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滾動(dòng)直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究
摘要：就目前來(lái)說(shuō)，世界的制造加工業(yè)對(duì)機(jī)床的加工要求越來(lái)越高，也就是對(duì)機(jī)床的各項(xiàng)性能都有更高的要求。比如說(shuō)：高速度、高剛度和高精度。機(jī)床的發(fā)展水平是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)的重要標(biāo)志。機(jī)床主要由主軸和導(dǎo)軌兩部分組件構(gòu)成，而導(dǎo)軌的重要性要更強(qiáng)，其中直線滾動(dòng)導(dǎo)軌占有很大優(yōu)勢(shì)，被普遍應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和其他的行業(yè)中。
本課題主要研究了機(jī)床的整體布局結(jié)構(gòu)，軌道的直線度分析，還有滾珠絲杠的剛度計(jì)算，現(xiàn)在分別詳細(xì)的介紹一下：
(1）首先，在通過(guò)閱讀國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)，了解了機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)后，本文先確定了機(jī)床的整體布局方式，然后對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌性能進(jìn)行分析；對(duì)溜板箱的計(jì)算設(shè)計(jì)，對(duì)滾珠的長(zhǎng)度和數(shù)量的進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)。
（2）其次，對(duì)導(dǎo)軌的直線度進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)直線度的定義分析，綜合對(duì)比選擇直線度的測(cè)量方法和評(píng)定方法。
（3）最后，對(duì)滾珠絲杠的剛度進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)滾珠絲杠、絲杠軸、螺母和支撐架的軸向剛度通過(guò)算式進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算了滾珠絲杠的承載能力，以更好地配合直線導(dǎo)軌。
關(guān)鍵詞：滾動(dòng)直線導(dǎo)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(guó)內(nèi)外滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國(guó)外的研究現(xiàn)狀 2
1.3 研究的內(nèi)容及意義 2
1.3.1 研究的內(nèi)容 2
1.3.2 研究的意義 3
2 機(jī)床滾動(dòng)直線導(dǎo)軌整體設(shè)計(jì) 4
2.1 機(jī)床的整體布局 4
2.2 導(dǎo)軌的性能分析 4
2.3 主要零部件的設(shè)計(jì) 5
2.3.1 溜板箱的設(shè)計(jì) 5
2.3.2 滾柱的長(zhǎng)度設(shè)計(jì) 5
2.3.3 滾柱的數(shù)量 6
3 導(dǎo)軌的直線度分析 8
3.1 直線度的定義 8
3.2 直線度測(cè)量方法 9
3.3 直線度評(píng)定方法 9
4 滾珠絲杠的剛度計(jì)算 11
4.1 滾珠絲杠的軸向剛度計(jì)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(jié) 12
總結(jié) 13
參考文獻(xiàn) 14
致謝 16
7
1 緒論
1.1 課題的研究背景
隨著新中國(guó)的改革開(kāi)放，我國(guó)在科學(xué)技術(shù)上以借鑒為主要的發(fā)展動(dòng)力。近四十年來(lái)，國(guó)內(nèi)的制造業(yè)規(guī)模突飛猛進(jìn)。但是制造業(yè)的技術(shù)相較于發(fā)達(dá)國(guó)家仍有巨大的差距，國(guó)際的頂尖高端技術(shù)產(chǎn)品我們沒(méi)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，只能依賴反求工程制造高仿，或者付出昂貴的代價(jià)購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的產(chǎn)品，加上國(guó)際制造業(yè)的壟斷。我國(guó)制造業(yè)向技術(shù)型產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)變舉步維艱。
這個(gè)世紀(jì)，隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的提高和大量人才的引進(jìn)，制造業(yè)正迎來(lái)新的變革。制造業(yè)由粗放型向技術(shù)性的轉(zhuǎn)變，首先就是產(chǎn)品的加工精度。而滾動(dòng)直線導(dǎo)軌作為新興的導(dǎo)向部件，動(dòng)靜摩擦系數(shù)非常的小，定位精度又要求非常的高，相應(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)其高速的精確的運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌已大批量用于機(jī)床的各個(gè)部分。采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌能保證機(jī)床的加工精度，并且可以提高效率。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌已被廣泛應(yīng)用在人們生活的各行各業(yè)中。
