机械制造装备设计5.ppt

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1、1,第5章 机床传动系统设计,主传动系统设计,进给传动系统设计,主传动系统设计应满足的基本要求 主传动系统分类和传动方式 分级变速主传动系统设计 无级变速主传动系统设计,进给传动系统特点及设计要点 进给传动链的传动精度 伺服进给系统的机械机构设计,2,5.1.1 主传动系设计应满足的基本要求,1）运动功能；2）传递动力；3）工作性能；4）产品设计经济性；5）操作灵活可靠，调整维修方便，防护性能好，寿命长。,基本原则：以最经济、合理的方式满足既定的要求。,基本要求,5.1 主传动系统设计,3,（1）按电动机类型分,交流电动机驱动,单速交流电动机,多速交流电机,直流电动机驱动,调速交流电动机,无级

2、调速,5.1.2 主传动系统分类和传动方式,1.主传动系统分类,4,分级变速传动（传动方式、特点）无级变速传动（传动方式、特点）,（2）按传动装置类型,机械传动装置液压传动装置电气传动装置上述装置组合,（3）按变速的连续性,5.1.2 主传动系统分类和传动方式,5,（1）集中传动方式 结构紧凑优点：集中操纵 装调方便 振动影响平稳性缺点：易产生热变形,5.1.2 主传动系统分类和传动方式,2.主传动系统传动方式,6,（2）分离传动方式优点：减小振动、热变 形小；背轮机构：高速传动链短、运转平稳、空载损失小；低速可传递大扭矩、显著扩大变速范围。缺点：两个箱体、不便于 集中操纵；低速时转矩大、传动

3、带易打滑；调整维修不便。,5.1.2 主传动系统分类和传动方式,7,如何使机床主轴获得按等比数列排列的转速？运动参数 拟定结构式 转速图（合理分配各变速组中各传动副的传动比）确定齿轮齿数和带轮直径 绘制主变速传动系图,1.拟定转速图和结构式 1）转速图,多少根轴,轴之间的传动关系,各级转速值及传动路线,各轴转速分级及转速值,各传动副的传动比,5.1.3 分级变速主传动系统设计,8,5.1.3 分级变速主传动系统设计,图5-3,9,轴线：用来表示轴的一组间距相等的竖线；转速线：一组间距相等的水平线，表示转速的对数坐标；,5.1.3 分级变速主传动系统设计,10,转速点：是指在轴线上用来表示该轴所

4、具有的转速值的 圆点或圆圈。一般来讲转速点为轴线和转速线的交点，若不是交点应该单独标出转速值。传动线：是指轴线间转速点的连线，表示相应传动副及 其传动比值。倾斜方向和倾斜程度分别表示传动比的升降和大小；i=1，传动线水平；i1，传动线向右上方倾斜；i1，传动线向右下方倾斜；,5.1.3 分级变速主传动系统设计,11,转速图由三线一点组成：轴线、转速线、传动线、转速点。,轴的数目；主轴及传动轴的转速级数；转速值及其传动路线；变速组组数及传动顺序；各变速组的传动副数及传动比值。,转速图表示了,5.1.3 分级变速主传动系统设计,12,传动比分配方程（转速图原理）,基本组：相邻传动比连线之间相差一个

5、公比，各传动比值是以为公比的等比数列，使主轴获得按等比数列排列的转速而最先起作用的变速组。传动比分配方程：当x0=1时为基本组,5.1.3 分级变速主传动系统设计,13,扩大组：在基本组已经起作用的基础上，起到了再次将转速级数增加的作用。与基本组相连接的扩大组称为第一扩大组；依次称后面的扩大组为第二、三、四扩大组。若使主轴获得连续的等比数列排列的转速，级比指数应满足条件：机床的传动系统都是由若干个变速组串联而成，若任意变速组的传动比之间的关系都能满足传动比分配方程，且满足级比指数条件，这样的系统通常称为常规变速系统。除常规变速系统外，还有特殊变速系统，在实际应用中很常见；,5.1.3 分级变速

6、主传动系统设计,14,2）结构式：将变速组的两个基本参数pi和xi写成 pixi 或pixi的形式来表示一个变速组，然后按运动的传递顺序将每个变速组的基本参数写成乘积的形式，就是所谓的“传动结构式”。例如将图5-3所示的变速系统用结构式表达为：12=312326 或 12=31 23 26当扩大顺序和传动顺序不一致时，还可以写成：12=312623 12=322126 12=322621 等形式,5.1.3 分级变速主传动系统设计,15,结构网：结构网只表示传动组内传动比的相对关系、传动线不表示传动比值；轴上转速点只表示轴上转速的数目，不表示转速值（主轴除外）；结构网表示了每个变速组的变速范围

