CN101328963B - 具有五次抛物线回珠器的滚珠丝杠副 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于在大导程、高转速、螺母旋转而丝杠固定的高速进给系统中应用的滚珠丝杠副，由丝杠、螺母、滚珠钢球和回珠器组成，螺母套装在丝杠上，滚珠钢球装在由丝杠和螺母的螺旋滚道槽组成的钢球螺旋滚道内，在螺母圆周上均匀分布开设有数量与螺母滚道槽圈数相等的安装槽孔，在安装槽孔内各装有一个回珠器，在回珠器的内壁上设有五次抛物线形的钢球回珠槽，回珠槽的两端分别与螺母上两相邻圈螺旋滚道槽连通，构成一个封闭的钢球循环链。丝杠副工作时，每一圈钢球经过回珠器上回珠槽道的导向，翻越丝杠表面从而形成一个循环。产品具有使用寿命长、传动效率和精度高、工作稳定性好等优点。

Description

具有五次抛物线回珠器的滚珠丝杠副

技术领域

本发明内容属于机械传动部件技术领域，涉及一种滚珠丝杠副，其设计结构方案特别适于在大导程、高转速、螺母旋转而丝杠固定的高速进给系统中应用。

背景技术

滚珠丝杠副是由丝杠、螺母和滚珠等零件组成的机械传动部件，其作用是将丝杠的旋转运动转变为螺母(或丝杠)的直线运动或将螺母的旋转运动转变为丝杠(或螺母)的直线运动，由于具有可实现高精度连续传动的优点，因此它被广泛应用于机床行业和各种相关的机械行业中，极大程度地推动了这些行业的数控化发展进程。

目前，国内外公知的大导程滚珠丝杠副中滚珠螺母的反向循环结构一般都采用外循环插管式和端盖循环式两种结构形式。外循环插管式结构如图1和图2所示，它是将弯曲后的钢管的两端插入螺母滚道槽两头，构成导珠管5，导珠管上装有压板6，传动时，在丝杠滚道内运动的滚珠钢球3在导珠管口部舌头7阻挡作用下能够顺畅地进入导珠管，从而使钢球在螺母2中形成一个封闭的钢球链，实现丝杠副的连续传动。外循环插管式结构存在的缺点一是丝杠副作高速重载传动时，螺母内钢球的线速度最高可达450米/分，随着丝杠导程的增大，钢球反向循环时越加困难，导珠管口部在钢球频繁撞击下极容易损坏，导致整套丝杠副的报废，直接影响到使用寿命；二是由于钢球循环数量至少在1.5圈以上，一个循环内的钢球数量比较多，钢球之间以及钢球与滚道之间摩擦较大，且由于钢球在导珠管内的运动是靠后面钢球的推动，不属于滚动，更使得整个丝杠副的传动效率大大降低，因此这种反向循环结构不适用于高速滚珠丝杠副；另外，在螺母旋转而丝杠不旋转的系统中，要求滚珠螺母在旋转时要有很高的平衡性，外循环插管式结构由于导珠管5和压板6等都集中在螺母的一侧面位置上，出现偏重，导致螺母的旋转不平衡，所以这种结构也只能用在螺母固定而丝杠旋转的系统中。端盖循环式结构如图3所示，它是在螺母2壁上作一个回珠用孔并置入端盖回珠器8，钢球3靠端盖回珠器转向，从而使钢球进入螺母壁孔内完成一个循环。从图中可以看出，端盖循环式结构与外循环插管式结构具有相同的工作原理，因此它也与外循环插管式结构存在有大致相同的使用缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，进而提供一种结构合理、性能可靠、传动效率和精度高、使用寿命长、适于在大导程、高转速、螺母旋转而丝杠固定的高速进给系统中使用的具有五次抛物线回珠器的滚珠丝杠副。

用于实现上述发明目的的技术解决方案是这样的：所提供的具有五次抛物线回珠器的滚珠丝杠副由丝杠、螺母、滚珠钢球和回珠器组成，螺母套装在丝杠上，在螺母的内侧和丝杠的外侧分别设有螺旋圈数为N的滚道槽，滚珠钢球装在由丝杠和螺母的螺旋滚道槽组成的钢球螺旋滚道内，在螺母圆周上均匀分布开设有数量与螺母滚道槽圈数相等的安装槽孔，在安装槽孔内各装有一个回珠器，在回珠器的内壁上设有钢球回珠槽，所说回珠槽的两端分别与螺母上两相邻圈螺旋滚道槽连通，构成一个封闭的钢球循环链。丝杠副工作时，每一圈钢球经过回珠器上回珠槽道的导向，翻越丝杠表面从而形成一个循环。

