號 91213773.85. 施祖康 張世琪 殷愛華 錢吉勝 遲云 華東工學院 雙螺母滾珠絲杠副預緊力測試裝置專利申請號 91213895.56. 黃祖堯 北京機床研究所 國外滾珠絲杠副的精度，性能檢測動向 1985年第11期報刊發表7. 王剛 大連理工大學 高速精密滾珠絲杠副綜合性能測試系統開發 2012年6月8. 北京機床研究所 高速滾珠絲杠副的研發和測試技術9. 馮永敢 張懷存 楊慶東 北京信息科技大學 高速滾珠絲杠副壽命試驗臺預緊力矩測量系統的設計 2012年5月10. 屠國俊 南京理工大學 滾動功能部件可靠性實驗、分析及評估方法研究2011年12月11. 程鑫 山東大學 高速滾珠絲杠副性能試驗臺的研制及絲杠溫升試驗 2011年11月12. 田茂林 陜西漢江機床有限公司滾動功能部件研究所所長 重載滾珠絲杠副可靠性試驗及分析 2012年