CN104565252A - 一种预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副 - Google Patents

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Abstract

一种预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副，包括丝杠和两个丝杠螺母，两个丝杠螺母均连接在丝杠上；其中个丝杠螺母上设置有预紧螺母，另个丝杠螺母与预紧螺母之间连接有沿周向均匀分布的超磁致伸缩致动器，每个超磁致伸缩致动器的端设置个力传感器。预紧螺母用于设置双螺母滚珠丝杠副的初始预紧力，该预紧力的大小限定在负载的三分之。该双螺母滚珠丝杠副采用超磁致伸缩棒的伸缩来增大或减小丝杠和两个螺母之间的预紧力，实现了滚珠丝杠自动预紧，安全可靠，提高了滚珠丝杠副传动的精度保持性和可靠性。

Description

一种预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副
技术领域
本发明涉及一种预紧力可以调控的双螺母滚珠丝杠副，属于滚珠丝杠副技术领域。
背景技术
制造业是是增强国家竞争力的基础。滚珠丝杆副作为数控机床的重要功能部件，其性能的优劣直接影响数控机床的整体水平。随着数控机床的高速化、高精度化，对滚珠丝杆副的精度性能指标提出了越来越高的要求。滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外,对其轴向间隙也有严格的要求,以保证其返向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用双螺母预紧的方法,把弹性变形控制在最小限度内,以减小或消除轴向间隙,并提高滚珠丝杠副的刚度。
按照轴向间隙调整与预紧方法主要分为四类,分别是双螺母螺纹预紧调隙式、双螺母垫片预紧调隙式、双螺母齿差式预紧调隙式、弹簧式自动调整预紧调隙式。
双螺母螺纹预紧调隙式结构,通过一个带螺纹的预紧螺母和一个圆螺母固定。调整时通过旋转圆螺母然后用预紧螺母锁紧产生一定的轴向预紧力,从而消除轴向间隙。其特点是结构简单、刚性好、预紧可靠,但是精度一般。
双螺母齿差式预紧调隙式结构,两个螺母的两端是两个齿数差一的圆柱齿轮,通过两个内齿轮与上述齿轮啮合,并用螺钉和定位销固定在套筒上。调整时先取下两端的内齿轮,当两个螺母相对于套筒同一个方向转动同一齿固定后,一个滚珠螺母相对于另一个产生相对位移并产生预紧力进而消除轴向间隙。其特点是可以实现精确的定量调整,工作可靠,调整方便,但是加工和装配工艺复杂。
滚珠丝杠的预紧力是滚珠丝杠中产生丝杠摩擦力矩的主要参数，对螺母施加预紧力，可以提高滚珠丝杠副的轴向刚度和定位精度。另外，高加速起、停以及外部负载变化、温度变化等因素，要求滚珠丝杠副预紧力也要能实时调整以保证滚珠丝杠副传动具有较高的动力学性能，提高滚珠丝杠副传动的精度保持性和可靠性。
中国专利文献CN203656087U公开的《预紧力可精确调整的双螺母滚珠丝杠副》，包括丝杠、主螺母、双头螺柱型压力传感器、预紧垫片、预紧螺母、副螺母、压力传感器采集设备、计算机，主螺母与副螺母之间沿周向均匀布置若干个双头螺柱型压力传感器，每个双头螺柱型压力传感器的左、右端螺柱通过预紧垫片、预紧螺母分别与主螺母右边的法兰和副螺母左边的法兰联结，每个双头螺柱型压力传感器通过压力传感器采集设备连接计算机。双头螺柱型压力传感器数量为3-6个。该双螺母滚珠丝杠副虽然能够实现双螺母滚珠丝杠副预紧力的精确调整，但是并不能实现自动调整。
发明内容
本发明针对现有滚珠丝杠副预紧技术存在的不能精确反映和调整预紧力的大小等不足，提供一种可靠高效、能够满足高性能机械传动要求的预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副。该双螺母滚珠丝杠副能够根据滚珠丝杠副的外加负载等影响轴向间隙的因素，自动调整预紧力的大小，以减少或消除间隙，提高传动精度。
本发明的预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副，采用如下技术方案：
该双螺母滚珠丝杠副，包括丝杠和两个丝杠螺母，两个丝杠螺母均连接在丝杠上；其中一个丝杠螺母上设置有预紧螺母，另一个丝杠螺母与预紧螺母之间连接有沿周向均匀分布的超磁致伸缩致动器，每个超磁致伸缩致动器的一端设置一个力传感器。预紧螺母用于设置双螺母滚珠丝杠副的初始预紧力，该预紧力的大小限定在丝杠所受负载的三分之一。
所述超磁致伸缩致动器，包括导磁外壳、激励线圈、线圈架和超磁致伸缩棒，线圈架内安装有超磁致伸缩棒，顶杆设置在超磁致伸缩棒的一端，激励线圈缠绕在线圈架上，超磁致伸缩棒处于激励线圈内，激励线圈的外部套装有套筒(以利于导磁)，顶杆伸出该套筒与所述力传感器连接。
线圈架与两个丝杠螺母之间设置有隔热层。套筒的端部与顶杆之间设置有弹簧，以保证超磁致伸缩棒的伸缩性能。
超磁致伸缩致动器中的激励线圈通过可控恒流源和数字模拟转换器(DAC)与微处理器连接，力传感器通过模拟数字转换器(ADC)与微处理器连接。
启动作业后，由力传感器实时测量丝杠与丝杠螺母之间预紧力的大小，若与设定的预紧力要求有偏差，则通过微处理器调节可控恒流源的输出电流，即调节激励线圈的电流大小，进而调节驱动磁场大小，驱动磁场的变化又使得超磁致伸缩棒产生伸长或缩短，从而对预紧力偏差进行补偿，实现预紧力的调控。
本发明采用超磁致伸缩棒的伸缩来增大或减小丝杠和两个螺母之间的预紧力，实现了滚珠丝杠自动预紧的目标，为提高机械传动的精度提供了技术保障。该装置安全可靠，实现了滚珠丝杠预紧的自动化调整，保证了滚珠丝杠副传动具有较高的动力学性能，提高了滚珠丝杠副传动的精度保持性和可靠性。
附图说明
图1是本发明预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副的整体结构示意图。
图2是本发明中超磁致伸缩致动器的结构示意图。
图3是本发明的预紧力控制原理示意图。
图中：1、丝杠，2、A丝杠螺母，3、B丝杠螺母，4、超磁致伸缩致动器，5、预紧螺母，6、力传感器，7、平键，8、套筒，9、弹簧，10、顶杆，11、激励线圈，12、线圈架，13、B端盖，14、超磁致伸缩棒，15、隔热层，16、A端盖。
具体实施方式
本发明的预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副，如图1所示，包括丝杠1和两个丝杠螺母(A丝杠螺母2和B丝杠螺母3)，两个丝杠螺母均连接在丝杠上。其中的B丝杠螺母3上设置有两个圆形的预紧螺母5。A丝杠螺母2与预紧螺母5之间连接有沿周向均匀分布的超磁致伸缩致动器4(图1中设置有三个，间隔120°均匀分布)，每个超磁致伸缩致动器4的一端与A丝杠螺母2之间设置一个力传感器6。超磁致伸缩致动器4的数量可以根据丝杠1的外径大小及所受负载确定。力传感器6采用压电式力传感器，用于及时获取预紧力的大小。预紧螺母5连接在B丝杠螺母3上，用于设置双螺母滚珠丝杠副的初始预紧力。
超磁致伸缩致动器的结构如图2所示，包括套筒8、A端盖16、B端盖13、弹簧9、顶杆10、激励线圈11、线圈架12和超磁致伸缩棒14。线圈架12内安装有超磁致伸缩棒14，超磁致伸缩棒14的一端设置有顶杆10，为保持测力的均匀和准确，每个超磁致伸缩致动器通过顶杆10与对应的力传感器6连接。激励线圈11缠绕在线圈架12上，超磁致伸缩棒14处于激励线圈11内。激励线圈11的外部套装有套筒8，套筒8的两端分别设置有A端盖16和B端盖13。A端盖16与顶杆10之间设置有弹簧9，采用碟簧，以保证超磁致伸缩棒14伸缩性能。
线圈架12与A丝杠螺母2和B丝杠螺母3之间设置有隔热层15，以此降低激励线圈11产生的热量对整个双螺母滚珠丝杠副的影响，提高滚珠丝杠预紧的精度。隔热层15与A丝杠螺母2和B丝杠螺母3之间设置有平键7。
本发明实现预紧力可调控的过程如下所述：
转动预紧螺母5，使A丝杠螺母2和B丝杠螺母3压紧，在两个丝杠螺母与丝杠1之间形成初始的预紧力，该预紧力的大小一般限定在丝杠所受负载的三分之一左右。由于滚珠丝杠副加速启停，或外加负载使得丝杠螺母之间的预紧力大小发生变化，为了适应这一变化，预紧力的大小需要自动调整。调控过程如图3所示。启动作业后，力传感器6实时测量丝杠1与两个丝杠螺母间力的大小，并通过AD转换器(模数转换器)送至微处理器，微处理器与设定的预紧力比较，若有偏差，则微处理器通过DA转换器(数模转换器)控制可控恒流源，可控恒流源输出的电流驱动超磁致伸缩致动棒14伸长或缩短，从而对预紧力偏差进行补偿，实现双螺母滚珠丝杠副预紧力的调控。

