可换滚珠丝杠副性能试验台研究及丝杠组件参数化设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 8 4 2.38MB 75 页 15积分
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摘 要
本论文是在国家大力发展制造业，数控机床等机械向着高速化，高精度方向
发展得背景下提出的。上海理工大学根据上海市重点学科教育高地建设“数控装
备及制造技术”项目以及产学研合作需要，自行设计了可换高速滚珠丝杠试验台。
可以模拟实际工况，完成温升试验，噪声试验，定位精度检测试验等性能检测。
滚珠丝杠副作为机械进给系统的重要组件，丝杠副的性能直接影响着整个机
械系统的定位，加工精度。在机床高速化的同时，伴随着温升，热伸长，噪音，
精度降低的问题。因此很有必要对丝杠副的性能进行实验研究，寻找上述现象的
规律，查找分析原因，进而采取合适的解决方案。上海理工大学与江苏省启东市
启尖丝杠制造有限公司通过产学研合作模式，致力于滚珠丝杠性能的研究，为企
业提供了一套快速准确地检测办法。
本文首先对丝杠副结构特点，工作原理做了较为详细的介绍，随后探讨了高
速化后可能产生的一系列问题；在试验台整体设计这一章，着重对机械系统设计，
数据采集系统，运动控制系统的设计进行了较为详细的阐述；之后又介绍了可换
丝杠试验台可换丝杠组件的设计；温度采集系统和热伸长采集系统都是基于
Labview 开发平台设计的，配合一些硬件仪器共同搭建的采集系统，噪声试验借助
于声级计实现对噪音的检测；接着着重对温升原因与对策，噪声原因与对策，丝
杠轴向热伸长原因与对策，定位精度等进行详细的分析。最后讨论了丝杠组件参
数化设计的有关问题：介绍参数化设计的特点，提出了机械产品参数化设计的具
体实施方案，分析了利用配置与 VB 编程实现丝杠组件的参数化设计，并 比较两设
计方案的具体实施过程。
关键词：滚珠丝杠副 可换丝杠组件 温升 噪音 热伸长 定位精度
参数化设计
ABSTRACT
The paper is introduced in the background of the country developing the
manufacturing industry, and computer control machine tool. University of Shanghai for
science and technology and Qidong Runze Machine Tool Accessorries Co.,Ltd
cooperated to research the character of ball screw and provide a test method in the
model of Industry-University-Research .The tester can simulate the actual working
condition, and test temperature rise, noise , precision testing performance , etc.
As an important component of the feeding system, the ball screw has a direct
impact the positioning of the mechanical system and its machining accuracy. When the
speed of ball screw speed up, there is other problem such as the high temperature ,
thermal elongation, noise, and the reducing accuracy. So it is necessary to do the
performance of a ball screw vice experiment research to find the law of the above
phenomenon, the cause, and take the appropriate solution. The university of shanghai
for Science and technology and Qidong city kai tip screw manufacturing Co.Ltd
dedicate to the performance of ball screw and provide a fast and accurate detection
method for enterprises.
At first, this paper introduces the ball screw to vice structure characteristics and
its working principle. Then it discusses on a series of questions caused by the high
speed; this chapter of the test the overall design mainly focuses on the design of
mechanical system, the data acquisition system, and motion control system design; the
design of collection procedures, with some hardware instrument set to collection system,
noise test come to realize the project by the noise detection; Then it focuses on the
causes and countermeasures of temperature rise, noise reasons and countermeasures,
ball screw shaft to hot elongation reasons and the countermeasure, positioning accuracy
of analysis in detail. Finally discuss the parametric design of the screw component.
Compare the collocation method and VB programming method of the parametic
design.
