滚珠丝杠副加速性能退化寿命试验设计
机床高速滚珠丝杠轴承副的研发和测试技术
机床高速滚珠丝杠轴承副的研发和测试技术机床研究所高速副的结构设计及其需注意的事项。
介绍了高速滚珠丝杠副的综台行程误差、预紧转矩以及高速驱动动态特性(定位精度、温升、速度、加速度)的测量。
关键词：滚珠丝轴承杠副高速定位精度温升速度加速度测量现代制造技术的发展突飞猛进，一批又一批的高速应运而生。
它不仅要求有性能卓越的高速主轴，而且也对进给系统提出了很高的要求：(1)最大进给速度应达到40m/min或更高；(2)加速度要高，达到1g以上；(3)动态性能要好，达到较高的定位精度。
高速滚珠丝杠副是指能适应高速化要求(40 m／min以上)、满足承载要求且能精密定位的滚珠丝杠副，是实现数控机床高速化首选的传动与定位部件。
北京机床研究所在承担“九五”国家重点科技攻关项目“高速滚珠丝杠副测试技术及装置的开发研究”时，对高速滚珠丝杠副的结构、性能、制造技术、测量技术等进行了研究，并取得了阶段性成果。
该项研究成果荣获中国机械工业科学技术进步三等奖。
1 高速滚珠丝杠副轴承的结构设计滚珠丝杠副的驱动速度V＝Ph×N(Ph为导程，N为丝杠转速)，因此提高驱动速度的途径有两条：其一是提高丝杠的转速，其二是采用大导程。
提高转速N受do?N值的制约(do为滚珠丝杠的公称直径)。
国际上一般do?N≤70000。
据日本NSK公司介绍：该公司已将do?N值提高到153000。
N增大时，do必须减小，且过分提高转速会引起丝杠发热、共振等问题；d0太小也会造成系统刚性差、易变形、影响加工精度，且目前伺服的最高转速仅到4000 r／min。
导程Ph过大时，不仅增加了滚珠丝杠副的制造难度，精度难以提高，降低了丝杠副承载，而且也增加了伺服电动机的起动力矩。
因此，设计高速滚珠丝杠副时要合理选择丝杠副的转速N、公称直径do与导程Ph。
数控机床常用的滚珠丝杠副结构为：外循环插管式、内循环反向器式。
由于高速滚珠丝杠副的导程较大，如用内循环结构，反向器尺寸较长，承载的钢球数减少，且钢球高速时流畅性差，是不适合的；而外循环插管式结构简单，承载能力大，不受导程的限制。
高速滚珠丝杠副性能试验与分析方法研究
第1期2012年1月组合机床与自动化加工技术Modular Machine Tool ＆Automatic Manufacturing TechniqueNo．1Jan．2012文章编号：1001－2265（2012）01－0008－04收稿日期：2011－05－06*基金项目：国家科技重大专项（2009ZX04001－171－02）；国家科技重大专项（2011ZX04003－021）；江苏省创新学者攀登计划（BK2008050）作者简介：屠国俊（1986—），男，江苏高邮人，南京理工大学机械工程学院硕士研究生，主要从事滚动功能部件可靠性试验技术研究，精密机电测控技术研究，（E －mail ）tuguojun19861210@163．com 。
高速滚珠丝杠副性能试验与分析方法研究*屠国俊，陶卫军，冯虎田，殷爱华（南京理工大学机械工程学院，南京210094）摘要：基于自主开发的性能试验台，对高速滚珠丝杠副的性能试验与分析方法进行了研究。
介绍了高速滚珠丝杠副性能试验系统的构成，提出了性能试验的方法；在此基础上，进一步对试验数据的分析方法进行了研究；针对指定型号的高速滚珠丝杠副进行了性能试验，并对试验得到的数据进行了具体分析，试验与分析结果验证了所提出方法的有效性。
关键词：滚珠丝杠副；性能试验；试验方法；试验分析中图分类号：TH162；TB302．3文献标识码：APerformance Test and Analysis Method of High-Speed Ball ScrewTU Guo-jun ，TAO Wei-jun ，FENG Hu-tian YIN Ai-hua（Nanjing University of Science ＆Technology ，Nanjing 210094，China ）Abstract ：Based on the developed performance test system ，the test and analysis method of high-speed ball screw are researched．First ，the performance test system of the high-speed ball screw is introduced and a performance test method is proposed．And then ，the analysis method of the test data is studied．Further ，the performance test of the designated high-speed ball screw is done and the test data on high-speed ball screw is analyzed ，the test and analysis results show that the proposed method is effective．Key words ：ball screw ；performance test ；test method ；test analysis0引言随着高速数控机床的发展，对其进给系统提出了更高的性能要求：最大进给速度达到40m /min 或更高，加速度达到1g 以上，并且具有高定位精度。
