喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 滾動直線導軌設計及相關技術研究 摘要：就目前來說，世界的制造加工業(yè)對機床的加工要求越來越高，也就是對機床的各項性能都有更高的要求。比如說：高速度、高剛度和高精度。機床的發(fā)展水平是衡量一個國家工業(yè)的重要標志。機床主要由主軸和導軌兩部分組件構成，而導軌的重要性要更強，其中直線滾動導軌占有很大優(yōu)勢，被普遍應用于數控機床和其他的行業(yè)中。 本課題主要研究了機床的整體布局結構，軌道的直線度分析，還有滾珠絲杠的剛度計算，現在分別詳細的介紹一下： (1）首先，在通過閱讀國內外的文獻，了解了機床的整體結構后，本文先確定了機床的整體布局方式，然后對機床導軌性能進行分析；對溜板箱的計算設計，對滾珠的長度和數量的進行了相關的設計。 （2）其次，對導軌的直線度進行分析，通過對直線度的定義分析，綜合對比選擇直線度的測量方法和評定方法。 （3）最后，對滾珠絲杠的剛度進行計算，通過對滾珠絲杠、絲杠軸、螺母和支撐架的軸向剛度通過算式進行計算分析，計算了滾珠絲杠的承載能力，以更好地配合直線導軌。 關鍵詞：滾動直線導軌，直線度，滾珠絲杠，選型 I Linear guides design and related technology research Abstract: Now, the world's manufacturing industry need high requirements for the machining, that is, the performance of the machine have higher requirements. For example: high speed, high rigidity and precision. The level of development of machine tools is an important indicator to measure a country's industry. Machine tool spindle assembly consists of two parts and the rail, and the importance of rail to be stronger, in which the linear motion guide large advantages, it is widely used in CNC machine tools and other industries. This paper studies the structure of the overall layout of the machine, straightness track analysis, as well as ball screw stiffness calculation, are now described in detail here. (1)First, by reading literature at home and abroad to understand the overall structure of the machine, the paper first determine the overall layout of the machine, and then analyze the performance of the machine tool guide; on the apron of the computational design of balls the length and number were related to the design. (2)Next, the straightness of the rail is analyzed by the definition of straightness of analysis, synthesis, comparison measurement method and evaluation method selection straightness. (3)Finally, the stiffness of the