Key words: ball screw, the exchanged ball screw component ,
temperature rise, noise, thermal extension, position
precision, parametric design
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ......................................................... 1
§1.1 课题背景和意义 ............................................... 1
§1.1.1 课题的背景 ............................................ 1
§1.1.2 课题研究的意义 ........................................ 2
§1.1.3 目前国内外先进水平 .................................... 3
§1.2 本论文主要研究内容 ........................................... 4
第二章 滚珠丝杠副介绍 ............................................... 6
§2.1 滚珠丝杠副工作原理及其结构特点 .............................. 6
§2.1.1 滚珠丝杠副工作原理 .................................... 6
§2.1.2 滚珠丝杠副的结构 ...................................... 6
§2.2 滚珠丝杠副特点 ............................................... 8
§2.3 滚珠丝杠副高速化后需解决的问题 ............................... 9
§2.4 本章小结 ..................................................... 9
第三章 高速滚珠丝杠副试验台的设计 .................................. 11
§3.1 设计原则 ................................................... 11
§3.2 系统基本工作原理 ........................................... 11
§3.3 系统设计方案 ............................................... 12
§3.3.1 系统技术要求 ......................................... 12
§3.3.2 滚珠丝杠测试系统组成 ................................. 12
§3.4 机械系统 ................................................... 13
§3.4.1 利用 UG 对试验台进行三维模型的建立 ..................... 14
§3.4.2 可换丝杠副创新设计 .................................... 15
§3.4.3 滚珠丝杠副支撑方式的选取 .............................. 19
§3.5 数据采集系统 ................................................ 20
§3.5.1 数据采集系统的组成 .................................... 20
§3.5.2 选择合适的测量系统 .................................... 21
§3.5.3 信号的调理 ............................................ 21
§3.6 运动控制系统 ................................................ 22
§3.6.1 伺服电机的选型计算 .................................... 22
§3.6.2 运动控制系统 .......................................... 27
§3.7 本章小结 .................................................... 28
第四章 测试系统的设计与开发 ........................................ 29
§4.1 测试软件的开发 ............................................. 29
§4.1.1 虚拟仪器概述 ........................................ 29
§4.1.2 测试软件流程图 ...................................... 30
§4.2 测试程序的框架设计 ........................................ 31
§4.2.1 试验台温升与丝杠热变形采集程序设计 .................. 31
§4.2.2 高速滚珠丝杠试验台运动精度采集程序设计 .............. 34
§4.3 温度测量系统的开发 ........................................ 36
§4.3.1 测量原理 ............................................ 37
§4.3.2 温度传感器 .......................................... 37
§4.3.3 FL-XMDA-9000A 智能多点巡检仪 ......................... 38
§4.3.4 DE311 网路串口服务器 ................................. 38
§4.3.5 测试界面: ........................................... 39
