滚珠丝杠副的结构设计与分析专业创新实践开题报告
专业创新实践
题 目：滚珠丝杠副的结构设计与分析
一、研究目的、意义和国内外研究现状及发展趋势
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1.1 研究目的与意义
在许多自动化机械设备中，大多数情况下除了要求直线进给系统具有较高的精度
外，还需要进给系统能够在工作行程中实现任意点的停留，且可以非常灵活地改变进
给系统的运动速度，而一般的直线进给系统只能在两点间定位，不能根据需要在运动
过程中实现任意点的停留，且运动速度不能够灵活的变化。为了解决上述问题，满足
市场的要求，生产厂家通过电机与滚珠丝杠副的结合，解决了上述问题，电机作为驱
动部件，具有启动、停止和速度控制十分方便的优点，滚珠丝杠副与直线导轨作为导
向部件，可以将电机输出的旋转运动转化为进给系统的直线运动。正是因为滚珠丝杠
副具有上述特点，所以滚珠丝杠副被广泛应用于数控机床、自动化加工中心、电子精
密机械进给机构、伺服机械手、工业装配机器人、医疗设备等领域。
随着科学技术的快速发展，对数控机床所加工的零件的精度要求越来越高，因
此，为了达到零件的精度要求，数控机床的加工精度也必须得到提高。作为数控机床
进给系统中十分重要的部件，滚珠丝杠副的各项性能直接影响数控机床的加工精度。
现在数控机床的进给速度越来越快，传统的进给系统中，电机所输出的旋转运动需要
经过联轴器、丝杠、螺母、螺母支架、导轨等环节才能转化为工作台的直线移动，由
于经过的中间环节较多，所以整个进给系统的刚度就会下降。进给系统刚度的降低会
导致数控机床加工精度的下降，因此，为了提高数机床的加工精度，就有必要提高进
给系统的刚度。滚珠丝杠副是机床进给系统中刚度最为薄弱的环节，滚珠丝杠副的轴
向接触变形和刚度对机床进给系统的刚度影响最大，所以有必要对滚珠丝杠副的轴向
接触形变和刚度进行深入研究。为了减小滚珠丝杠副的轴向接触变形，提高丝杠副的
刚度，本文以某数控车床进给系统所使用的 20-10T3 型滚珠丝杠副为研究对象，建立
滚珠丝杠副的轴向接触变形和刚度的理论模型，并利用 MATLAB 软件对影响滚珠丝杠
副轴向接触变形和刚度的结构参数进行优化设计，最后应用 ANSYS Workbench 软件
对优化前后滚珠丝杠副的变形和刚度进行验证，为滚珠丝杠副的优化设计提供一定的
理论参考。
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1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.2 国内外研究成果
国外对于滚珠丝杠副的研究比较早，所做的研究出的成果也比较多，研究的范围
比较广泛且研究的内容比较深入，所研究的主要内容为：滚珠丝杠副的接触力学、形
变、刚度、升温、摩擦、振动、运动学与模态动力学等。所以，我们要充分利用国外
的研究成果，在他们所研究的基础上，做进一步的研究，最终目的就是要提高滚珠丝
杠副的各项性能。Yoshida T 等人基于滚道控制理论，对滚珠丝杠副中滚珠的受力和
运动规律进行深入的研究，研究所得出的成果在计算滚珠丝杠副效率方面有较好的应
用；日本学者 Nakashima 及 Takafuj 等人基于 Hertz 理论对滚珠丝杠副的轴向变形
和刚度进行较深入的研究，研究结果对计算滚珠丝杠副的变形和刚度有一定的参考作
用；Chen Y 等人对滚珠丝杠副中的接触角进行了研究，并指出参数误差对工作过程中
滚珠丝杠副接触角的改变有一定的影响；海德汉公司从滚珠丝杠副进给系统的结构布
置、进给系统在工作工程中的变形、支撑丝杠所选用的轴承以及丝杠不同点的温度分
布等方面对滚珠丝杠副进给系统的定位精度进行探究，研究结果对提高工作丝杠副进
给系统的定位精度有一定的作用；美国学者 Lin.M.C 在前人的研究基础上，对滚珠丝
杠副的静动态特性、丝杠副在运行过程中的传动效率、
接触应力等问题进行了研究，并建立了一种新形式的滚珠丝杠副的变形理论模
型，
为丝杠副的优化设计提供了一定的理论参考；R.Katz 等人通过研究发现影响滚珠
丝杠副动态特性的因素一方面是给定丝杠副的轴向进给速度，令一方面是施加在丝杠
副上旋转和移动的负载，并且基于 Rayleigh-beam 理论建立了滚珠丝杠副的旋转模
型；Chin Chung Wei等人经过研究发现滚珠丝杠副在运行过程中，螺母与滚珠接触所
形成的接触角要小于丝杠与滚珠接触所形成的接触角，并且随着丝杠转速的逐渐增
加，丝杠中的接触角会逐渐变大，但是螺母中的接触角会逐渐变小。增加丝杠的转
速，可以使螺母、丝杠与滚珠接触所产生的变形减小，而且滚珠丝杠副的刚度会随着
工作载荷的增大而增大。在外界条件相同时，螺母与滚珠间的摩擦系数与丝杠和滚珠
间的摩擦系数相比，螺母的摩擦系数要小于丝杠的摩擦系数。A.Dadalau M 等人经过
长期的研究，对滚珠丝杠副刚度的计算方法有了一定的突破，研究出一种有效的方法
来计算滚珠丝杠副的刚度；Xuesong Mei等人对滚珠丝杠副所受载荷的分布问题进行
了研究，得到了载荷分布的规律，并应用此规律对丝杠几何误差对滚珠所受外部载荷
的影响进行了优化，而且还研究了外部载荷对滚珠丝杠副刚度的影响；Hsieh M F等
人对滚珠丝杠副中滚珠所受到的法
国内对滚珠丝杠副机构的研究工作开展的比较晚，所研究的内容也不是特别全
面，但是经过国内专家、学者对滚珠丝杠副进行长期的研究，也取得了许多成果。程
光仁、施祖康等人经过长期对滚珠丝杠副进行研究，对滚珠丝杠副进行了系统全面的
介绍；山等人基于 Hertz 接触理论，对滚珠丝杠副在外部载荷的作用下所出现的变
形进行了研究，并且分析了螺旋角以及接触角对滚珠丝杠副轴向变形的影响，最后通
过有限元分析结果与理论分析结果进行对比，验证了理论分析结果的正确性；吉林大
学的吴长宏通过对滚珠丝杠副进行研究，建立了滚珠丝杠副的轴向接触变形和刚度的
理论模型，
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专业创新实践题目：滚珠丝杠副的结构设计与分析一、研究目的、意义和国内外研究现状及发展趋势11.1研究目的与意义在许多自动化机械设备中，大多数情况下除了要求直线进给系统具有较高的精度外，还需要进给系统能够在工作行程中实现任意点的停留，且可以非常灵活地改变进给系统的运动速度，而一般的直线进给系统只能在两点间定位，不能根据需要在运动过程中实现任意点的停留，且运动速度不能够灵活的变化。为了解决上述问题，满足市场的要求，生产厂家通过电机与滚珠丝杠副的结合，解决了上述问题，电机作为驱动部件，具有启动、停止和速度控制十分方便的优点，滚珠丝杠副与直线导轨作为导向部件，可以将电机输出的旋转运动转化为进给系统的直...
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作者：闻远设计
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