CN103807399B - 一种滚珠丝杠多圆弧端塞反向器 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的端塞反向器，通过优化反向器回珠曲线，提高了滚珠通过反向器的流畅性，降低了滚珠丝杠副的振动与噪声，提高了滚珠丝杠副的综合性能。本多圆弧端塞反向器的特征在于包括：反向器入口滚道（101）；多个圆弧滚道（102、103、104），其入口端与反向器入口滚道（101）相切；反向器出口滚道（105），其入口与所述多个圆弧滚道（102、103、104）的出口相切。

Description

一种滚珠丝杠多圆弧端塞反向器
技术领域
本发明涉及高性能滚动功能部件领域。尤其涉及一种新型多圆弧端塞滚珠反向器。
背景技术
高性能滚珠丝杠副是高档数控机床的关键滚动功能部件。高性能滚珠丝杠副需要拥有比普通丝杠的更流畅的滚珠回珠方式。为适应高性能滚珠丝杠副的发展需要，必须开发和优化新型反向器。
滚珠丝杠副反向回珠曲线是影响滚珠丝杠副性能的关键因素。反向器的优劣直接影响到滚珠丝杠副的噪声，振动，温升，使用寿命和丝杠最大进给速度。目前端塞反向器属于流畅型反向器，适合低噪声，低温升，高速滚珠丝杠副。但端塞反向器回珠线型的设计主要是采用经验设计。因此，需要对反向器的回珠曲线进行优化，以达到更高性能的滚珠丝杠副的设计要求，提高滚动功能部件的性能。
传统的反向器只是单圆弧滚道，其回珠曲线如图3所示，即传统的反向器回珠滚道包括反向器入口滚道、单圆弧滚道、反向器出口滚道，其不能根据滚珠在反向器内的碰撞力变化随意调节圆弧半径，无法在降低碰撞力的同时缩短回珠曲线长度。
发明内容
本发明针对现有的端塞反向器的不足，提供了一种新型多圆弧端塞反向器结构方案，以适应高性能滚珠丝杠副的发展要求。新型多圆弧端塞反向器可以降低滚珠与反向器之间的碰撞力，拥有更短的回珠曲线，缩短滚珠通过反向器的时间，提高滚珠通过反向器的流畅性。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
根据研究表明滚珠与反向器的碰撞力大小与回珠曲线的圆弧半径成反比。 因此要降低滚珠与反向器之间的碰撞力需要增大圆弧半径。但这也会增加回珠曲线的长度，是反向器内的滚珠数目增加，导致摩擦阻力增加。为了平衡这一矛盾，提供了一种采用多段圆弧过渡回珠曲线的端塞反向器。多段圆弧通过改变圆弧半径，圆弧角度，使回珠曲线的设计变得更加灵活，从而得到更加流畅的反向器回珠曲线。回珠滚道由三段相切圆弧构成。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的多圆弧端塞反向器的结构示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的多圆弧端塞反向器的回珠曲线图。
图3是传统的反向器的单圆弧滚道的回珠曲线。
图4显示了根据本发明的一个具体实施例的优化多圆弧端塞反向器的回珠曲线。
图5是传统端塞反向器碰撞力的ADAMS仿真试验结果。
图6是根据本发明的实施例的端塞反向器碰撞力的ADAMS仿真试验结果。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
根据本发明的一个实施例的多圆弧端塞反向器的结构如图1和图2所示。根据本发明的多圆弧端塞反向器与传统反向器相比的区别主要在于回珠滚道结构形状的改进；根据本发明的多圆弧端塞反向器包括反向器入口滚道101、第一圆弧滚道102、第二圆弧滚道103、第三圆弧滚道104、反向器出口滚道105。反向器的回珠滚道结构形状是由反向器的回珠曲线决定的。根据本发明的多圆弧端塞反向器的回珠曲线如图2所示，其包括反向器入口曲线201、第一圆弧曲线202、第二圆弧曲线203、第三圆弧曲线204、反向器出口曲线205，分别与其回珠滚道相对应。各段曲线分别与两侧相邻的曲线相切。
本发明人进行了实验和理论分析，并确定，滚珠在进入反向器入口101处和第一圆弧滚道102、第二圆弧滚道103处与反向器的碰撞力较大，因此需要适当增大回珠曲线的圆弧半径，降低此处的碰撞力。在第三圆弧滚道104、反向器出口滚道105处碰撞力较小，可以适当减小回珠曲线圆弧半径。本新型多圆弧端塞反向器不仅可以降低滚珠与反向器的碰撞力，还可以缩短反向器的回珠曲线，使滚珠通过反向器的时间减少。
虽然从理论上说，所采用的圆弧数量越多，优化的效果越好，但是优化过 程也越繁复，可以在结果与效率之间采取合适的圆弧数。根据本发明的一个实施例中，采用三段圆弧过渡曲线优化端塞反向器的回珠曲线。其中，在降低滚珠与反向器的碰撞力同时，以反向器回珠曲线长度为优化目标，采用MATLAB进行有约束的非线性优化，得到三段圆弧的半径；在本发明的一个具体实例中，第一圆弧曲线202的圆弧半径为16.29mm，第二圆弧曲线203的圆弧半径为11,40mm，第三圆弧曲线204的圆弧半径为5mm。优化后得到三段圆弧的圆弧角，第一圆弧曲线202的圆弧角为21°，第二圆弧曲线203的圆弧角为45.9°，第三圆弧曲线204的圆弧角为28.7°。
把图2的本发明的反向器与图3的传统反向器的回珠曲线对比，图2的本发明的多圆弧端塞的回珠曲线总长度为27.65mm，图3的传统单圆弧端塞的回珠曲线的长度为29.14mm，可见本发明的反向器回珠曲线长度减小，反向器内滚珠数量减少，有利于减小摩擦阻力，提高传动效率。
根据本发明的端塞反向器能有效的降低滚珠与反向器的碰撞力，并使碰撞力更加均匀，有利于提高反向器的流畅性。使滚珠在端塞内运行更加平稳，有利于提高滚珠丝杠副的进给速度。
为验证新型多圆弧端塞反向器的性能，本发明人进行了ADAMS仿真试验，由于反向器内的每个滚珠运动状态，受力状态各不相同，因此要分析反向器内所有滚珠是比较复杂的，可以简化为模拟单个滚珠与反向器的碰撞，如果单个滚珠可以流畅通过反向器，可以认为多个滚珠通过反向器也会流畅。分别建立单个滚珠与普通端塞反向器，滚珠与新型多圆弧端塞反向器的接触模型，导入ADAMS中设定仿真参数，对比两种反向器的性能差距。
欲使DS4716型号的滚珠丝杠副直线进给速度达到60m/min，即1m/s的高速进给速度，可计算出此时的滚珠中心线速度V0=4.118m/s。在ADAMS中设置滚珠的初速度为4.118m/s，固定端塞。定义滚珠与反向器的碰撞参数，本申请中选用冲击函数定义接触。ADAMS中定义接触类型为solid-solid（实体与实体），在IMPACT函数中有如下几个关键参数：
1）刚度系数K：经过计算滚珠与反向器的接触刚度系数1.34×106N/mm2。
2）阻尼：指定接触材料的阻尼属性，ADAMS推荐值为刚度系数的1％。
3）切入深度：切入深度决定何时阻尼达到最大，本文中设定为0.01。
4）力指数：ADAMS金属与金属材料的推荐值为1.5。
5）库仑摩擦力：确定两构件之间的摩擦因数，本文设定静摩擦因数0.04，
动摩擦因数0.0369，静摩擦速度0.1mm/s，动摩擦速度10mm/s。
设定好接触副参数，采用交互式仿真设置，设置End Time=0.1s，Step=2000。积分器(Integrator)选择ADAMS中常用的刚性积分器GSTIFF，积分格式(Formulation)设定为I3，计算速度较快。设定积分误差(Error)的值为0.001，开始仿真计算。得到仿真结果后，运用ADAMS后处理工具得到碰撞力曲线图，如图5和图6分别所示。对比普通单圆弧端塞与优化后的多圆弧端塞的性能如下表1所示。
表1优化前后反向器性能对比
由上表可知，经过优化回珠曲线的长度变短，滚珠通过反向器的时间减少，优化前为0.0065s，优化后为0.005s，滚珠通过反向器的时间缩短了23%。对比碰撞力曲线图可知优化前的最大碰撞力为378N，优化后的最大碰撞力为255N，优化后的端塞反向器最大碰撞力降低32.5%，由公式可以计算出丝杠的极限移动速度可以提高17%左右。优化前的主要碰撞力波动范围在120～215N之间，优化后的主要碰撞力波动范围在150～180N之间，碰撞力波动降低64%，综合碰撞力明显变得比较均匀，平均碰撞力较优化前也下降了。碰撞力波动降低，碰撞过程更加平稳，有利于提高反向器的寿命和流畅性，改善滚珠在反向回路中的卡滞现象。
由此可见，根据本发明的端塞反向器，通过优化反向器回珠曲线，提高了滚珠通过反向器的流畅性，降低了滚珠丝杠副的振动与噪声，提高了滚珠丝杠副的综合性能。