ball screw is calculated by the axial stiffness of the ball screw, screw shaft, nut and the support frame is calculated by formula analysis to calculate the carrying capacity of the ball screw to better fit linear guid Keywords:linear guides, straightness,ball screws, selection II 目 錄 摘要…………………………………………………………………………………..Ⅰ Abstrat……………………………………………………………………………….Ⅱ 目錄 III 1 緒論 1 1.1 課題的研究背景 1 1.2 國內外滾動直線導軌的研究現狀 1 1.2.1 國內的研究現狀 1 1.2.2 國外的研究現狀 2 1.3 研究的內容及意義 2 1.3.1 研究的內容 2 1.3.2 研究的意義 3 2 機床滾動直線導軌整體設計 4 2.1 機床的整體布局 4 2.2 導軌的性能分析 4 2.3 主要零部件的設計 5 2.3.1 溜板箱的設計 5 2.3.2 滾柱的長度設計 5 2.3.3 滾柱的數量 6 3 導軌的直線度分析 8 3.1 直線度的定義 8 3.2 直線度測量方法 9 3.3 直線度評定方法 9 4 滾珠絲杠的剛度計算 11 4.1 滾珠絲杠的軸向剛度計算 11 4.2 絲杠軸的軸向剛度 11 4.3 螺母的軸向剛度 12 4.4 支撐軸承的軸向剛度 12 4.5 小結 12 總結 13 參考文獻 14 致謝 16 IV 1 緒論 1.1 課題的研究背景 隨著新中國的改革開放，我國在科學技術上以借鑒為主要的發(fā)展動力。近四十年來，國內的制造業(yè)規(guī)模突飛猛進。但是制造業(yè)的技術相較于發(fā)達國家仍有巨大的差距，國際的頂尖高端技術產品我們沒有知識產權，只能依賴反求工程制造高仿，或者付出昂貴的代價購買國外的產品，加上國際制造業(yè)的壟斷。我國制造業(yè)向技術型產業(yè)的轉變舉步維艱。 這個世紀，隨著國內技術的提高和大量人才的引進，制造業(yè)正迎來新的變革。制造業(yè)由粗放型向技術性的轉變，首先就是產品的加工精度。而滾動直線導軌作為新興的導向部件，動靜摩擦系數非常的小，定位精度又要求非常的高，相應速度快，實現其高速的精確的運動。滾動直線導軌已大批量用于機床的各個部分。采用滾動直線導軌能保證機床的加工精度，并且可以提高效率。滾動直線導軌已被廣泛應用在人們生活的各行各業(yè)中。 就目前來說，歐美等少數發(fā)達國家具有生產加工高質量導軌能力的企業(yè)，國家的扶持和國內的需已經加快了國內的企業(yè)投資，但國內的滾動直線導軌制造還是以反求工程為主，也就是對產品的高仿，產品的承載能力、運動精度均不達標。其根源在于理論欠缺、起步較晚，研究方法遠遠不夠。 1.2 國內外滾動直線導軌的研究現狀 1.2.1 國內的研究現狀 我國從上世紀80年代才開始進行滾動導軌副方面的研究，由于國內缺乏自主研發(fā)能力，產品質量與國外的相差很大。最近三四十年，國內加大了對滾動導軌的重視，扶持相關產業(yè)，但是依然有很大的差距。在國內，生產的滾動直線導軌質量參差不齊、生產成本非常高、規(guī)格不夠齊全，生產效率非常低，并且擁有先進生產能力的公司屈指可數，根本不能與國外相媲美。 國內關于滾動導軌的理論研究開始于上世紀80年代，其中，1986年南京研制出了型號為GGA25的徑向型滾動導軌副標志著我國開始自主研發(fā)，標志著我國開始制造滾動直線導軌。目前，關于滾動導軌的可研究的內容越來越多，包括滾動導軌的性能分析、運行平穩(wěn)性、結構優(yōu)化、精度、導軌的加工等等，國內下一步的研究正在向更深度發(fā)展。 其中，華中科技大學對滾動導軌的靜剛度進行了研究，得到了一種新的導軌剛度計算方法；東南大學主要對滾動導軌的結合面進行了研究，也獲得了相當的結果；東北大學和西安理工大學也對滾動導軌的結合面進行了研究，但研究的結果重點有所不同。前者主要研究了導軌的靜、動剛度，后者主要對導軌結合面的變形進行了研究，提出了變形數學計算的一般公式。 