基于Pro/E 的帶復雜空間反向曲線的滾珠絲杠副的建模與裝配

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 滾珠絲杠副結構形式

滾珠絲杠副包含的結構形式有兩種:內循環及外循環。通常把滾珠在循環過程中始終不脫離絲杠表面的循環方式稱之為內循環，反之為外循環。本文中提到的內循環，嚴格意義上應該稱之為外循環，因為此結構采用的是收口型反向器，在滾珠反向時離開了絲杠表面。此種反向器內的滾珠反向通道的曲線為空間五次拋物線，反向器構造及設計較插管式外循環來說更為復雜，本文介紹利用Pro/E 軟件對此種結構的內循環滾珠絲杠副進行建模與裝配的方法。內循環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。本文以筆者公司規格為NFZA2504L -Ⅲ的滾珠絲杠副(公稱直徑為25 mm，導程為4 mm，左旋，循環圈數為3 圈)為例，詳細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Pro/E 軟件，設置工作目錄。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“實體”，名稱另存或默認“prt0001”，不使用缺省模板，點擊確定。在“新文件選項”中選擇“mmns_part_solid”模板，點擊確定，進入建模模塊。

選擇【拉伸】命令，進入實體拉伸操作，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”內選擇“左手定則”，點擊完成。在“菜單管理器”中“設置草繪平面”內選擇要草繪的平面，“方向”內選擇“正向”，“草繪視圖”內選擇“缺省”。

草繪“掃引軌跡”，選擇“中間軸”為“旋轉軸”，草繪掃引方向及軌跡，輸入節距值即導程4 mm，自定義截面，完成螺旋掃描。選擇【倒角】命令，對滾珠絲杠齒頂兩側進行倒角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，進入建模模塊。

選擇【旋轉】命令，按照《北京精密天工滾珠絲杠股份有限公司銷售手冊》對滾珠螺母連接尺寸進行選擇及草繪，設置“中間軸”為“旋轉軸”，完成旋轉實體建模。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的設計基準，設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選擇【螺旋掃描】命令，注意掃引軌跡的起點距反向孔中心為(K+0.5)·Ph，其中K 為整數，Ph為導程，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，進入建模模塊。

選擇【拉伸】命令，對反向器實體進行拉伸，再選擇【拉伸】—【去除材料】命令，完成反向器內外圓弧的建模。

選擇【螺旋掃描】—【伸出項】，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。

建立坐標系，需要注意曲線的坐標與反向器實體坐標系一致，如圖4。

繪制空間曲線，選擇【曲線】命令，“菜單管理器”內選擇“自文件”—“得到坐標系”內選擇上步建立好的坐標系，在新打開的對話框內，選擇事先輸入好的空間曲線坐標點文件，點擊“打開”。如圖5 所示。

空間曲線文件為. ibl 文件，內為空間曲線的絕對坐標值［1］。空間曲線建模完成，如圖6 所示。

選擇【插入】—【可變剖面掃描】，掃描為實體，將創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 在進行滾珠絲杠副的裝配時，需要將滾珠鏈作為一個實體模型，而不能在裝配時，隨意添加滾珠。滾珠鏈的建模關鍵在于滾珠沿螺旋曲線和空間曲線排列，所以在裝配之前，需要對滾珠鏈進行三維建模。

參照滾珠絲杠建模方法，進入建模模塊。

選擇【曲線】—【從方程】，“坐標系類型”選擇“圓柱”，彈出記事本，在記事本內寫入如圖8 的螺旋線方程，保存并關閉記事本，點擊確認，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)，建立反向曲線坐標系，參照反向器建模時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】命令，在曲線上創建基準點，使用【比率】，選擇【陣列】命令，輸入陣列數量(此數量即為單圈循環內滾珠的數量)，完成基準點建立。如圖11所示。

選擇陣列之前的基準點，在此點上建立通過該點的平面，并選擇【旋轉】命令，草繪滾珠界面，360°旋轉出滾珠實體，在“模型樹”內，將旋轉出滾珠實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完成，裝配時，按照相互之間的約束關系進行定位即可。

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“設計”，名稱另存或默認“asm0001”，不使用缺省模板，點擊確定。在“新文件選項”中選擇“mmns_asm_design”模板，點擊確定，進入裝配模塊。

選擇【裝配】命令，添加滾珠螺母模型，由于滾珠螺母為第1 個裝配零件，不需要進行約束，點擊確認，模型添加完成。選擇【裝配】命令，將反向器作為第2 個進入裝配的零件，點擊“放置”—“選取元件項目”，將反向器的中心軸線與滾珠螺母體中心軸線對齊，使得反向器內圓弧與滾珠螺母體同軸，選擇“新建約束”—“選取元件項目”，將反向器中心平面與螺母端面進行約束，約束類型為“匹配”，“偏移”內選擇“偏距”，偏距值與滾珠螺母拉伸反向孔時距端面尺寸一致。選擇“新建約束”—“選取元件項目”，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“對齊”，3 個約束完成后，第1 個反向器裝配完成。

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

選擇【裝配】命令，將滾珠鏈作為第3 個進入裝配的零件，點擊“放置”—“選取元件項目”，將滾珠鏈的中心軸線與滾珠螺母體中心軸線對齊，使得滾珠鏈與滾珠螺母體同軸，選擇“新建約束”—“選取元件項目”，將滾珠鏈中心平面與螺母體端面進行約束，約束類型為“匹配”，“偏移”內選擇“偏距”，偏距值與滾珠螺母拉伸反向孔時距端面尺寸一致。選擇“新建約束”—“選取元件項目”，利用平面對齊，使S 型反向曲線段與反向器S 型滾道平面對齊，3 個約束完成后，第1 個循環滾珠鏈裝配完成。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 個進入裝配的零件，點擊“放置”—“選取元件項目”，將滾珠絲杠的中心軸線與滾珠螺母體中心軸線對齊，使得滾珠絲杠與滾珠螺母體同軸，選擇“新建約束”—“選取元件項目”，對螺母體端面與絲杠端面進行約束，約束類型為“匹配”，“偏移”內選擇“偏距”，偏距值為滾珠螺母螺旋掃描時掃引軌跡起點與絲杠掃引軌跡起點為整數倍導程。裝配結束，如圖15 所示。

4 結語

由于滾珠絲杠副的使用不斷普及，使用領域不斷擴大，對滾珠絲杠副的要求也越來越多，普通規格的滾珠絲杠副已遠遠滿足不了使用要求，如航天航空領域、小型精密測試裝置、電子儀器以及半導體裝置等基本上都需要公稱直徑DN≤12 mm，導程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中的難點。此研究不僅可以直觀反映出零件設計的合理性，還可以為反向器的模具開發提供良好的設計基礎，從而解決具備復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. 滾珠螺旋傳動設計基礎［M］. 北京:機械工業出版社，1987.

［2］譚雪松，張霞. Pro/ENGINEER Wildfire4.0 中文版機械設計［M］.北京:人民郵電出版社，2009.