§4.4 丝杠热伸长测量系统 ........................................ 39
§4.4.1 测量原理 ............................................ 40
§4.4.2 电容式位移传感器 .................................... 41
§4.4.3 NI USB-6225 数据采集卡 ............................. 41
§4.4.4 测试界面 ............................................ 41
§4.5 运动精度测量系统 .......................................... 42
§4.5.1 运动精度测量原理 .................................... 42
§4.5.2 光栅尺 ............................................... 42
§4.5.3 编码器 ............................................... 43
§4.5.4 计数卡 ............................................... 44
§4.5.5 软件组态及硬件组态 ................................... 44
§4.5.6 运动精度测试界面 ..................................... 46
§4.6 噪声测量系统 .............................................. 46
§4.6.1 测量原理 ............................................. 46
§4.6.2 声级计 ............................................... 47
第五章 高速滚珠丝杠综合性能测试试验数据分析 ........................ 48
§5.1 温升试验分析与对策 ........................................ 48
§5.2 丝杠副热变形测量分析与解决方案 ............................ 52
§5.3 定位精度分析与对策 ........................................ 53
§5.4 滚珠丝杠噪声试验及其分析 .................................. 55
§5.5 本章小结 .................................................... 57
第六章 丝杠组件的三维参数化设计 .................................... 58
§6.1 参数化设计 ................................................. 58
§6.2 机械产品设计的三维参数化 ................................... 59
§6.3 丝杠组件三维参数化设计的意义 ............................... 60
§6.4 丝杠组件三维参数化的实施 ................................... 60
§6.4.1 生成丝杠组件的配置 ................................... 60
§6.4.2 基于 VB 编程的丝杠组件的三维参数化 .................... 63
§6.4.3 丝杠组件三维参数化设计方案比较 ....................... 66
§6.5 本章小结 ................................................... 66
第七章 总结与展望 .................................................. 67
参考文献 ........................................................... 68
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 71
致谢 ............................................................... 72
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景和意义
§1.1.1 课题的背景
近年来，随着国家，社会对装备制造业重视程度的加大，科研经费的大量投
入，数控机床得到了迅猛发展，很大程度上提高我国装备制造业的整体水平。但
是与国外一些发达国家相比仍有很大差距，但就数控机床技术来讲，进给系统的
精度直接影响着数控机床的加工精度，滚珠丝杠副作为数控机床进给系统的关键
部件很大程度上影响着进给系统的精度，进而也影响着机床整体的精度。我国有
多家生产滚珠丝杠机床功能部件的企业，比如陕西汉江机床厂，北京机床研究所，
山东济宁博特精密丝杠制造有限公司，南京工艺装备厂，江苏省启东启尖丝杠厂
都是业内做的比较专业化的企业，企业发展壮大的同时也面临着许多科研困难。
随着对生产效率要求的越来越高，对直接影响机床工作效率的进给速度也提出了
更高的要求。目前，传动系统最成熟的技术就是滚珠丝杠副配套伺服电机，应用
也最多，因此，对丝杠副走高速化道路指明了前进方向，伴随着丝杠副的高速化
就产生了一系列问题，温升过高，丝杠副轴向热伸长过大，定位精度下降过大，
噪音过大等等[1]。这就要求必须加大对丝杠副高速化后性能研究力度，进而优化丝
杠副结构，提高其整体工作性能。国外一些业内知名的企业如日本 THK 公司早在
30 多年前就开始对丝杠副的性能进行试验研究，总结规律，因此他们走在了行业
前面，成为了排头兵。正是在这种大环境下，我们上海理工大学秉承着发展和振
兴祖国装备制造业的志愿，结合自身的学科优势与地缘优势，与企业深入合作，
自行开发了可换高速滚珠丝杠试验台。
目前，国内滚珠丝杆杠的检测设备不够先进，不够完善是造成国内外丝杠差
距的主要原因，而检测水平的高低直接影响到了丝杠的质量，众多技术中，检测
中的技术差距尤为明显，因此，优化检测设备和提高检测手段我国滚珠丝杠质量