就目前來(lái)說(shuō)，歐美等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家具有生產(chǎn)加工高質(zhì)量導(dǎo)軌能力的企業(yè)，國(guó)家的扶持和國(guó)內(nèi)的需已經(jīng)加快了國(guó)內(nèi)的企業(yè)投資，但國(guó)內(nèi)的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌制造還是以反求工程為主，也就是對(duì)產(chǎn)品的高仿，產(chǎn)品的承載能力、運(yùn)動(dòng)精度均不達(dá)標(biāo)。其根源在于理論欠缺、起步較晚，研究方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
1.2 國(guó)內(nèi)外滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀
我國(guó)從上世紀(jì)80年代才開(kāi)始進(jìn)行滾動(dòng)導(dǎo)軌副方面的研究，由于國(guó)內(nèi)缺乏自主研發(fā)能力，產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外的相差很大。最近三四十年，國(guó)內(nèi)加大了對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的重視，扶持相關(guān)產(chǎn)業(yè)，但是依然有很大的差距。在國(guó)內(nèi)，生產(chǎn)的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌質(zhì)量參差不齊、生產(chǎn)成本非常高、規(guī)格不夠齊全，生產(chǎn)效率非常低，并且擁有先進(jìn)生產(chǎn)能力的公司屈指可數(shù)，根本不能與國(guó)外相媲美。
國(guó)內(nèi)關(guān)于滾動(dòng)導(dǎo)軌的理論研究開(kāi)始于上世紀(jì)80年代，其中，1986年南京研制出了型號(hào)為GGA25的徑向型滾動(dòng)導(dǎo)軌副標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始自主研發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始制造滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。目前，關(guān)于滾動(dòng)導(dǎo)軌的可研究的內(nèi)容越來(lái)越多，包括滾動(dòng)導(dǎo)軌的性能分析、運(yùn)行平穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、精度、導(dǎo)軌的加工等等，國(guó)內(nèi)下一步的研究正在向更深度發(fā)展。
其中，華中科技大學(xué)對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的靜剛度進(jìn)行了研究，得到了一種新的導(dǎo)軌剛度計(jì)算方法；東南大學(xué)主要對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)合面進(jìn)行了研究，也獲得了相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果；東北大學(xué)和西安理工大學(xué)也對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)合面進(jìn)行了研究，但研究的結(jié)果重點(diǎn)有所不同。前者主要研究了導(dǎo)軌的靜、動(dòng)剛度，后者主要對(duì)導(dǎo)軌結(jié)合面的變形進(jìn)行了研究，提出了變形數(shù)學(xué)計(jì)算的一般公式。
綜上可知，國(guó)內(nèi)對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、精度分析、壽命分析都投入大量的精力，滾柱導(dǎo)軌的研發(fā)必定走向成熟。由于我國(guó)在研發(fā)方面先天不足，因此更應(yīng)該加速對(duì)其的研究[1]~[3]。
1.2.2 國(guó)外的研究現(xiàn)狀
當(dāng)下，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的生產(chǎn)制造方面較強(qiáng)，日本的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌產(chǎn)量達(dá)到世界的50%，但他們卻導(dǎo)軌的研究資料處于高度的保密狀態(tài)。總的來(lái)說(shuō)，國(guó)外對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的各個(gè)方面基本上都進(jìn)行了研究，并獲得了一定的成果，這些成果都有助于滾動(dòng)導(dǎo)軌的發(fā)展：
日本學(xué)者對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行了剛度的分析，他們研究了究導(dǎo)軌的剛度改變；有人還提出了導(dǎo)軌的剛度與所受外載的關(guān)系，并將這定量化、具體化。根據(jù)研究結(jié)果，他們還研究了導(dǎo)軌平穩(wěn)性、定位精度等與導(dǎo)軌不同預(yù)載的關(guān)系。國(guó)外學(xué)者也研究導(dǎo)軌的額定壽命。日本學(xué)者對(duì)導(dǎo)軌壽命進(jìn)行研究。他們總結(jié)出了導(dǎo)軌的壽命通用計(jì)算公式，和特定場(chǎng)合的壽命計(jì)算公式。
日本學(xué)者對(duì)導(dǎo)軌摩擦也進(jìn)行了研究，得到了導(dǎo)軌摩擦力的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)軌的潤(rùn)滑和精度方面也有人研究，德國(guó)學(xué)者對(duì)導(dǎo)軌振動(dòng)做了研究，總結(jié)出自己的模型。其中德國(guó)的阿亨工業(yè)大學(xué)，它對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究研究。
總之，國(guó)際上的學(xué)者對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的方方面面都進(jìn)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(yuǎn)超國(guó)內(nèi)的水平。
1.3 研究的內(nèi)容及意義
1.3.1 研究的內(nèi)容