Claims (1)

1.适用于DS4716型号的滚珠丝杠副的一种多圆弧端塞反向器，其特征在于包括：
反向器入口滚道(101)；
多个圆弧滚道(102、103、104)，其入口端与反向器入口滚道(101)相切；
反向器出口滚道(105)，其入口与所述多个圆弧滚道(102、103、104)的出口相切,
其中，
所述多个圆弧滚道(102、103、104)包括：
第一圆弧滚道(102)，其具有第一圆弧曲线(202)；
第二圆弧滚道(103)，其具有第二圆弧曲线(203)；
第三圆弧滚道(104)，其具有第三圆弧曲线(204)，
反向器入口滚道(101)具有反向器入口曲线(201)，反向器出口滚道(105)具有反向器出口曲线(205)，
反向器入口曲线(201)、第一圆弧曲线(202)、第二圆弧曲线(203)、第三圆弧曲线(204)、反向器出口曲线(205)分别与相邻的曲线相切，
第一圆弧曲线(202)的圆弧角为21°，第二圆弧曲线(203)的圆弧角为45.9°，第三圆弧曲线(204)的圆弧角为28.7°，
第一圆弧曲线(202)的曲率半径为16.29mm，第二圆弧曲线(203)的曲率半径为11,40mm，第三圆弧曲线(204)的曲率半径为5mm。
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