基于直线电机的高速滚珠丝杠副寿命试验机设计
基于直线电机的高速滚珠丝杠副寿命试验机设计童亮;王准【摘要】A high-speed ball screw running-life test machine based on a linear motor was designed according to the testing requirements for the high-speed ball screw.A high-speed ball screw running-life test machine which used the linear motor as the loading mechanism,the rotation servo motor for the screw drive mechanism and the programmable multi-axis controller as motion controller,was de-signed and met the testing requirements of life testing and related parameters of the ball screw in the case of the long-running high-speed,high acceleration,big load under the conditions of continuous sta-ble varying loading.The test results demonstrate the feasibility of the system.%针对高速滚珠丝杠副性能指标的测量需求，设计了一套基于直线电机的高速滚珠丝杠副寿命测试试验系统，系统以直线电机为加载机构、旋转伺服电机为丝杠驱动机构、多轴运动控制卡为运动控制器。
据此系统设计的滚珠丝杠副高速加载跑合寿命试验机在连续稳定变负载的情况下，可以对滚珠丝杠在高速、高加速度、大负荷等条件下进行长时间运行测试，满足寿命试验机对滚珠丝杠副寿命试验和相关参数的测试要求。
基于滚珠丝杠副流畅性的滚珠返向器型线优化设计
mechanism，and it leads to decrease in the service life of the ball screw mechanism． In order to solve this problem，the contactimpact dynamic model between ball and a returner was proposed，and a new evaluation index for recirculation fluency of ballchain in a ball returner was introduced． Based on the analysis， a new doublearc passage profile of ball was presented，and the optimal geometric parameters were obtained based on genetic algorithm． The results proved that the optimal solution can not only decrease the contactimpact force between balls and a returner but also make the recirculation of ballchain smoother． The doublearc passage profile of a ball returner and the optimal method could be applied to design of other types of ball returner． Key words： ball screw mechanism； passage profile； optimal design； genetic algorithm； ball returner； Hertz contact 滚珠丝杠副返向器的滚道型线是影响滚珠丝杠副 其 性能的关键参数。 滚珠在循环通过返向器过程中， 受力状态在预紧状态和自由状态之间不断发生突变。 由于滚珠在整体滚珠丝杠副中起到动力传输作用， 所 以滚珠在返向器内的运动循环过程直接影响着整个滚 珠丝杠副进给系统的动力学性能。 滚珠丝杠副返向器 的型线不仅是影响滚珠丝杠副低频噪声的主要因素， ［1 － 3 ］ 。 也是影响滚珠丝杠副寿命的主要因素 目前广泛应用于高速滚珠丝杠副滚珠返向器类型 为端塞式滚珠返向器， 围绕其结构形式以及对滚珠丝 杠副动 力 学 影 响 国 内 外 学 者 已 做 了 大 量 的 有 益 工