綜上可知，國內對滾動導軌的設計生產、精度分析、壽命分析都投入大量的精力，滾柱導軌的研發(fā)必定走向成熟。由于我國在研發(fā)方面先天不足，因此更應該加速對其的研究[1]~[3]。 1.2.2 國外的研究現狀 當下，國外發(fā)達國家在滾動直線導軌的生產制造方面較強，日本的直線滾動導軌產量達到世界的50%，但他們卻導軌的研究資料處于高度的保密狀態(tài)?？偟膩碚f，國外對滾動直線導軌的各個方面基本上都進行了研究，并獲得了一定的成果，這些成果都有助于滾動導軌的發(fā)展： 日本學者對導軌進行了剛度的分析，他們研究了究導軌的剛度改變；有人還提出了導軌的剛度與所受外載的關系，并將這定量化、具體化。根據研究結果，他們還研究了導軌平穩(wěn)性、定位精度等與導軌不同預載的關系。國外學者也研究導軌的額定壽命。日本學者對導軌壽命進行研究。他們總結出了導軌的壽命通用計算公式，和特定場合的壽命計算公式。 日本學者對導軌摩擦也進行了研究，得到了導軌摩擦力的數學模型導軌的潤滑和精度方面也有人研究，德國學者對導軌振動做了研究，總結出自己的模型。其中德國的阿亨工業(yè)大學，它對滾動導的靜態(tài)特性和動態(tài)性能進行了許多實驗研究研究。 總之，國際上的學者對滾動直線導軌的方方面面都進行了研究，并且都取得了一定的成果，他們的研究水平也是遠超國內的水平。 1.3 研究的內容及意義 1.3.1 研究的內容 本課題結合國內工科院校對滾動直線導軌的研究成果，主要對一種滾動直線導軌進行零部件的設計、軌道副的性能分析、精度研究、剛度分析和安裝的技術研究，主要研究內容包括以下幾個方面： （1）結合國內外軌道的發(fā)展現狀，完成機床滾動直線導軌的總體設計和主要零部件的設計與選擇； （2）對軌道副進行性能的分析，通過對其進行概念設計，對其的進行靜態(tài)分析； （3）對導軌進行精度分析，在導軌設計加工中提高導軌精度，對導軌進行研磨加工； （3）對主軸接觸剛度及預緊進行研究；以便對導軌的相關的部件進行以后的分析； （4）對導軌進行安裝的技術研究，通過分析其安裝時的基面誤差，強度計算以此來提高其安裝精度。 1.3.2 研究的意義 國內滾動直線導軌起步較于世界相對來說比較晚，理論上十分匱乏。導軌裝配過盈量的控制方面也沒有理論體系。導軌受力滾動體的運動情況十分的復雜，那么他的摩擦機理就更是十分的復雜。對受力滾動體的運動研究，還有摩擦特性研究都有十分重要的意義。當然對于全面的了解導軌工作情況也是重要的。滾動直線導軌精度、剛度和軌道副的安裝也有待于研究。因此，對滾動直線導軌的設計和相關技術的研究具有一定的實際意義。 3 2 機床滾動直線導軌整體設計 2.1 機床的整體布局 對滾動直線導軌進行研究，先要明確機床技術參數，然后根據技術參數選擇合適的導軌整體布局，最后按照設計原則對導軌零部件進行設計。機床的布局對機床的整體性能有著很大的影響，主要是由機床的使用所決定，機床就目前來說，正在朝著智能化、小型化和及精密化的發(fā)展方向。機床最常見的布局主要有以下4種： （1）十字形布局，兩個成“十”字型導軌做平面運動，刀架裝在上面工作，這時導軌各項精度在技術上是一個很大的難題； （2）R-θ形式，刀架導軌布置在工作臺上，工作臺一方面可以做回轉運動，另一方面又可以做上下運動，此種布局的刀架導軌要隨著半徑和角度的變化而變化，現實中難以加工，應用較少； （3）立式結構，立式結構主要是提高承載性，適用于特別笨重粗大的機械中，較常見的為加衡量的結構。 （4）T形布局，刀架橫向運動，主軸箱縱向運動。T形結構，兩個垂直導軌都在床身上，故兩者相互獨立，相互不干擾可以提高導軌的精度。 導軌按照是否封閉分為：半封閉式與封閉式結構。半封閉式的優(yōu)點是：承載能力高，缺點是：只能臥式存放，非常容易的變形，全程運動的直線度低；封閉式導軌的優(yōu)點是：運動的直線度高，導軌可臥式又可立式存放。綜上所述：本課題研究的滾動導軌要求承載能力高，重量盡量輕，因此選用半封閉式結構。 2.2 導軌的性能分析 半封閉式結構的機床對導軌所需要以下性能： （1）機床主要用于車削，需要實現雙向運動，并且運行平穩(wěn)，導軌低速運行性能較好； （2）導軌具有一定的導向精度和定位精度，導軌有很高的幾何精度，導軌的直線精度應達到±0.5μm/100mm； （3）總體來說，全部滾動體的直徑差小于2μm，單組滾動體的直徑差小于1μm； （4）導軌表面擁有較好的光潔度，較高的接觸精度，導軌表面需進行研磨；導軌要操作簡單、維修方便[4]~[11]。 