基于Pro/E 的带复杂空间反向曲线的滚珠丝杠副的建模与装配

冯丽华 查初亮 马振海

(北京精密天工滚珠丝杠股份有限公司，北京101500)

1 滚珠丝杠副结构形式

滚珠丝杠副包含的结构形式有两种:内循环及外循环。通常把滚珠在循环过程中始终不脱离丝杠表面的循环方式称之为内循环，反之为外循环。本文中提到的内循环，严格意义上应该称之为外循环，因为此结构采用的是收口型反向器，在滚珠反向时离开了丝杠表面。此种反向器内的滚珠反向通道的曲线为空间五次抛物线，反向器构造及设计较插管式外循环来说更为复杂，本文介绍利用Pro/E 软件对此种结构的内循环滚珠丝杠副进行建模与装配的方法。内循环滚珠丝杠副主要由滚珠丝杠、滚珠螺母、反向器及滚珠组成，如图1 所示。本文以笔者公司规格为NFZA2504L -Ⅲ的滚珠丝杠副(公称直径为25 mm，导程为4 mm，左旋，循环圈数为3 圈)为例，详细阐述建模及装配的方法与步骤。

2 滚珠丝杠副的建模

2.1 滚珠丝杠的建模

启动Pro/E 软件，设置工作目录。选择【文件】—【新建】，在类型分组框中选择“零件”，子类型分组框中选择“实体”，名称另存或默认“prt0001”，不使用缺省模板，点击确定。在“新文件选项”中选择“mmns_part_solid”模板，点击确定，进入建模模块。

选择【拉伸】命令，进入实体拉伸操作，选择“草绘”平面，在草绘平面的中心位置草绘丝杠外径Φ24.4 mm，完成拉伸。

选择【插入】—【螺旋扫描】—【切口】，在“菜单管理器”中“属性”内选择“左手定则”，点击完成。在“菜单管理器”中“设置草绘平面”内选择要草绘的平面，“方向”内选择“正向”，“草绘视图”内选择“缺省”。

草绘“扫引轨迹”，选择“中间轴”为“旋转轴”，草绘扫引方向及轨迹，输入节距值即导程4 mm，自定义截面，完成螺旋扫描。选择【倒角】命令，对滚珠丝杠齿顶两侧进行倒角0.15 ×45°。滚珠丝杠建模完成，如图2 所示。

2.2 滚珠螺母的建模

参照滚珠丝杠建模方法，进入建模模块。

选择【旋转】命令，按照《北京精密天工滚珠丝杠股份有限公司销售手册》对滚珠螺母连接尺寸进行选择及草绘，设置“中间轴”为“旋转轴”，完成旋转实体建模。选择【打孔】及【阵列】命令，完成法兰上安装孔的建模。

选择【拉伸】—【去除材料】命令，在滚珠螺母体上拉伸反向孔，注意反向孔中心距端面的尺寸为螺旋扫描时的设计基准，设定反向孔中心距右端面的距离为12 mm。选择【增量阵列】，完成滚珠螺母反向孔的建模。

参照滚珠丝杠建模时选择【螺旋扫描】命令，注意扫引轨迹的起点距反向孔中心为(K+0.5)·Ph，其中K 为整数，Ph为导程，完成螺旋扫描。

2.3 反向器的三维建模

参照滚珠丝杠建模方法，进入建模模块。

选择【拉伸】命令，对反向器实体进行拉伸，再选择【拉伸】—【去除材料】命令，完成反向器内外圆弧的建模。

选择【螺旋扫描】—【伸出项】，扫描出反向器的定位“耳朵”，利用【拉伸】—【去除材料】，将多余部分去除。

建立坐标系，需要注意曲线的坐标与反向器实体坐标系一致，如图4。

绘制空间曲线，选择【曲线】命令，“菜单管理器”内选择“自文件”—“得到坐标系”内选择上步建立好的坐标系，在新打开的对话框内，选择事先输入好的空间曲线坐标点文件，点击“打开”。如图5 所示。

空间曲线文件为. ibl 文件，内为空间曲线的绝对坐标值［1］。空间曲线建模完成，如图6 所示。

选择【插入】—【可变剖面扫描】，扫描为实体，将创建的空间曲线单击为亮红色，选择草绘按钮，草绘截面，选择“移除材料”，反向器建模完成。如图7 所示。

2.4 滚珠链的三维建模

Pro/E 在进行滚珠丝杠副的装配时，需要将滚珠链作为一个实体模型，而不能在装配时，随意添加滚珠。滚珠链的建模关键在于滚珠沿螺旋曲线和空间曲线排列，所以在装配之前，需要对滚珠链进行三维建模。

