CN102022499A - 三维高速返向器 - Google Patents

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刘建佐
王向东
张广明
郑兴民
刘丹
高艳玲
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H25/00—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms
    • F16H25/18—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
    • F16H25/20—Screw mechanisms
    • F16H25/22—Screw mechanisms with balls, rollers, or similar members between the co-operating parts; Elements essential to the use of such members
    • F16H25/2204—Screw mechanisms with balls, rollers, or similar members between the co-operating parts; Elements essential to the use of such members with balls
    • F16H25/2214—Screw mechanisms with balls, rollers, or similar members between the co-operating parts; Elements essential to the use of such members with balls with elements for guiding the circulating balls
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Abstract

三维高速返向器，返向器(1)设置在螺母(2)内，与螺母(2)相配有丝杠(3)，螺母(2)与丝杠(3)之间设置有滚珠(4)，返向器(1)内设置有滚珠入口(5)和出口(6)，在滚珠入口(5)和出口(6)之间设置有返向通道(7)，返向通道(7)的返向回珠曲线(8)为三维空间曲线，所对应的向量值函数是可导的，且其导数是连续的，同时返向回珠曲线(8)的圆弧段在返向器(1)尺寸允许的范围内，其曲率半径取最大值，返向回珠曲线(8)在滚珠入口(5)和出口(6)处，与滚珠丝杠副螺旋线(9)重合。本返向器结构巧妙，设计合理，返向回珠曲线无尖点，可保证滚珠在运动过程中动作流畅，噪音低、发热量小等优点。

Description

三维高速返向器
技术领域
本发明涉及一种三维曲线式内循环滚珠丝杠副返向器，滚珠返向曲线光滑、无尖点，滚珠返向运动流畅、可靠、噪音低、发热小，是一种适用于高速应用场合的三维曲线式返向器。
背景技术
滚珠丝杠副是丝杠和螺母间以滚珠为滚动体，丝杠旋转通过滚珠驱动螺母作直线运动，或螺母直线运动通过滚珠驱动丝杠作旋转运动的传动部件。滚珠沿着丝杠和螺母形成的螺纹滚道运动，当滚珠运动到一定位置时，通过返向器，滚珠即可回到起始位置，实现无限循环。对于内循环滚珠丝杠副来说，滚珠在螺纹滚道中运动接近一周的时候，滚珠进入返向器通道，并在返向器通道内，翻过丝杠牙顶，返回到起始位置。返向器在滚珠返向的过程中起着非常关键的作用，滚珠在返向通道中的运动、受力状态都是由返向器回珠曲线决定的。若曲线有尖点、曲率半径过小或设计误差过大，将会严重影响滚珠运动的流畅性和高速性能，这也是影响内循环滚珠丝杠副性能的重要因素。因此现在需要一种可以提高内循环滚珠丝杠副运转流畅性和转速，同时大幅降低产品的噪音、发热、发卡等现象的新型内循环返向器。
发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的上述不足，提出一种结构巧妙，设计合理，返向回珠曲线无尖点，可保证滚珠在运动过程中动作流畅，噪音低、发热小的三维曲线式高速回珠返向器。
本发明的具体解决方案是：一种三维高速返向器，返向器1设置在螺母2内，与螺母2相配有丝杠3，螺母2与丝杠3之间设置有滚珠4，其特征在于：所述的返向器1内设置有滚珠入口5和出口6，在滚珠入口5和出口6之间设置有返向通道7，返向通道7的返向回珠曲线8为三维空间曲线，所对应的向量值函数是可导的，且其导数是连续的，同时返向回珠曲线8的圆弧段在返向器（1）尺寸允许的范围内，其曲率半径取最大值，返向回珠曲线8在滚珠入口5和出口6处，与滚珠丝杠副螺旋线9重合。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
该返向器设计巧妙，结构合理，由于其返向回珠曲线处处光滑、无尖点，可以保证滚珠的运动过程平稳、流畅，能够避免发卡、噪音高、发热大等现象；并且返向回珠曲线的曲率半径在返向器尺寸允许范围内取最大值，因此丝杠转速相同的情况下，运动中的滚珠对返向器的冲击最小；同时滚珠入口和出口处，返向回珠曲线与滚珠丝杠副螺旋线相切，因此滚珠在进入和滚出返向器时过渡平稳，能实现高速运动。
附图说明
图1是本发明实施例的使用状态图。
图2是本发明实施例滚珠运动过程的示意图。
图3是本发明实施例确定返向回珠曲线的示意图。
图4是本发明实施例返向回珠曲线在xoy平面的投影示意图。
图5是本发明实施例返向回珠曲线在xoz平面的投影示意图。
具体实施方式
下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1、图2、图3所示：一种三维曲线式高速回珠返向器，它主要应用在相配的螺母2与丝杠3上，螺母2与丝杠3之间设置有滚珠4，返向器1就安装在螺母2内部；返向器1上设置有滚珠入口5和滚珠出口6，在滚珠入口5和滚珠出口6之间设置有返向通道7，返向通道7的中心线为返向回珠曲线8，这条返向回珠曲线8所对应的向量值函数是可导的，并且其导数是连续的，也就是说这条曲线是一条不间断的光滑曲线；同时返向回珠曲线8的各圆弧段在返向器1尺寸允许的范围内，其曲率半径取最大值，这样可以保证滚珠4在返向通道7内运动时，对返向器的冲击最小；返向回珠曲线8在滚珠入口5和出口6处，与滚珠丝杠副螺旋线9的一部分重合，这种结构能够保证滚珠4在进入和滚出返向通道的过程中，运动的平稳性和流畅性。
在实际使用时，根据滚珠丝杠副承载需求，将多个本结构的返向器1安装在螺母2的孔内，每个返向器跨一个导程的距离。
满足上述条件的返向回珠曲线8的求解方式如下：
首先确定滚珠丝杠副螺旋线9，在空间直角坐标系中，如图2所示，以滚珠螺纹螺旋线中心轴线为y轴，建立螺旋线的参数方程，如下：
                                                         
