馮麗華 查初亮 馬振海

(北京精密天工滾珠絲杠股份有限公司，北京101500)

1 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)形式

滾珠絲杠副包含的結(jié)構(gòu)形式有兩種:內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)。通常把滾珠在循環(huán)過程中始終不脫離絲杠表面的循環(huán)方式稱之為內(nèi)循環(huán)，反之為外循環(huán)。本文中提到的內(nèi)循環(huán)，嚴(yán)格意義上應(yīng)該稱之為外循環(huán)，因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)采用的是收口型反向器，在滾珠反向時(shí)離開了絲杠表面。此種反向器內(nèi)的滾珠反向通道的曲線為空間五次拋物線，反向器構(gòu)造及設(shè)計(jì)較插管式外循環(huán)來說更為復(fù)雜，本文介紹利用Pro/E 軟件對(duì)此種結(jié)構(gòu)的內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副進(jìn)行建模與裝配的方法。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副主要由滾珠絲杠、滾珠螺母、反向器及滾珠組成，如圖1 所示。本文以筆者公司規(guī)格為NFZA2504L -Ⅲ的滾珠絲杠副(公稱直徑為25 mm，導(dǎo)程為4 mm，左旋，循環(huán)圈數(shù)為3 圈)為例，詳細(xì)闡述建模及裝配的方法與步驟。

2 滾珠絲杠副的建模

2.1 滾珠絲杠的建模

啟動(dòng)Pro/E 軟件，設(shè)置工作目錄。選擇【文件】—【新建】，在類型分組框中選擇“零件”，子類型分組框中選擇“實(shí)體”，名稱另存或默認(rèn)“prt0001”，不使用缺省模板，點(diǎn)擊確定。在“新文件選項(xiàng)”中選擇“mmns_part_solid”模板，點(diǎn)擊確定，進(jìn)入建模模塊。

選擇【拉伸】命令，進(jìn)入實(shí)體拉伸操作，選擇“草繪”平面，在草繪平面的中心位置草繪絲杠外徑Φ24.4 mm，完成拉伸。

選擇【插入】—【螺旋掃描】—【切口】，在“菜單管理器”中“屬性”內(nèi)選擇“左手定則”，點(diǎn)擊完成。在“菜單管理器”中“設(shè)置草繪平面”內(nèi)選擇要草繪的平面，“方向”內(nèi)選擇“正向”，“草繪視圖”內(nèi)選擇“缺省”。

草繪“掃引軌跡”，選擇“中間軸”為“旋轉(zhuǎn)軸”，草繪掃引方向及軌跡，輸入節(jié)距值即導(dǎo)程4 mm，自定義截面，完成螺旋掃描。選擇【倒角】命令，對(duì)滾珠絲杠齒頂兩側(cè)進(jìn)行倒角0.15 ×45°。滾珠絲杠建模完成，如圖2 所示。

2.2 滾珠螺母的建模

參照滾珠絲杠建模方法，進(jìn)入建模模塊。

選擇【旋轉(zhuǎn)】命令，按照《北京精密天工滾珠絲杠股份有限公司銷售手冊(cè)》對(duì)滾珠螺母連接尺寸進(jìn)行選擇及草繪，設(shè)置“中間軸”為“旋轉(zhuǎn)軸”，完成旋轉(zhuǎn)實(shí)體建模。選擇【打孔】及【陣列】命令，完成法蘭上安裝孔的建模。

選擇【拉伸】—【去除材料】命令，在滾珠螺母體上拉伸反向孔，注意反向孔中心距端面的尺寸為螺旋掃描時(shí)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，設(shè)定反向孔中心距右端面的距離為12 mm。選擇【增量陣列】，完成滾珠螺母反向孔的建模。

參照滾珠絲杠建模時(shí)選擇【螺旋掃描】命令，注意掃引軌跡的起點(diǎn)距反向孔中心為(K+0.5)·Ph，其中K 為整數(shù)，Ph為導(dǎo)程，完成螺旋掃描。