7、。注意：一个结构式只对应一个结构网；一个结构网或结构式可有多个转速图；一个转速图只能有一个结构式和结构网；,5.1.3 分级变速主传动系统设计,16,R2,R1,R0,12=3123 26,5.1.3 分级变速主传动系统设计,17,2.各变速组的变速范围及极限传动比变速范围：变速组中最大与最小传动比的比值。即,基本组：,第一扩大组：,第二扩大组：,第 i扩大组：,5.1.3 分级变速主传动系统设计,18,主传动传动比确定原则：（升2降4原则）,（直齿轮）,（斜齿轮）,进给传动传动比确定原则：,主传动的最大变速范围：,主轴的变速范围：,5.1.3 分级变速主传动系统设计,19,例如：对于结构式为

8、 12=312326 公比为1.41的主传动系统，其最后一个扩大组的变速范围为：,而对于结构式为12=212234 公比为1.41的主传动系统，其最后一个扩大组的变速范围为：,5.1.3 分级变速主传动系统设计,20,3.主变速传动系设计的一般原则（1）传动副前多后少原则（2）扩大顺序与传动顺序相一致的原则 简称“前密后疏”原则。（3）变速组的降速要前慢后快，中间轴的转速不宜超过 电动机的转速。,5.1.3 分级变速主传动系统设计,21,5.1.3 分级变速主传动系统设计,22,例：设计中型车床的主传动系统已知：主轴最低转速nmin=31.5r/min，主轴级数z=12，转速公比=1.41，要

9、求拟定转速图。1、确定转速数列：查表法（见表4-2）,1.41=1.066,31.5,45,63,90,125,180,250,355,500,710,1000,1400,5.1.3 分级变速主传动系统设计,23,表4-2 标准数列,5.1.3 分级变速主传动系统设计,24,最佳方案的选定应遵循传动副“前多后少”的原则。有利于减小结构尺寸。因此方案最合理。,2、定传动组数和传动副数,可能的方案有：,12=34；12=43；12=322；12=232；12=223,5.1.3 分级变速主传动系统设计,25,3、写传动结构式、画结构网实质是安排扩大顺序：,（a）12=31 23 26（b）12=3

10、2 21 26（c）12=32 26 21（d）12=31 26 23（e）12=34 21 22（f）12=34 22 21,5.1.3 分级变速主传动系统设计,26,5.1.3 分级变速主传动系统设计,27,最佳方案的选择：1）用变速范围r2=(p2-1)x2，筛选可用的方案；只需对最后一个扩大组进行评价。2）对可用方案进行评价；综合考虑两方面的因素：一是转速高，可以使结构尺寸减小，但是有可能带 来噪声；二是转速低，可以减小噪声，但是结构尺寸加大。,5.1.3 分级变速主传动系统设计,28,4、选电动机转速n0 原则上选用和主轴最高转速相近的电动机。普通交流异步电动机在额定功率相同时，其同

11、步转速一般有：3000r/min（2级）、1500r/min（4级）、1000r/min（6级）、750r/min（8级）。因此，可选用1500r/min。,5.1.3 分级变速主传动系统设计,29,小型机床和精密机床：应主要考虑噪声、振动和发热问题，因此转速也不易过高。,1）总趋势是降速传动：要遵循“前慢后快”的原则，即：iaminibminicmin。但是转速也不能过高，一般齿轮的线速度不超过1215m/s。,5、定中间轴转速 在满足升速imax2、降速imin1/4条件下分配各传动组的传动比。,中型机床：中间轴的最高转速不易超过电机转速；,5.1.3 分级变速主传动系统设计,30,2）总

12、趋势是升速传动,5.1.3 分级变速主传动系统设计,31,电机轴,R2,(r/min),1400,1000,710,500,355,250,180,125,90,63,45,31.5,0,1440(r/min),i=1/4,5.1.3 分级变速主传动系统设计,32,(r/min),1400,1000,710,500,355,250,180,125,90,63,45,31.5,电机轴,0,1440(r/min),R2,5.1.3 分级变速主传动系统设计,33,(r/min),1400,1000,710,500,355,250,180,125,90,63,45,31.5,电机轴,0,1440(r/