本发明所述设计方案中，回珠器上的回珠槽为一种槽形轨迹曲线满足下述五次抛物线方程的曲线槽道

$\left[\begin{array}{c}x=x\\ y=\mathrm{ax}+b{x}^3+c{x}^5\\ z=p\×\cos \left({\sin }^{-1}\frac{x}{p}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中的a、b、c为五次抛物线系数，x、y、z分别为回珠槽沿长向、宽向、深向的坐标轴，p为丝杠中心到钢球中心深度值，可根据不同丝杠的参数求出来。

上述(1)式的五次抛物线系数根据以下的推导式得出

$\left[\begin{array}{c}a=a_1+a_2+a_3\\ b=b_1-b_2-b_3\\ c=c_1+c_2+c_3\end{array}\right.---\left(2\right)$

(2)式中：

$a_1=-\frac{f_x^2\mathrm{tg}\left(k\right)}{2d_o^2\×g^3}---\left(3\right)$

$a_2=\frac{7\mathrm{tg}\left(k\right)}{8g}---\left(4\right)$

$a_3=\frac{15\mathrm{Lw}}{16f_x}---\left(5\right)$

$b_1=\frac{\mathrm{tg}\left(k\right)}{d_o^2\×g^3}---\left(6\right)$

$b_2=\frac{5\mathrm{tg}\left(k\right)}{4g\×f_x^2}---\left(7\right)$

$b_3=\frac{5\mathrm{Lw}}{8f_x^3}---\left(8\right)$

$c_1=-\frac{\mathrm{tg}\left(k\right)}{2d_o^2\×g^3\×f_x^2}---\left(9\right)$

$c_2=\frac{3\mathrm{tg}\left(k\right)}{8g\×f_x^4}---\left(10\right)$

$c_3=\frac{3\mathrm{Lw}}{16f_x^5}---\left(11\right)$

(3)～(11)式中：

$k=\mathrm{arctg}\left(\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_o}\right)$ 其中：d_o为丝杠中径，

$g=\sqrt{1-\frac{4f_x^2}{d_o^2}}$

$f_x=\frac{\mathrm{fl}-9}{2\sin \left(\mathrm{ef}\right)}$ 其中：fl为回珠器长，

$\mathrm{ef}=\frac{\mathrm{\π}}{2}+k-\arcsin \left[\frac{L}{\mathrm{fl}}\cos \left(k\right)\right]$

L为导程

$w=1-\frac{1}{\mathrm{\π}}\arcsin \left(\frac{2f_x}{d_o}\right)$

产品加工过程中，在计算整个回珠槽的空间曲线时，以x为变量，通过电脑编写计算程序，就可以得出曲线坐标值，将坐标值输入数控铣床即可加工出五次抛物线回珠器。

与现有技术相比，本发明所述滚珠丝杠副产品具有的优点是：

一、回珠器上回珠槽曲线采用五次抛物线设计，对滚珠钢球的冲击力起到了逐步卸载的作用，使钢球在反向时更加平顺流畅；另外，回珠器采用优质合金钢制造，并淬火到C60，这样也就使回珠器更不容易被损坏，延长了整个丝杠副的使用寿命；

二、由于螺母内滚珠钢球是一圈一个循环，从而使得一个循环内钢球的数量可以达到最少，使滚珠丝杠副的传动效率得以提高，达到98％以上，可保证螺母在高速旋转时不至于被楔死，确保了滚珠丝杠副的高速运转；