2.3 反向器的三維建模

參照滾珠絲杠建模方法，進(jìn)入建模模塊。

選擇【拉伸】命令，對(duì)反向器實(shí)體進(jìn)行拉伸，再選擇【拉伸】—【去除材料】命令，完成反向器內(nèi)外圓弧的建模。

選擇【螺旋掃描】—【伸出項(xiàng)】，掃描出反向器的定位“耳朵”，利用【拉伸】—【去除材料】，將多余部分去除。

建立坐標(biāo)系，需要注意曲線的坐標(biāo)與反向器實(shí)體坐標(biāo)系一致，如圖4。

繪制空間曲線，選擇【曲線】命令，“菜單管理器”內(nèi)選擇“自文件”—“得到坐標(biāo)系”內(nèi)選擇上步建立好的坐標(biāo)系，在新打開的對(duì)話框內(nèi)，選擇事先輸入好的空間曲線坐標(biāo)點(diǎn)文件，點(diǎn)擊“打開”。如圖5 所示。

空間曲線文件為. ibl 文件，內(nèi)為空間曲線的絕對(duì)坐標(biāo)值［1］?？臻g曲線建模完成，如圖6 所示。

選擇【插入】—【可變剖面掃描】，掃描為實(shí)體，將創(chuàng)建的空間曲線單擊為亮紅色，選擇草繪按鈕，草繪截面，選擇“移除材料”，反向器建模完成。如圖7 所示。

2.4 滾珠鏈的三維建模

Pro/E 在進(jìn)行滾珠絲杠副的裝配時(shí)，需要將滾珠鏈作為一個(gè)實(shí)體模型，而不能在裝配時(shí)，隨意添加滾珠。滾珠鏈的建模關(guān)鍵在于滾珠沿螺旋曲線和空間曲線排列，所以在裝配之前，需要對(duì)滾珠鏈進(jìn)行三維建模。

參照滾珠絲杠建模方法，進(jìn)入建模模塊。

選擇【曲線】—【從方程】，“坐標(biāo)系類型”選擇“圓柱”，彈出記事本，在記事本內(nèi)寫入如圖8 的螺旋線方程，保存并關(guān)閉記事本，點(diǎn)擊確認(rèn)，完成螺旋線建模，如圖9 所示。

在生成的螺旋上添加空間反向曲線(S 型空間曲線)，建立反向曲線坐標(biāo)系，參照反向器建模時(shí)空間反向曲線繪制步驟，添加完成后，利用曲線的【修剪】命令，剪掉多余部分。如圖10 所示。

選擇【編輯】—【復(fù)制】—【選擇性粘貼】，“曲線類型”選擇“逼近”，將3 條曲線合并成為1 條曲線。

選擇【點(diǎn)】命令，在曲線上創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)，使用【比率】，選擇【陣列】命令，輸入陣列數(shù)量(此數(shù)量即為單圈循環(huán)內(nèi)滾珠的數(shù)量)，完成基準(zhǔn)點(diǎn)建立。如圖11所示。

選擇陣列之前的基準(zhǔn)點(diǎn)，在此點(diǎn)上建立通過該點(diǎn)的平面，并選擇【旋轉(zhuǎn)】命令，草繪滾珠界面，360°旋轉(zhuǎn)出滾珠實(shí)體，在“模型樹”內(nèi)，將旋轉(zhuǎn)出滾珠實(shí)體與建立的平面合并為一組，選擇【陣列】命令，將建立的組參照陣列，滾珠鏈三維建模完成，如圖12 所示。

3 滾珠絲杠副的裝配

滾珠絲杠、滾珠螺母、反向器及滾珠鏈的三維建模已經(jīng)完成，裝配時(shí)，按照相互之間的約束關(guān)系進(jìn)行定位即可。

選擇【文件】—【新建】，在類型分組框中選擇“組件”，子類型分組框中選擇“設(shè)計(jì)”，名稱另存或默認(rèn)“asm0001”，不使用缺省模板，點(diǎn)擊確定。在“新文件選項(xiàng)”中選擇“mmns_asm_design”模板，點(diǎn)擊確定，進(jìn)入裝配模塊。