Figure 80639DEST_PATH_IMAGE002
                                （1）
其中，d 0 ：滚珠丝杠中径；
      P h ：滚珠丝杠导程。
第二，做准线在xoy平面内的柱面曲面α，柱面曲面α的母线平行于z轴。α的准线如图4所示，在xoy平面内α的准线关于原点对称，所以只需研究准线在第一象限的部分。第一象限中准线由三部分构成，第一部分AC段为滚珠丝杠副螺旋线在xoy平面内的投影；第二部分CE段为圆弧；第三部分EO段为直线。三段曲线是相切的。第一部分螺旋线投影段可保证滚珠在丝杠和螺母的滚道中平稳地通过返向器与螺母的接口。第二部分为圆弧，圆弧与螺旋线投影相切，其半径在返向器尺寸允许的范围内取最大值。这与现有技术相比，圆弧的曲率半径增大了30%左右。因为曲率半径与法向加速度成反比，所以在丝杠转速不变，滚珠质量相同的情况下，曲率半径与法向力成反比：即半径越大，滚珠对返向器冲击力越小。所以准线为大曲率半径的返向器比准线是小曲率半径的返向器耐冲击性能更好，速度也可以更高。
第三，回珠曲线起点坐标的计算。总体方法是先算x坐标和y坐标，然后将x坐标和y坐标代入（1）式，即可得到z坐标。在xoy平面内，如图4所示，曲线起点用符号A表示。A点是螺旋线投影与返向器外形圆弧部分的交点，求A点坐标前，先缩小A点的范围，以便求解。由返向器外形设计中可以知道外形圆弧方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
                           （2）
其中a、b为圆心坐标，R为圆弧半径，a、b、R均为已知参数。圆弧顶部象限点为Q（a，（R+b）），圆弧右边象限点为P（（R+a），b）。将点P的x坐标（R+a）代入（1）式，可得螺旋线在在xoy平面内对应点P’的坐标，可得y P’＞ y P ，即A点在圆的上半部分。从图4可知， A点x坐标的范围x Q＜ x A ＜x P，y坐标的范围y P＜ y A ＜y Q，即A点在PQ之间。由初始条件可知，A点在螺旋线上的范围是（π/2＜θ＜π）。
综上，A点的坐标为如下方程组的解。
Figure 374611DEST_PATH_IMAGE004
  
Figure DEST_PATH_IMAGE005
               （3）
由（3）式可得
Figure DEST_PATH_IMAGE007
             （4）
方程（4）等式左端部分记作f(x)，则方程（4）可写成f(x)=0。而方程f(x)=0的实根在几何上表示函数y= f(x)与x轴交点的横坐标。则可以用二分法求出方程（4）的近似根x A。
二分法重复次数越多计算精度越高，重复25次时，x A的误差小于0.000001mm。这个精度要远远高于传统的返向器的精度，它可以保证返向器1与螺母滚道接口完全对正，避免丝杠在转动时不流畅或发卡。
然后可以求出y A、z A。
第四，做准线在xoz平面内的柱面曲面β，柱面曲面β的母线平行于y轴。β的准线如图5所示，在xoz平面内关于z轴对称，所以只需研究第一象限部分。在做xoz平面内的准线前需要先求出滚珠运动过程中的下边界，即滚珠紧贴着丝杠牙运动时滚珠中心的曲线。返向器回珠曲线必须大于下边界，这样才能保证滚珠运动过程中不发生干涉。返向器回珠曲线下边界可根据滚道截面轮廓计算。然后在距离下边界0~0.2mm的位置处设置准线，如图5所示，第四象限中准线由三部分构成。第一部分AB段为螺旋线在xoz平面内的投影，这保证了滚珠能平稳地通过返向器与螺母的接口。第二部分BD段为圆弧，圆弧与螺旋线投影相切于B点。第三部分DF段为圆弧，DF与BD相切于D点，DF的圆心在z轴上。该准线两端为螺旋线投影，与螺旋线投影相切的圆弧逐渐将准线过渡到下边界之外约0.2mm处，这样整个准线是光滑的，没有突变的尖点。
返向回珠曲线8便是由通过上述步骤确定的两个柱面曲面α和β相交而成的空间曲线。
由上述步骤可以看出，整个返向回珠曲线8是在三维空间内连续且光滑的曲线。曲线包含两段螺旋线，分别分布于返向器两端（滚珠入口5和滚珠出口6处）。

Claims (1)

1.一种三维高速返向器，返向器（1）设置在螺母（2）内，与螺母（2）相配有丝杠（3），螺母（2）与丝杠（3）之间设置有滚珠（4），其特征在于：所述的返向器（1）内设置有滚珠入口（5）和出口（6），在滚珠入口（5）和出口（6）之间设置有返向通道（7），返向通道（7）的返向回珠曲线（8）为三维空间曲线，所对应的向量值函数是可导的，且其导数是连续的，同时返向回珠曲线（8）的圆弧段在返向器（1）尺寸允许的范围内，其曲率半径取最大值，返向回珠曲线（8）在滚珠入口（5）和出口（6）处，与滚珠丝杠副螺旋线（9）重合。
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