数控机床的大型化和高速化,不 但要求机床主轴转速不断提高,而且进给速度也要求越来越快。常规的滚珠丝杠副,尤其是大型、重型***数控机床用的大行程丝杠副,自身重量较螺母大得多,因 此丝杠旋转惯性力很多,导致发热、变形和能耗严重,变形的丝杠在旋转过程中又会产生振动和噪声,降低了设备的工作精度。这是目前一个亟待解决的问题。因此 本研究根据运动的相对性,提出新型“螺母驱动型滚珠丝杠副”,把传统的“丝杠驱动方式”改为“螺母驱动方式”。 本研究借助于数学建模、力学分析、计算分析软件和实验研究等方法,在构建滚动体运动学、接触模型及进给系统结构动力学模型基础上,对螺母驱动型滚珠丝杠副 高速传动性能进行研究,研究内容主要包括： 1.根据运动学理论,对高速螺母驱动型滚珠丝杠副滚动体运动学进行分析。求解了滚珠滚动速度与驱动螺母轴转速之间的运动关系,推导出滚动体公转和自转角速 度,求取双螺母内滚动体接触点位置及滑动速度。理论分析得出相同驱动速度时螺母驱动型滚珠丝杠副滚动体公转和自转角速度低于传统的丝杠驱动型滚珠丝杠副滚 动体公转和自转角速度。 2.根据Hertz接触理论,对高速螺母驱动型滚珠丝杠副滚动体接触特性进行分析。建立了轴向载荷、惯性效应、位移约束联合作用下的高速螺母驱动型滚珠丝 杠副接触分析模型,应用迭代法求解非线性方程组,分析了不同转速和轴向力等工况下滚珠丝杠副接触参数的变化规律。根据理论计算求取系统进给加速度。结果表 明滚珠丝杠副高速运动时,螺母组件内接触角、法向载荷以及弹性变形随转速和轴向载荷的变化而变化。与丝杠驱动型相比采用相同额定转矩电机驱动,螺母驱动型 滚珠丝杠副降低了传动系统转动惯量,进而降低系统驱动能耗,螺母驱动型滚珠丝杠副可获得更高进给加速度,更具有高速性。 3.对预紧力可调的双螺母驱动型滚珠丝杠副进给系统进行结构动力学分析,首先建立滚珠丝杠副结构动力学模型。分析了预紧力的变化对固有频率的影响规律,主 要设计参数的变化对系统低阶固有频率的影响。结果表明,进给系统固有频率具有时变性。与传统的丝杠驱动型相比,采用螺母驱动型滚珠丝杠副,提高了进给系统 低阶固有频率,可使系统具有更宽的通频带,提高系统的速度环增益和位置环增益,从而提高整个系统的快速响应能力和加工精度。 4.建立了摩擦力矩的分析模型,分析了滚珠丝杠副摩擦力矩的产生机理。研究轴向载荷、轨道制造误差等对摩擦力矩的影响,分析了摩擦力知低频波动的原因。运 用弹流动力润滑理论分析滚珠丝杠副的润滑状态。结果表明轴向载荷、滚道波纹度是对摩擦力矩波动性影响很大。 7.研制了螺母驱动型滚珠丝杠副并实际应用,借助超长轴键槽铣削机床对螺母驱动型滚珠丝杠副和丝杠驱动型滚珠丝杠副进行了振动响应实验和温升测试实验。实 验研究表明螺母驱动型滚珠丝杠副系统***阶固有频率大于丝杠驱动型滚珠丝杠副***阶固有频率,在相同工作环境下丝杠驱动型滚珠丝杠副传动机构丝杠温升总体 大于螺母驱动情况下丝杠的温升。 本研究为高速精密滚珠丝杠副的设计、制造提供了理论和技术支持,为研制开发具有完全自主知识产权的高速精密滚珠丝杠副指出了一条切实可行的途径,对提高我 国数控机床的制造水平有较大的理论意义和实际应用价值。