[机械自动化] 基于Pro/E的滚珠丝杆系统分析与设计

摘要通过计算机辅助设计软件Pro/E，对用于大型数控轧辊磨床纵向进给机构中的滚珠丝杆进行受力分析和
模拟，得到丝杆的挠度值。通过Mechanical模块里的预应力解析功能得到一系列轴向拉力和挠度的对应关系，从
而进行优化找到最合适的拉力。
关键词Pro/E驱动螺母滚珠丝杆有限元分析预应力解析
    现今机械设计制造的步骤越来越快，而设计中
的情况越来越复杂，利用传统的方法来进行结构、
性能等的分析，计算工作量大，建立的模型误差大，
耗时耗力，结果却不尽理想。
    大型轧辊磨床的纵向进给机构，由于运动的行
程很长，少则七八米多则十几、二十米，定位难以
达到很高的精度。纵向位置偏差对工件质量的影响
远比横向要小很多，所以一般都采用齿轮、齿条电
动机驱动与齿条啮合的齿轮，使床身上的拖板作纵
向运动的方法，这种方法，啮合有间隙，传动精度
不高。随着用户对机床精度的要求越来越高，这种
进给机构的精度已不能满足需要。滚珠丝杆传动有
定位精度和重复定位精度高、运动平稳、调速范围
大、传动效率高等许多优点。
    通用的滚珠丝杆是丝杆旋转型，即伺服电机通
过联轴器直接带动丝杆旋转，而丝杆螺母驱动装于
其上的部件作直线运动。丝杆的安装方式是两端非
丝杆部分各有一个孔内安装轴承的座子支撑，一端
固定，一端考虑材料的热胀冷缩特性可以在轴向窜
动，由于其长径比太大，势必会导致丝杆中间因重
力而向下弯曲变形，则实际的丝杆长度要大于理论
丝杆长度。丝杆越长，挠度越大，长度差也越大，
丝杆在这种情况下旋转，对轴承会产生很大的作用
力，轴承又会反作用于丝杆，这会加速丝杆和轴承
的磨损，对它们的精度和寿命非常不利。笔者在设
计的一台大型轧辊磨床上使用了一种新方法，以达
到设计的要求。方法是在丝杆一端加载一轴向力。
在本文中，采用了Pro/ENGINEER软件及其
Pro/MECHANICA模块进行建摸和有限元分析来获
得最优轴向力。
1有限元法及Pro/ENGINEER软件
    有限元法在20世纪50年代起源于对飞机结构
强度的矩阵分析，是架构强度分析法的一个分支
—位移法。该法是适应于计算机而发展起来的一
种新颖而有效的数值计算方法，在工程中的应用范
围非常广泛，适用于平面问题和间实体结构的的位
移场、应力场、温度场、势场分析;平面和空间钢
架或巧架的内力与应力;薄板和薄壳弯曲问题分析;
组合结构的强度分析;结构的固有频率与振型等。
有限元法是先将连续体划分为有限个规则形状的微
小块体作为计算的模型，每个小块体称为单元，称
作单元剖分;划分后相邻单元与单元之间利用单元
的节点相互连接起来，单元节点的设置、性质、数
目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算
进度而定;再把作用于各单元上的外载荷，按虚功
原理化成各单元的等效节点载荷向量，用划分后的
有限个小单元的集合体，代替原来的连续体，这一
步称为连续体离散化。
    用有限元分析计算所获得的结果是近似的。如
果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果
就与实际情况越相符合。
    当今有限元分析的特点之一是与通用CAD软
件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件
的设计后，自动生成有限元网格并进行计算;如果
分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计
算，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和
效率。这种类型的软件现在很多，Pro/E就是很知
名的一种。