Claims (6)

1.一种预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副，包括丝杠和两个丝杠螺母，两个丝杠螺母均连接在丝杠上；其特征是，其中一个丝杠螺母上设置有预紧螺母，另一个丝杠螺母与预紧螺母之间连接有沿周向均匀分布的超磁致伸缩致动器，每个超磁致伸缩致动器的一端设置一个力传感器。
2.根据权利要求1所述的预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副，其特征是：所述预紧螺母用于设置双螺母滚珠丝杠副的初始预紧力，该预紧力的大小限定在丝杠所受负载的三分之一。
3.根据权利要求1所述的预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副，其特征是：所述超磁致伸缩致动器包括导磁外壳、激励线圈、线圈架和超磁致伸缩棒，线圈架内安装有超磁致伸缩棒，顶杆设置在超磁致伸缩棒的一端，激励线圈缠绕在线圈架上，超磁致伸缩棒处于激励线圈内，激励线圈的外部套装有套筒，顶杆伸出该套筒与所述力传感器连接。
4.根据权利要求3所述的预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副，其特征是：所述线圈架与两个丝杠螺母之间设置有隔热层。
5.根据权利要求3所述的预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副，其特征是：所述套筒的端部与顶杆之间设置有弹簧。
6.根据权利要求1所述的预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副，其特征是：所述超磁致伸缩致动器中的激励线圈通过可控恒流源和数字模拟转换器与微处理器连接，力传感器通过模拟数字转换器与微处理器连接。
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