2.3 主要零部件的設計 機床的整體布局和導軌性能確定以后，然后需要對機床的導軌系統(tǒng)進行零部件的相關設計。機床由主軸系統(tǒng)和刀架系統(tǒng)組成，而主軸系統(tǒng)中的主軸導軌系統(tǒng)和刀架中的刀架導軌系統(tǒng)都包括溜板、導軌和導軌傳動系統(tǒng)等組成。 2.3.1 溜板箱的設計 溜板與主軸相連，他的作用是支撐主軸，所以主軸的大小直接決定了溜板的尺寸。在半封閉式結構中，我們設計兩側溜板，也就是左、右各有一排。導軌與溜板的對接在導軌系統(tǒng)中起著非常重要的作用，它將直接影響了導軌的使用。本此用滾珠將溜板與導軌體連接在一起，連接圖如圖2-1所示： 1-側溜板 2-上溜板 3-導軌 4-滾柱 5-內六角螺栓 圖2-1滾柱直線導軌總裝圖 導軌與溜板之間的滾柱是對稱的，滾柱之間用保持架確保其等距離的分布，滾柱和保持架他們要做直線運動。為了防止?jié)L柱發(fā)生左右方向上的側滑，所以在滾柱的上下兩邊設計了滾槽，這樣就可以阻止其側滑。 2.3.2 滾柱的長度設計 溜板及傳動系統(tǒng)的幾何大小直接決定了導軌的截面尺寸，溜板與滾柱之間的相對運動情況如圖2-2所示： 圖2-2 溜板、滾珠相對運動圖 從上圖可知，在滿足了導軌的最大位移量的情況下，還要滿足及主軸安裝尺寸，之后就會說應盡可能減小運動件的長度。 式中：L—溜板的最短長度； e—運動保險量，一般情況下取10mm； l--滾柱之間的總長度，設計取350mm； Smax—平行導軌之間的最大位移量，本次取300mm[12]~[18]。 2.3.3 滾柱的數量 滾動體的數量決定了導軌的承載能力，滾柱太少，承載能力差，滾柱的制造誤差會直接較大程度的影響位置精度；滾柱太多，增大滾動體上壓力的分布不均勻性，會降低剛度。實驗表明，一個承受載荷比較均勻的滾動體，滾動體數目必須滿足： z＜G/(4b) 式中：G--導軌承受的溜板和主軸系統(tǒng)的重量，初步取2000N； b--滾柱長度，這次取14mm 接觸面積上的最大壓應力滿足下式： 式中：σmax--互相接觸面之間的的最大接觸應力； S—系統(tǒng)的設計安全系數，根據經驗取為5； W--作用在滾柱上的總載荷，根據實際取2000N； z--滾柱總數目； l—每個滾柱單體的長度，取14mm； R—單個滾柱的半徑，取5mm； --相互接面之間的區(qū)的許用線接觸應力，通過查機械設計手冊本次取取36000Mpa 16 3 導軌的直線度分析 機床中導軌的各項精度直接決定了其他零部件的運行精度，所以，導軌的精度非常的重要。在生產制造中，導軌的加工與檢測是一個整體，因此，檢測手段一定會隨著加工技術的提高而不斷的提升、不斷地發(fā)展。在導軌所有的精度測量中，直線度測量一切測量的基礎，幾乎所有的軌道精度中都會有直線度測量。隨著高新科技的發(fā)展，直線度測量的精度以突破0.1μm/m。 3.1 直線度的定義 直線度經常用其誤差數值來進行表示，直線度誤差指的是“被測實際直線與理想直線的相偏差的量”，理想直線要盡可能地包括被測實體，而且要盡可能的小，不能大。根據國家標準GB/T1182-1996 的規(guī)定，直線度公差帶需要與直線度誤差相對應。在此，列出直線度誤差常用的三種形式： 圖3-1 （a） 圖3-1（a）所顯示的是在單一的平面內，表示的是兩條包容直線在相離最近的兩平行線之間的距離。 圖3-1（b） 圖3-1（b）所顯示的是在給定的方向上，表示的是兩條包容直線在相聚最近的兩平行面之間的距離。 圖3-1（c） 圖3-1(c)所顯示的是任意方向上，表示的是包容兩條直線、直徑最小的圓柱。 3.2 直線度測量方法 導軌直線度的檢測可分為有基準的測量和無基準的測量兩大類，有基準的測量，他的測量原理是將被測直線與所選的標準直線進行比較，例如：自準直儀法、激光干涉法和衍射法；無基準的測量，他的測量原理是在被測面上取一定量的測試點，然后對數據進行一定的處理，例如：數據覆蓋耦合法、多面互檢法和直尺翻轉組合法。 通常情況下，利用水平儀和橋板對導軌直線度進行測量，結果是通過一條近似曲線來確定導軌的直線度誤差，這個適用于長導軌直線度的測量。