几种反向结构滚珠丝杠副性能对比试验分析
杠 副 承 载 能 力 、 降 低 噪 声 以 及 保 障运 转 流 畅 性 ，研 制 了 ５ ． ９ ５ ３ ｍｍ 钢 球 的 隔离 垫 。考 虑 到 增 加 隔 离
依 靠 自主 研 发 的试 验 台 和 测
４ ６：
参磊 籼工
垫 后 ， 如 果 一 个 循 环 链 间 隙 太 大 ，会 造 成 隔 离 垫 进 入 导 管 碰 到 舌 头 ，影 响 运 转 流 畅 性 和 手 感 ， 严 重 时 会 发 生 卡 死 现 象 。 通 过 精 确 计 算 ，应 保 证 循 环 链 间 隙 在
专项 的实施 ， 自主研 发了高速滚
珠 丝 杠 综 合 性 能 测 量 仪 、 重 载 滚
５ ． ９ ５ ３ ｍｍ；Ｆ Ｃ２ （ ｚ）一 ５ 外循
环 结 构 。 ② Ｑ５ ０ ｍｍ ×２ ０ ｍｍ ×１
球 虽 然 可 提 高 运 行 速 度 ，但 由于 承 载 钢 球 减 少 了 一 半 ，导 致 承 载 能力降低５ ０ ％ ，适 用 于 高 速 度 、 低承 载 的 使 用场 合 。
况 的滚 珠 丝杠 副 结 构 。
噪 声等性能指标 ，噪声按 最大值
计 ；并 在 相 同 的 运 行 速 度 和 运 行
时 间 下 ，测 量 各 种 结 构 试 验 产 品 的温 升 。
前国内常用的循环反向装置有外循 环导管、内循环反向器和端面反向
器等 ，其 中端 面反 向器凭 借安 装方
副 分 别 进 行 了速 度 、加 速 度 、噪 声 及 温 升 试 验 。通 过 对 试 验 结 果
集 装置距离噪声源０ ． ４ ｍ。 在 相 同
的 测 试 条 件 和 参 数 下 ，运 转 ３ ０ 个 循 环 ，分 别 测 出 速 度 、加 速 度 及
直线滚柱导轨副寿命试验研究
Ｌｉ ｆ ｅ Ｔｅ ｓ ｔ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ Ｌｉ ｎ ｅ ａ ｒ Ｒｏ ｌ ｌ ｅ ｒ Ｇｕ ｉ ｄ ｅ
对于Ｌ Ｇ Ｒ ３ ５ Ｅ Ａ型有 ：
了
速寿命 试验的研究受到 了企业广泛重视 。按照试 验应力 的加载方式 ， 加速寿命试验通常分为恒定
应力 试 验 、步 进 应 力 试 验 和序 进 应 力 试 验 。 由于 恒定 应 力 试 验 相 对 简 单 ，本 文 根 据 恒 应 力试 验 概 念 ，开 发 了直 线 滚 动 导 轨 寿命 试 验 系统 ，并 对 相 关 产 品进 行 了检 测 评 价 ，取得 了较 好 的经 济 和 技
。×
・
＝
５ ０ × ・ ｌ Ｉ ＝ ４ ４ ０ （ ｋ ｍ ）
对于Ｌ Ｇ Ｒ ４ ５ Ｅ Ａ型有 ：
＝
术效益。 １ 直线滚柱 导轨Fra bibliotek寿命的基本理论
滚珠直线导轨副寿命 的衡量标准为 ：在允许
的环境 条件 中 ，在 承 受负 载等 于 额定 动 载荷 Ｃ
加工 技 术 与
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ９ ４ ９ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ８ ． ０ ３ ９
直线滚柱导轨副寿命试验研究
康 献 民 ，赵 美玲
（ １ ． 五 邑大学， 广 东江 门 ５ ０ ９ ０ ２ ０ ；２ ． 广东高新 凯特精 密机械 股份 有限公司 ， 广 东江门 ５ ２ ９ ０ ０ ０ ）
ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｗａ ｙ ｈ ａ ｓ ｎ ｏ ｔ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｄ， ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｅ ｅ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｌ ｉ ｆ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｓ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ａ ｂ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ｏｒ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｇ ｕ ｉ ｄｅ ｗａ ｙ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｗａ ｙ； ｌ ｉ ｆ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ；ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ
6000 rpm滚珠丝杠速度、加速度试验台设计计算
6000rpm滚珠丝杠副高速试验台设计计算要求: 速度40～120m/min加速度1g～2g计算方法：1、假设滚珠丝杠螺距10mm，则其转速为40×103÷10=4000rpm、60×103÷10=6000rpm。
假设滚珠丝杠螺距20mm，则其转速为40×103÷20=2000rpm、60×103÷20=3000rpm。
90×103÷20=4500rpm、120×103÷20=6000rpm。
若滚珠丝杠从零速按加速度1g加速到40m/min时，所用时间为：40÷60=10×t ，t=1/15 s＝67ms。
若滚珠丝杠从零速按加速度1g加速到60m/min时，所用时间为：60÷60=10×t ，t=1/10 s＝100ms。
若滚珠丝杠从零速按加速度1g加速到90m/min时，所用时间为：90÷60=10×t ，t=3/20s＝150ms。
若滚珠丝杠从零速按加速度1g加速到120m/min时，所用时间为：120÷60=10×t ，t=2/10 s＝200ms。
若滚珠丝杠从零速按加速度2g加速到60m/min时，所用时间为：60÷60=20×t ，t=1/20 s＝50ms。
若滚珠丝杠从零速按加速度2g加速到90m/min时，所用时间为：9 0÷60=20×t ，t=3/40 s＝75ms。
若滚珠丝杠从零速按加速度2g加速到120m/min时，所用时间为：120÷60=20×t ，t=1/10 s＝100ms。
2、加减速移动距离为：当t=1/15 s时，S=1/2×10×（1/15）2＝1/45m＝22mm。
当t=1/10 s时，S=1/2×10×（1/10）2＝1/20m＝50mm。
重载滚珠丝杠副可靠性试验及分析
的 条 件下 ，对重 载 滚珠 丝杠 副 进 行可 靠 性试 验 ， 记 录 反 向间 隙数 据 ，可 以将 反 向间 隙随 时 间的 变 化 关 系 通 过 描 点 、连 线 画 出 一 条 曲线 ，如 图 ２ 所
示。
同 ，所以载荷 系数也可以认为 一样 。若以Ｆ 小 表示恒定加速试验下的轴 向载荷以及回转寿命 ，以 Ｆ 、Ｌ 表示正常条件下的轴 向载荷以及回转寿命 ，
数 据 分析 与评 估 。试 验 数据 的 转 化主 要 是时 间数 据
载荷１０ Ｎ、脂润滑的条件下 ，对重载滚珠丝杠副 ６ｋ
进 行 可 靠 性 试 验 ，直 至 试 验 结 束 并 未 出 现 失 效 情 况 ，其 回转 寿 命 大 于 ５ 万 转 。该 类 型 的 滚 珠 丝 杠 ０
上的转化 ，在此可以借助滚珠丝杠副的寿命 公式。
滚珠 丝杠 副 的 回转 寿 命公 式 为
ｒ
副在正常工作条件下其轴 向承载为 １０ Ｎ。通过式 ２ｋ
三＝ 号ｒ×０ ［ 『 ｌ。
Ｆ ｗｒ
ｎ
（） １
（ ）的转换 ，可以得到重载滚珠丝杠 副在正常工 ２
作情况下的 回转寿命大于 １ ８５ １． 万转 ，达 到了预期
的 要求 。
擦 力矩 ，并观 察 有 无疲 劳 点 蚀 。
图１ 重载滚珠丝杠副可靠性试验台
（ ）若在试验过程 中 ，滚珠丝杠副的反 向间 ５
隙 超 过０７ ． ｍｍ ，或 者 出现 明显 的 疲劳 点 蚀 ，则判 定
２ 试验方案设 计 ．
为 了准 确获 得 重 载 滚珠 丝杠 副 的 疲 劳寿 命 ，试
可 靠 性 试 验 台如 图 １ 示 ，试 验 台左 侧 的 电动 机 为 所
滚珠丝杠寿命试验方法
滚珠丝杠寿命试验方法
滚珠丝杠寿命试验的方法主要有以下几种：
1. 统计预测法：这种方法主要依据大量的滚珠丝杠使用寿命数据，通过应用统计学方法进行寿命分布的拟合和预测。
常见的统计预测方法有韦伯分布、对数正态分布等。
2. 应力寿命法：通过实验或模拟测试，获得滚珠丝杠在不同应力水平下的寿命数据，建立应力-寿命曲线，从而预测滚珠丝杠在不同工况下的寿命。
3. 损伤累积法：根据滚珠丝杠的使用寿命和损伤规律，分析其损伤累积过程，以预测剩余寿命。
常用的损伤累积法有线性累积模型、疲劳损伤累积模型等。
4. 弹簧连接法：利用弹簧连接滚珠丝杠，为其提供负载力，并实现滚珠丝杠的直线运行。
然而，这种方法有一定的局限性，因为弹簧在伸长和压缩的过程中提供的力不恒定，这可能导致测试结果的不准确性。
同时，弹簧在实现双向大载荷的情况下，其伸长或缩短量非常有限，一般不超过500mm，这样对于行程1米以上的丝杆进行测试几乎是不可能的。
5. 重量加载法：依靠传统的重量加载方法来实现，其载荷的大小由配置的重块的重量决定。
整个负载的运动通过马达驱动滚珠丝杠运动，通过滚珠丝杠推动负载放置区，从而为整个系统提供负载动力。
然而，该重量加载的方式产生的载荷仅为静载荷，且当载荷较大时，则需要在负载置放区配置许多重
块或一个相当重的重块，由此导致试验装置会过于庞大。
此外，由于重物加载是通过人工实现，导致操作过程极其不便。