13、min),R2,5.1.3 分级变速主传动系统设计,34,(r/min),1400,1000,710,500,355,250,180,125,90,63,45,31.5,电机轴,0,1440(r/min),R2,5.1.3 分级变速主传动系统设计,35,24=2132(1+(26 26-1),5.1.3 分级变速主传动系统设计,36,4.主变速传动系的几种特殊设计（1）具有多速电动机的主变速传动系设计,特点：可以简化结构,运转中变速,适用范围：半自动、自动机床、普通机床,常用电机转速：同步转速（750/1500）r/min,同步转速（750/1500/3000）r/min,（1500/3000

14、）r/min,（1000/1500）r/min,（750/1000/1500）r/min,三速电机,双速电机,5.1.3 分级变速主传动系统设计,37,8=2221 24,5.1.3 分级变速主传动系统设计,38,（2）具有交换齿轮的变速传动系,特点：,应用范围：,大大简化结构,不需操纵机构,变速费时、麻烦,自动或半自动车床,专用机床,齿轮加工机床,5.1.3 分级变速主传动系统设计,39,5.1.3 分级变速主传动系统设计,40,（3）采用公用齿轮的变速传动系 在变速传动系中，即是前一变速组的被动齿轮，又是后一变速组的主动齿轮，称为公用齿轮。,5.1.3 分级变速主传动系统设计,41,5.扩

15、大传动系变速范围的方法（1）增加变速组 在原有的变速传动系 内再增加一个变速组，是扩大变速范围最简 便的方法。,重复,5.1.3 分级变速主传动系统设计,42,（2）采用背轮机构 背轮机构又称回曲机构，注意“超速”现象,5.1.3 分级变速主传动系统设计,43,5.1.3 分级变速主传动系统设计,44,（3）采用双公比的传动系 在通用机床的使用中，每级转速使用的机会不太相同。经常使用的转速一般是在转速范围的中段，转速范围 的高、低段使用较少。双公比传动系就是针对这一情 况而设计的。主轴的转速数列有两个公比，转速范围 中经常使用的中段采用小公比，不经常使用的高、低 段用大公比。,5.1.3 分级

16、变速主传动系统设计,45,5.1.3 分级变速主传动系统设计,46,（4）采用分支传动 分支传动是指在串联型式变速传动系的基础上，增加并联分支以扩大变速范围。,5.1.3 分级变速主传动系统设计,47,24=2132(1+(26 26-1),5.1.3 分级变速主传动系统设计,48,6.齿轮齿数的确定1）定比传动齿轮齿数的确定 满足传动比要求，依据机械设计手册推荐的方法。2）滑移齿轮变速组中齿数的确定 对于外联系传动链，当传动比是标准公比的整数次方时，可采用查表法。对于传动比要求准确的传动链（如内联系传动链），可通过计算法确定各变速组内齿轮副的齿数。当各对齿轮模数相同，且不变位，则各对齿轮副的

17、齿数和必然相等。由此可得,5.1.3 分级变速主传动系统设计,49,5.1.3 分级变速主传动系统设计,50,5.1.3 分级变速主传动系统设计,51,齿数和的选取：模数大增大齿数和（1）初选 计算齿轮模数 模数小减小齿数和（2）初选中心距 设定模数 计算齿数和 查表修 改齿数和 修改中心距,5.1.3 分级变速主传动系统设计,52,3）确定齿数和应注意的事项：（1）齿数和不宜过小 避免小齿轮根切，同时满足结构需要。,5.1.3 分级变速主传动系统设计,53,（2）齿数和不宜过大 通常Sz100120（3）三联滑移齿轮顺利通过条件 三联滑移齿轮的最大和次大齿轮齿数差4。（4）满足转速图上传动比

18、要求 验算实际传动比与理论传动比之间的转速误差：,5.1.3 分级变速主传动系统设计,54,转速误差过大，要修正齿数和。有时在希望的齿数和范围内，找不到变速组各传动副相同的齿数和，为了满足传动比要求，可选择齿数和不等，但差数一般小于13，然后采用齿轮变位，保证中心距。,5.1.3 分级变速主传动系统设计,55,7.计算转速 1）机床的功率扭矩特性（1）恒扭矩传动：主运动为直线运动的机床，驱动直线运动工作台的传动件在所有转速下承受的转矩基本相同。（2）恒功率传动：主运动为回转运动的机床，主轴在所有转速下承受的转矩与工件或刀具直径基本成正比，但主轴转速与工件或刀具直径基本成反比。,5.1.3 分级