三、将回珠器均匀布在螺母的外圆周上，使螺母旋转时重心一致，无偏重，保证了丝杠的受力均匀和传动的稳定性，进而也保证了整个进给系统的工作稳定性。

附图说明

图1是目前公知技术中外循环插管式滚珠丝杠副的结构示意图。

图2是图1所示滚珠丝杠副导珠管部分的侧向工作结构视图。

图3是目前公知技术中端盖循环式滚珠丝杠副的结构示意图。

图4是本发明一个具体实施例的结构示意图。

图5是本发明中回珠器上回珠槽的空间曲线形状示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

参见图4和图5，本发明所述的滚珠丝杠副包括丝杠1、螺母2、滚珠钢球3和回珠器4等零件，螺母2套装在丝杠1上，在螺母2的内侧和丝杠1的外侧分别设有相适配滚道槽，滚珠钢球3装在由丝杠1和螺母2的螺旋滚道槽组合形成的钢球螺旋滚道内，在螺母2圆周上均匀分布开设有数量与螺母滚道槽圈数相等的椭圆形安装槽孔，在每个安装槽孔内各装有一个椭圆形回珠器4，在椭圆形回珠器4的内壁上设有如图5所示的五次抛物线钢球回珠槽41，该回珠槽41的两端分别与螺母2上两相邻圈螺旋滚道槽连通，构成一个封闭的钢球循环链。丝杠副工作时，每一圈的钢球3经过回珠器4上回珠槽41通道的导向，翻越丝杠表面从而形成一个动态循环回路。本实施例中未涉及的滚珠丝杠副的其它部分与现有技术相同。附图5中的Z轴方向为垂直纸面向内方向。

经本发明设计者对产品做出的试用结果，按上述方案设计的50X50的高速滚珠丝杠副，其最高进给速度可达到80m/min。

Claims (2)

1.一种具有五次抛物线回珠器的滚珠丝杠副，由丝杠(1)、螺母(2)、滚珠钢球(3)和回珠器(4)组成，螺母(2)套装在丝杠(1)上，在螺母(2)的内侧和丝杠(1)的外侧分别设有螺旋圈数为N的滚道槽，滚珠钢球(3)装在由丝杠(1)和螺母(2)的螺旋滚道槽组成的钢球螺旋滚道内，其特征是在螺母(2)圆周上均匀分布开设有数量与螺母滚道槽圈数相等的安装槽孔，在安装槽孔内各装有一个回珠器(4)，在回珠器(4)的内壁上设有钢球回珠槽(41)，所说回珠槽(41)的两端分别与螺母(2)上两相邻圈螺旋滚道槽连通，回珠槽(41)的槽形轨迹曲线满足五次抛物线方程

$\left[\begin{array}{c}x=x\\ y=\mathrm{ax}+b{x}^3+c{x}^5\\ z=p\×\cos \left({\sin }^{-1}\frac{x}{p}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

(1)式中，x、y、z分别为回珠槽沿长向、宽向、深向的坐标轴，p为丝杠中心到钢球中心深度值，a、b、c为五次抛物线系数，该抛物线系数根据以下的推导式得出

$\left[\begin{array}{c}a=a_1+a_2+a_3\\ b=b_1-b_2-b_3\\ c=c_1+c_2+c_3\end{array}\right.---\left(2\right)$

(2)式中：

$a_1=-\frac{f_x^2\mathrm{tg}\left(k\right)}{2d_o^2\×g^3}---\left(3\right)$

$a_2=\frac{7\mathrm{tg}\left(k\right)}{8g}---\left(4\right)$

$a_3=\frac{15\mathrm{Lw}}{16f_x}---\left(5\right)$

$b_1=\frac{\mathrm{tg}\left(k\right)}{d_o^2\×g^3}---\left(6\right)$

$b_2=\frac{5\mathrm{tg}\left(k\right)}{4g\×f_x^2}---\left(7\right)$

$b_3=\frac{5\mathrm{Lw}}{8f_x^3}---\left(8\right)$

$c_1=-\frac{\mathrm{tg}\left(k\right)}{2d_o^2\×g^3\×f_x^2}---\left(9\right)$

$c_2=\frac{3\mathrm{tg}\left(k\right)}{8g\×f_x^4}---\left(10\right)$

$c_3=\frac{3\mathrm{Lw}}{16f_x^5}---\left(11\right)$

(3)～(11)式中：

$k=\mathrm{arctg}\left(\frac{1}{\mathrm{\π}{d}_o}\right)$ 其中：d_o为丝杠中径，

$g=\sqrt{1-\frac{4f_x^2}{d_o^2}}$

$f_x=\frac{\mathrm{fl}-9}{2\sin \left(\mathrm{ef}\right)}$ 其中：fl为回珠器长，

$\mathrm{ef}=\frac{\mathrm{\π}}{2}+k-\arcsin \left[\frac{L}{\mathrm{fl}}\cos \left(k\right)\right]$

L为导程

$w=1-\frac{1}{\mathrm{\π}}\arcsin \left(\frac{2f_x}{d_o}\right).$

2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副，其特征是在螺母(2)圆周上均匀分布开设有数量与螺母滚道槽圈数相等的椭圆形安装槽孔，在安装槽孔内各装有一个椭圆回珠器(4)。

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