而在機床的導軌直線度測量中，可行且方便使用的是直尺反轉測量誤差分離法。 3.3 直線度評定方法 直線度的評定方法一般包括以下3種：兩端點連線法，最小包容區(qū)域法和最小二乘法，現將這3種評定方法進行總結，如表3-3所示。 表3-3直線度評定方法的優(yōu)缺點比較 名稱 原理 優(yōu)缺點 使用條件 兩端點線法 建立直線方程，由數據點坐標求出方程參數，再求直線的誤差值，最終結果就是最大正、負偏差之差作為 理想直線的確定不是特別的合理，誤差很大，但計算簡單，方便上手 普遍應用，求解簡單快速 最小包容區(qū)域法 用兩條距離為最短的直線包括被測直線 國家標準規(guī)定的評定方法；計算復雜，做圖中經常使用 當要求嚴格時，或對結果存在爭議時使用 最小二乘法 測出各點相對于始點的累計值，找到一條相對直線，求各點到該直線上的距離的平方為最小 曲線的偏差值極小，結果更符合最小條件 數學上容易實現 4 滾珠絲杠的剛度計算 4.1 滾珠絲杠的軸向剛度計算 本次的研究中，滾珠絲杠副和滾柱的作用就是連接導軌和溜板。此處的的軸向剛度也就是滾珠絲杠副的軸向剛度，只有計算出滾珠絲杠副的軸向剛度才能確定動態(tài)特性參數。其模型如圖4-1所示： 4 3 2 1 圖4-1滾珠絲杠簡圖 1-軸承 2-絲杠 3-螺母組件 4-滑板 顯然，絲杠傳動的軸向剛度K可表示為： 式中: K表示滾珠絲杠系統(tǒng)的軸向剛度； 表示絲杠軸的軸向剛度； 表示螺母的軸向剛度； 表示支撐軸承的軸向剛度。 4.2 絲杠軸的軸向剛度 絲杠軸的軸向剛性也是非常重要的，較高的軸向剛度表明絲杠具有較好的抵抗軸向變形的能力。絲杠的安裝方法會直接的或者間接的影響絲杠軸的軸向剛度，如上所述，本次采用固定-支撐的安裝方法，求解絲杠軸的軸向剛度的計算公式如下所示： 式中:A--絲杠軸的斷面面積； E--楊氏模量； L--安裝間距； 4.3 螺母的軸向剛度 本次的絲杠對其進行軸向施加一定的預緊力，一般情況下預緊力的大小取額定載荷的10%，稱為標準預緊力。當軸向預緊力的大小為標準施加的負荷時，其螺母的理論軸向剛度值可在書上查到，當軸向預緊力的大小不是標準施加的負荷時，可通過以下的公式計算： 式中：K表示剛性值； 表示施加的預緊力； 表示基本動額定負荷。 4.4 支撐軸承的軸向剛度 支撐軸承的軸向剛度，只有先確定軸承的型號，然后根據型號確定其基本參數。角接觸軸承軸向剛度的計算如下所示： 式中：--支撐軸承的預緊力載荷，N/μm； --絲杠的軸向變動量； --絲杠的軸向負荷，N； --絲杠支撐軸承的直徑，mm； --支撐軸承的初始接觸角； --軸承的鋼球數[19]~[24]。 4.5 小結 本章主要研究了滾珠絲杠的軸向剛度，絲杠軸的軸向剛度，螺母的軸向剛度，支撐軸軸承的軸向剛度，為以后直線導軌的設計提供了良好的基礎條件。 總結 本文根據畢業(yè)設計任務書是滾動直線導軌設計及相關技術研究，具體做了以下幾個方面的內容： （1）通過閱讀國內外的文獻，學習和掌握滾動直線導軌的有關知識，了解其關鍵技術及發(fā)展現狀；了解數控機床、加工中心對直線導軌的要求；總結滾動直線導軌的設計要點、技術關鍵及發(fā)展方向； （2）確定了機床的整體布局方式，對機床導軌性能進行分析；分析了溜板箱的設計，滾珠的長度和數量的相關設計。 （3）對導軌的直線度進行分析，通過直線度的定義，直線度的測量方法和評定方法來展開計算研究。 （4）對滾珠絲杠的剛度計算，通過對滾珠絲杠、絲杠軸、螺母和支撐架的軸向剛度分析，計算了解滾珠絲杠的承載能力，以更好地配合直線導軌。 參 考 文 獻 [1] 黃祖堯.國外直線導軌副壽命和滾動部件的最新發(fā)展動態(tài)，機床，1993，10：46-47 [2] 熊軍.滾動直線導軌副摩擦力及運動精度動態(tài)綜合檢測原理及方案研究.華中科技大學機械學院，2002 [3] 日本精工株式會社.NSK 精機制品樣本.2003 [4] 孫健利.關于滾動直線導軌摩擦力與預緊力關系的研究.華中理工大學學報，1997（3）：34-36 [5] 劉建素等.直線滾動導軌的剛度分析.制造技術與機床，1994（6）：25-29 [6] Shinji Kasei. 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