選擇【裝配】命令，添加滾珠螺母模型，由于滾珠螺母為第1 個(gè)裝配零件，不需要進(jìn)行約束，點(diǎn)擊確認(rèn)，模型添加完成。選擇【裝配】命令，將反向器作為第2 個(gè)進(jìn)入裝配的零件，點(diǎn)擊“放置”—“選取元件項(xiàng)目”，將反向器的中心軸線與滾珠螺母體中心軸線對(duì)齊，使得反向器內(nèi)圓弧與滾珠螺母體同軸，選擇“新建約束”—“選取元件項(xiàng)目”，將反向器中心平面與螺母端面進(jìn)行約束，約束類型為“匹配”，“偏移”內(nèi)選擇“偏距”，偏距值與滾珠螺母拉伸反向孔時(shí)距端面尺寸一致。選擇“新建約束”—“選取元件項(xiàng)目”，選擇反向器平行的中心平面與螺母體上與反向孔平行的中心平面“對(duì)齊”，3 個(gè)約束完成后，第1 個(gè)反向器裝配完成。

選擇【增量陣列】命令，選擇裝配體中心為陣列基準(zhǔn)軸，數(shù)量與反向孔數(shù)量一致。陣列完成后如圖13所示。

選擇【裝配】命令，將滾珠鏈作為第3 個(gè)進(jìn)入裝配的零件，點(diǎn)擊“放置”—“選取元件項(xiàng)目”，將滾珠鏈的中心軸線與滾珠螺母體中心軸線對(duì)齊，使得滾珠鏈與滾珠螺母體同軸，選擇“新建約束”—“選取元件項(xiàng)目”，將滾珠鏈中心平面與螺母體端面進(jìn)行約束，約束類型為“匹配”，“偏移”內(nèi)選擇“偏距”，偏距值與滾珠螺母拉伸反向孔時(shí)距端面尺寸一致。選擇“新建約束”—“選取元件項(xiàng)目”，利用平面對(duì)齊，使S 型反向曲線段與反向器S 型滾道平面對(duì)齊，3 個(gè)約束完成后，第1 個(gè)循環(huán)滾珠鏈裝配完成。參照反向器【增量陣列】命令，將滾珠鏈裝配完成，如圖14 所示。

選擇【裝配】命令，將滾珠絲杠作為第4 個(gè)進(jìn)入裝配的零件，點(diǎn)擊“放置”—“選取元件項(xiàng)目”，將滾珠絲杠的中心軸線與滾珠螺母體中心軸線對(duì)齊，使得滾珠絲杠與滾珠螺母體同軸，選擇“新建約束”—“選取元件項(xiàng)目”，對(duì)螺母體端面與絲杠端面進(jìn)行約束，約束類型為“匹配”，“偏移”內(nèi)選擇“偏距”，偏距值為滾珠螺母螺旋掃描時(shí)掃引軌跡起點(diǎn)與絲杠掃引軌跡起點(diǎn)為整數(shù)倍導(dǎo)程。裝配結(jié)束，如圖15 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

由于滾珠絲杠副的使用不斷普及，使用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)滾珠絲杠副的要求也越來越多，普通規(guī)格的滾珠絲杠副已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了使用要求，如航天航空領(lǐng)域、小型精密測(cè)試裝置、電子儀器以及半導(dǎo)體裝置等基本上都需要公稱直徑DN≤12 mm，導(dǎo)程Ph=0.5 ～2.5 mm 的微型滾珠絲杠副。在微型精密滾珠絲杠副的加工中，反向器的加工則是難點(diǎn)中的難點(diǎn)。此研究不僅可以直觀反映出零件設(shè)計(jì)的合理性，還可以為反向器的模具開發(fā)提供良好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，從而解決具備復(fù)雜空間反向曲線的反向器的加工難題。

［1］程光仁，施祖康，張超鵬. 滾珠螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［2］譚雪松，張霞. Pro/ENGINEER Wildfire4.0 中文版機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2009.