这些方法各有优缺点，可以根据具体需求选择合适的方法进行滚珠丝杠的寿命试验。
滚珠丝杠副预紧力两阶段衰退预测方法
滚珠丝杠副预紧力两阶段衰退预测方法
本文介绍了一种针对滚珠丝杠副预紧力两阶段衰退情况的预测
方法。
该方法基于滚珠丝杠副的运动学特性和预紧力衰退规律，分别对两个阶段的预紧力衰退进行建模并预测。
具体来说，首先对滚珠丝杠副的运动学特性进行分析，得到预紧力衰退的两个阶段：快速衰退阶段和缓慢衰退阶段。
然后，针对这两个阶段，分别建立预测模型。
快速衰退阶段的预测模型基于滚珠丝杠副的机械特性和动力学特性，考虑了滚珠间的摩擦、滚珠与导轨的接触刚度和预紧力的作用等因素。
缓慢衰退阶段的预测模型基于滚珠丝杠副的疲劳寿命和预紧力松动
的规律，考虑了预紧力与寿命的关系和预紧力随时间的变化规律等因素。
最后，通过实验验证了该预测方法的有效性和准确性。
- 1 -。
重载滚珠丝杠副可靠性设计与试验方法研究
∫ = ∫
x max x min x max
xf* （ x） dx f* （ x） dx
2
重载滚珠丝杠副可靠度设计
x min
∫ = ∫
x max
x
x min x max x min
[ （ x2－σμ） ]dx 2π σ 槡 1 （ x － μ） exp [ － ]dx 2σ 2π σ 槡
1
2
exp －
1
重载滚珠丝杠副失效模式分析
重载滚 珠 丝 杠 副 与 精 密 滚 珠 丝 杠 副 的 结 构 类 ， 似 同样由滚珠丝杠、 滚珠螺母、 滚珠及滚珠返回装 置组成。在实际的工程应用中， 由于重载滚珠丝杠 副需要承受大载荷， 对其可靠性要求更高， 非常有必 FMECA ， 1 。 要对其进行 分析 如表 所示 其中， 重载 滚珠丝杠副滚道面的疲 劳 点 蚀 是 最 主 要 的 失 效 模 式， 这种失效主要是由于接触应力造成的接触疲劳 ［3 ］ 破坏 。因此， 在这里我们主要针对重载滚珠丝杠 副疲劳寿命进行研究。
C = （ aa1 a2 ）
－ 1 3
[
2 （ 2 ） － 1
4 －2 e 2π 槡
]
≈ 0. 77 σ C a （ 9）
2
kPt
1 3
（ 4）
其中 k =
ln0 ． 9 [ ln R（ t） ]
3 / 10
； a— 可靠性系数； a1 — 材料系
式中 （ 2 ） — 标准 正 态 分 布 （ n） 在 n = 2 的 值； 2 μ C a — 未截尾时额定动载荷的均值； σ C a — 未截尾时 额定动载荷的方差。 对重载滚珠丝杠副工作情况分析可知， 应力和 ［5 ， 9 ］ 。 强度分别为计算动载荷与额定动载荷 令对称截 尾的额定动载荷 C a 与对称截尾的计算动载荷 C 之差 W t 的标 为 W t = C a － C， 则 W t 的均值为 μ tw = C a － C ，
滚珠丝杠副精度保持性加速退化试验方法
滚珠丝杠副精度保持性加速退化试验方法王民;孙瑞;张巍;孔德顺;周霜【期刊名称】《北京工业大学学报》【年(卷),期】2016(042)011【摘要】为了研究滚珠丝杠副精度保持性，实现快速预测其精度寿命，建立了其精度保持性加速退化试验方法。
利用滚珠丝杠副磨损物理仿真模型开展了滚珠丝杠副精度保持性加速退化仿真试验。
结果表明：实现了滚珠丝杠副寿命的快速预测，为开展精密滚珠丝杠副精度保持性加速退化试验研究提供了理论依据。
【总页数】5页(P1629-1633)【作者】王民;孙瑞;张巍;孔德顺;周霜【作者单位】北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，先进制造技术北京市重点实验室，北京 100124; 电火花加工技术北京市重点实验室，北京 100191;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，先进制造技术北京市重点实验室，北京100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，先进制造技术北京市重点实验室，北京 100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，先进制造技术北京市重点实验室，北京 100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，先进制造技术北京市重点实验室，北京 100124【正文语种】中文【中图分类】TH117.1【相关文献】1.基于滚珠丝杠副精度保持性加速退化方法的验证分析 [J], 姜秀芬2.加载条件下滚珠丝杠副精度保持性试验研究 [J], 刘佳耀;尹曦;陶卫军;米继锋3.滚珠丝杠副精度保持性试验台开发及试验研究 [J], 高山龙;宋现春;姜洪奎;马洪君;荣伯松;杜伟4.高速滚珠丝杠副精度保持性和精度保持性试验台的设计 [J], 张永;王科社;闫海峰;郝大贤5.滚珠丝杠副精度保持性试验台测控系统设计 [J], 戴鹏;陶卫军;丁聪;冯虎田因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。