19、变速主传动系统设计,56,5.1.3 分级变速主传动系统设计,57,（3）计算转速：主轴或各传动件传递全部功率的最低转速。2）变速传动系中传动件计算转速的确定（1）先计算出主轴的计算转速；（2）由转速图确定各传动件的计算转速；确定方法：找出该传动件有几级转速，确定哪一级传递了全部功率，再确定传递全功率的最低转速。,5.1.3 分级变速主传动系统设计,58,5.1.3 分级变速主传动系统设计,59,5.1.3 分级变速主传动系统设计,60,计算主轴的计算转速,例5-2：确定主轴、传动轴及各对齿轮的计算转速,1400,1000,710,500,355,250,180,125,90,63,45,电,

20、确定传动轴的计算转速,确定各齿轮的计算转速,5.1.3 分级变速主传动系统设计,61,1）变速箱内各传动轴的空间布置（1）满足变速箱形状和尺寸的要求；（2）满足各轴受力要求；（3）满足装配要求；（4）满足操纵要求；（5）满足维修要求。,8.变速箱内传动件的空间布置与计算,5.1.3 分级变速主传动系统设计,62,5.1.3 分级变速主传动系统设计,63,5.1.3 分级变速主传动系统设计,64,5.1.3 分级变速主传动系统设计,65,2）变速箱内各传动轴的轴向固定 一端固定 单列向心球轴承固定方式 单列向心球轴承 两端固定 圆锥滚子轴承一端固定的优点：轴受热后可以向另一端自由伸长，不会产生热

21、应力（宜用于长轴）。,5.1.3 分级变速主传动系统设计,66,5.1.3 分级变速主传动系统设计,67,5.1.3 分级变速主传动系统设计,68,5.1.3 分级变速主传动系统设计,69,3）各传动轴的估算和验算传动轴工作时必须保证足够的弯曲刚度和扭转刚度。设计开始时要先按扭转刚度估算传动轴的直径，待结构确定后，定出轴的跨距，再按弯曲刚度进行验算。（1）按扭转刚度估算轴的直径,5.1.3 分级变速主传动系统设计,70,5.1.3 分级变速主传动系统设计,71,（2）按弯曲刚度验算轴的直径 受力分析：根据轴上滑移齿轮不同位置，选出受力变形最严重的位置进行验算；齿轮处于轴的中部时：验算齿轮处的挠

22、度；齿轮处于轴端附近时：验算齿轮处的倾角及轴承处的倾角。,5.1.3 分级变速主传动系统设计,72,5.1.3 分级变速主传动系统设计,73,4）齿轮的布置与排列,（1）滑移齿轮的轴向布置,一般布置在主动轴上，目的是为了减小结构尺寸，操纵省力；,由于结构需要，也可能放在从动轴上；,为了变速操纵方便，有时也将两个变速组的滑移齿轮放在同一根轴上。,5.1.3 分级变速主传动系统设计,74,5.1.3 分级变速主传动系统设计,（1）滑移齿轮的轴向布置,75,（2）一个变速组内齿轮轴向位置的排列,5.1.3 分级变速主传动系统设计,76,5.1.3 分级变速主传动系统设计,（2）一个变速组内齿轮轴向位

23、置的排列,77,（2）一个变速组内齿轮轴向位置的排列,5.1.3 分级变速主传动系统设计,三联滑移齿轮排列方式，转速的变换顺序并不是由小到大或由大到小，而是混杂变换的，如希望能按大小顺序进行，,78,（3）两个变速组内齿轮轴向位置的排列,Z1-Z24,5.1.3 分级变速主传动系统设计,79,Z1-Z24,Z3-Z44,1,2,4,3,1,2,4,3,5.1.3 分级变速主传动系统设计,80,Z1-Z24,1,2,5.1.3 分级变速主传动系统设计,81,5.1.3 分级变速主传动系统设计,82,1.无级变速装置的分类 无级变速是指在一定范围内，转速（或速度）能连续地变换。变速电动机无级变速装

24、置 机械无级变速装置 液压无级变速装置,5.1.4 无级变速主传动系统设计,83,直流复励电动机（1）变速电动机 交流变频电动机特点：额定转速以上为恒功率变速，调速范围23；额定转速以下为恒扭矩变速，调整范围30甚至更大。柯普（KOOp）型（2）机械无级变速装置 行星锥轮型 分离锥轮钢环型 宽带型特点：利用摩擦力来传递扭矩；连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速；为恒扭矩传动；变速范围小。,5.1.4 无级变速主传动系统设计,84,（3）液压无级变速装置 液压无级变速装置通过改变单位时间内输人入液压缸或液动机中液体的油量来实现无级变速。特点是变速范围较大、变速方便、传动平稳、运动换向时冲击