的的提高尤为重要。国内丝杠的研究起步较晚，远远落后于欧美等丝杠强国，随
着国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项启动，国内有几家企业在
进行滚珠丝杠的研究，像陕西汉江机床厂，北京机床研究所，山东济宁博特精密
丝杠制造有限公司，他们都对检测手段和制造工艺有所革新，引领着国内丝杠的
发展方向。
在测量系统方面，北京机床研究所率先研制出了 GSZ-2000，该测量系统采用
可换滚珠丝杠副性能试验台研究及丝杠组件参数化设计
2
德国 HEIDENHAIN 精密长光栅作为定位精度的测量基准；分别在丝杠副关键点
位置布置温度传感器来检测丝杠副温升，很有参考价值。可装夹长度 2200mm 的
滚珠丝杠副，移动速度达到了 60m/min，测试速度和加速度的采样频率均为 1kHz,
测试定位精度及热位移的分辨率为 0.2um,测试噪声的分辨率为 0.5dB,测试温升的
分辨率为 0.1°C,并能实时显示且保持数据，也可与打印机相连输出测试结果。
由上海理工大学自行研制的高速滚珠丝杠试验台，能检测丝杠的长度最长为
2000mm，工作台可以达到的最高时速为 60m/min,能够在负载情况下完成运动精度
测试试验，温升试验，噪声试验。该试验台配置了西门子 MASTERDRIVE MC 伺服电
机和伺服控制器，基于 PC 机的控制器 WinAC 以及 Profibus 现场总线技术， 通过
计算我们选用额定功率为 5.7kw ,额定转速为 3000r/min 的伺服电机。另外，我们
还以 HEIDENHAIN 的LC183 直线光栅尺作为定位精度的测量基准，其测量精度
为0.1μm。我们使用的是美国 NI 公司的 LABVIEW8.2.1 作为上位机的软件, 由软
件实现真实仪器的功能，可在测试工程中进行人机对话，测试数据一方面可以在
测试前面板上实时显示，一方面保存在计算机系统中 ，方便日后打印输出。
§1.1.2 课题研究的意义
随着我国工业化程度的提高，特别是航空航天，汽车制造业的高速发展，对
金属高速切削也提出了更高的要求，各种加工中心，自动化机械，工业机器人的
驱动速度也在不断提高。以加工中心为例，80 年代中期的时候为 10-15m/min[2]，
但是现在的速度已经达到 60-80m/min[2]，并向更高的速度迈进。为了适应高速的
需求，就必须对高性能丝杠进行研究研究。
由于我国对丝杠的研究起步较晚，企业又不重视研发经费的投入，因此，在
此领域我国的研发水平远远落后于发达国家，要想赶超他们，必须加大科研的经
费投入，况且，中国这样一个 13 亿人口的大国，要想走向强国子列，必须大力发
展装备制造业，同时掌握核心科技，必须从源头上注重知识产权，加大科研开发
力度。机械制造业本是利润附加值很大的行业，国内市场需求量也很大，如果放
弃科研，一味引进国外现有技术，长远来看，不但造成外汇大量流失，也大大削
减了我国的综合国力，与发达国家的差距将进一步加大，目前的实际情况是数控
机床等高精尖的设备，我们还不具备自主研发的能力，很多重要部件重要技术还
不过关，还依赖进口，无论从经济还是战略角度讲都不利，我们要多管齐下，研
究新材料，新工艺，配合上现代企业管理制度综合提高我国装备制造业的设计生
产能力与水平。我国的数控机床功能部件大多还依赖进口，国内制造行业的现状
第一章 绪论
3
是不容乐观的：材料不合格、工艺不过关、管理不先进、布局不合理，最终表现
为产品性能落后、市场竞争能力薄弱。
滚珠丝杠副作为加工中心进给系统的关键部件，其精度直接影响加工中心的
精度。温升是不可避免的，研究温升情况下的热变形很有必要，寻找规律，采取
恰当的减少温升抑制热变形的手段，或者采取相应的补偿措施。要想真正提高我
国丝杠行业的整体水平，有必要对滚珠丝杠副的噪声，温升，热变形，定位精度
等进行系统的研究，因此，方便且有效的检测手段尤为重要，通过实验测得的实
际数据寻找相关规律，已达到优化设计，提高整体精度的目的。本论文中所提到
的丝杠检测方法简单，方便且准确高效，在此基础上进行的实验研究，可以为老
产品性能改进与新产品的研究开发提供技术上的保障。
§1.1.3 目前国内外先进水平
滚珠丝杠副作为加工中心等精密机械进给系统的关键部件，目前这项技术已
日趋成熟，其传动同步性好，性价比很高，同时兼具较高的传动定位精度和传动
效率，因此，在进给系统中广泛应用。
早在 19 世纪末 20 世纪初就发明了滚珠丝杠副，由于制造加工难度大，现有技
术满足不了，因此相当长一段时间并未实际得到应用。美国通用汽车（GM）结合
现有技术成为了世界上第一家应用滚珠丝杠副的企业。从 1940 年开始，滚珠丝杠
副如雨后春笋般广泛应用于汽车转向机构。到了 1943 年，滚珠丝杠副在飞机制造
业也开始应用。精密螺纹磨床的诞生及市场化，大大提高了滚珠丝杠副的精度以
及整体性能，数控机床以及其他先进制造设备的普及应用，促进了滚珠丝杠副的
广泛应用。从 50 年代开始，在欧美等工业化比较发达的国家中，滚珠丝杠副迅速
普及，生产厂家层出不穷，例如：美国的 GM－SAGINAW 公司、WARNER-BEAVER
公司；英国 ROTAX 公司；日本 NSK，THK 公司等。我国从上世纪 50 年代才开始
研制用于数控机床的滚珠丝杠副，主要应用于航空航天，核工业,数控机床等领域。
日本的 NSK,THK 公司在丝杠副的设计与制造走在世界前列，在实验室里，驱动丝
杠的线速度已达到每分钟 200 米，他们除了在材料和制造方面领先一筹外，检测
设备的完善也是关键性因素。NSK 公司之所以产品走在世界前列与其不断的进行
试验，寻找规律是分不开的，滚珠丝杠副制造水平的整体提高正是得益于大量的
试验研究。下表1-1 我国与发达国家丝杠副主要性能对比[3]：
摘要：

摘要本论文是在国家大力发展制造业，数控机床等机械向着高速化，高精度方向发展得背景下提出的。上海理工大学根据上海市重点学科教育高地建设“数控装备及制造技术”项目以及产学研合作需要，自行设计了可换高速滚珠丝杠试验台。可以模拟实际工况，完成温升试验，噪声试验，定位精度检测试验等性能检测。滚珠丝杠副作为机械进给系统的重要组件，丝杠副的性能直接影响着整个机械系统的定位，加工精度。在机床高速化的同时，伴随着温升，热伸长，噪音，精度降低的问题。因此很有必要对丝杠副的性能进行实验研究，寻找上述现象的规律，查找分析原因，进而采取合适的解决方案。上海理工大学与江苏省启东市启尖丝杠制造有限公司通过产学研合作模式，致...

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