参照滚珠丝杠建模方法，进入建模模块。

选择【曲线】—【从方程】，“坐标系类型”选择“圆柱”，弹出记事本，在记事本内写入如图8 的螺旋线方程，保存并关闭记事本，点击确认，完成螺旋线建模，如图9 所示。

在生成的螺旋上添加空间反向曲线(S 型空间曲线)，建立反向曲线坐标系，参照反向器建模时空间反向曲线绘制步骤，添加完成后，利用曲线的【修剪】命令，剪掉多余部分。如图10 所示。

选择【编辑】—【复制】—【选择性粘贴】，“曲线类型”选择“逼近”，将3 条曲线合并成为1 条曲线。

选择【点】命令，在曲线上创建基准点，使用【比率】，选择【阵列】命令，输入阵列数量(此数量即为单圈循环内滚珠的数量)，完成基准点建立。如图11所示。

选择阵列之前的基准点，在此点上建立通过该点的平面，并选择【旋转】命令，草绘滚珠界面，360°旋转出滚珠实体，在“模型树”内，将旋转出滚珠实体与建立的平面合并为一组，选择【阵列】命令，将建立的组参照阵列，滚珠链三维建模完成，如图12 所示。

3 滚珠丝杠副的装配

滚珠丝杠、滚珠螺母、反向器及滚珠链的三维建模已经完成，装配时，按照相互之间的约束关系进行定位即可。

选择【文件】—【新建】，在类型分组框中选择“组件”，子类型分组框中选择“设计”，名称另存或默认“asm0001”，不使用缺省模板，点击确定。在“新文件选项”中选择“mmns_asm_design”模板，点击确定，进入装配模块。

选择【装配】命令，添加滚珠螺母模型，由于滚珠螺母为第1 个装配零件，不需要进行约束，点击确认，模型添加完成。选择【装配】命令，将反向器作为第2 个进入装配的零件，点击“放置”—“选取元件项目”，将反向器的中心轴线与滚珠螺母体中心轴线对齐，使得反向器内圆弧与滚珠螺母体同轴，选择“新建约束”—“选取元件项目”，将反向器中心平面与螺母端面进行约束，约束类型为“匹配”，“偏移”内选择“偏距”，偏距值与滚珠螺母拉伸反向孔时距端面尺寸一致。选择“新建约束”—“选取元件项目”，选择反向器平行的中心平面与螺母体上与反向孔平行的中心平面“对齐”，3 个约束完成后，第1 个反向器装配完成。

选择【增量阵列】命令，选择装配体中心为阵列基准轴，数量与反向孔数量一致。阵列完成后如图13所示。

选择【装配】命令，将滚珠链作为第3 个进入装配的零件，点击“放置”—“选取元件项目”，将滚珠链的中心轴线与滚珠螺母体中心轴线对齐，使得滚珠链与滚珠螺母体同轴，选择“新建约束”—“选取元件项目”，将滚珠链中心平面与螺母体端面进行约束，约束类型为“匹配”，“偏移”内选择“偏距”，偏距值与滚珠螺母拉伸反向孔时距端面尺寸一致。选择“新建约束”—“选取元件项目”，利用平面对齐，使S 型反向曲线段与反向器S 型滚道平面对齐，3 个约束完成后，第1 个循环滚珠链装配完成。参照反向器【增量阵列】命令，将滚珠链装配完成，如图14 所示。

选择【装配】命令，将滚珠丝杠作为第4 个进入装配的零件，点击“放置”—“选取元件项目”，将滚珠丝杠的中心轴线与滚珠螺母体中心轴线对齐，使得滚珠丝杠与滚珠螺母体同轴，选择“新建约束”—“选取元件项目”，对螺母体端面与丝杠端面进行约束，约束类型为“匹配”，“偏移”内选择“偏距”，偏距值为滚珠螺母螺旋扫描时扫引轨迹起点与丝杠扫引轨迹起点为整数倍导程。装配结束，如图15 所示。

4 结语

由于滚珠丝杠副的使用不断普及，使用领域不断扩大，对滚珠丝杠副的要求也越来越多，普通规格的滚珠丝杠副已远远满足不了使用要求，如航天航空领域、小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置等基本上都需要公称直径DN≤12 mm，导程Ph=0.5 ～2.5 mm 的微型滚珠丝杠副。在微型精密滚珠丝杠副的加工中，反向器的加工则是难点中的难点。此研究不仅可以直观反映出零件设计的合理性，还可以为反向器的模具开发提供良好的设计基础，从而解决具备复杂空间反向曲线的反向器的加工难题。

［1］程光仁，施祖康，张超鹏. 滚珠螺旋传动设计基础［M］. 北京:机械工业出版社，1987.

［2］谭雪松，张霞. Pro/ENGINEER Wildfire4.0 中文版机械设计［M］.北京:人民邮电出版社，2009.