25、小、易于实现直线运动和自动化。,5.1.4 无级变速主传动系统设计,85,2.无级变速主传动系设计原则（1）尽量选择功率和扭矩特性符合传动系统要求的无级变速装置。（2）串联有级变速机构，扩大恒功率变速范围。例5-3 设机床主轴的的变速范围Rn=60，无级变速箱的变速范围Rd=8，设计机械分级变速箱，求出其级数，并画出转速图。,5.1.4 无级变速主传动系统设计,86,3.数控机床主传动系设计特点 1）主传动采用直流或交流电动机无级调速（1）直流电动机无级调速,5.1.4 无级变速主传动系统设计,87,直流电动机是采用调压和调磁方式来得到主轴所需的转速。从最低转速至电动机额定转速，是通过调节电枢

26、电压，保持励磁电流恒定的方法进行调速，属于恒扭矩调速，起动力矩大，响应快，能满足低速切削需要。从额定转速至最高转速，是通过改变励磁电流，从而改变励磁磁通，保持电枢电压恒定的方法进行调速，属于恒功率调速。加大励磁电流会引起电刷 产生火花，限制了最高转速。,5.1.4 无级变速主传动系统设计,88,（2）交流电动机无级调速 交流调速电动机通常是通过调频进行变速，体积小，转动惯量小，动态响应快，无电刷，最高转速不受火花限制。,5.1.4 无级变速主传动系统设计,89,2）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计 在设计数控机床主传动时，必须要考虑电动机与机床主轴 功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒

27、功率变速范围远大 于电动机的恒功率变速范围。,变速箱的公比选取：（1）取变速箱的公比等于电动机的恒功率调速范围，最普遍 情况。（2）取变速箱公比大于电动机的恒功率调速范围，可简化变速箱结构，但电动机的功率应相应增大。（3）如果数控机床为了恒线速切削需在运转中变速时，取变速箱公比小于电动机的恒功率变速范围，使 一部分转速重合，但机械结构会复杂。,5.1.4 无级变速主传动系统设计,90,2）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计,5.1.4 无级变速主传动系统设计,91,5.1.4 无级变速主传动系统设计,92,5.1.4 无级变速主传动系统设计,93,5.1.4 无级变速主传动系统设计,恒

28、功率段重合传动系统,94,3）数控机床高速主传动设计 提高的主轴转速，要求主轴系统的结构必须简化，减小 惯性，主轴旋转精度要高，动态响应要好，振动和噪声 要小。,对于高速和超高速数控机床主传动一般采用两种设计方式：一种是采用联轴节将机床主轴和电动机轴串接成一体，将中间传动环节减少到仅剩联轴节；,5.1.4 无级变速主传动系统设计,95,另一种是将电动机与主轴合为一体，制成内装式电主轴，实现无任何中间环节的直接驱动,5.1.4 无级变速主传动系统设计,96,4）数控机床采用部件标准化、模块化结构设计,5.1.4 无级变速主传动系统设计,97,5）数控机床的柔性化、复合化数控车床由单主轴发展成具有

29、两根主轴，又在此基础上增设附加控制轴C轴控制功能，即主轴的回转可控制，成为车削中心；再配备后备刀库和其它辅助功能如刀具检测装置、补偿装置、加工监控等.再增加自动装卸工件的工业机器手和更换卡盘装置等，成为适合于中小批量生产用自动化的车削柔性制造单元,5.1.4 无级变速主传动系统设计,98,5.1.4 无级变速主传动系统设计,99,5.2 进给传动系统设计,5.2.1 进给传动系统特点及设计要点,1.进给传动的类型及组成,进给传动用来实现机床的进给运动和有关辅助运动。,机械进给传动液压进给传动电气进给传动,100,5.2 进给传动系统设计,1）机械进给传动 主要由动力源，变速、换向、运动分配、安

30、全、运动转换、执行、快速传动等机构组成。,101,5.2 进给传动系统设计,2）液压进给传动,3）电气进给传动,通过液压缸等传递动力和运动，并通过液压控制技术实现无级调速、换向、运动分配、过载保护和快速运动。,采用无级调速电动机，直接或经过简单齿轮变速或同步齿形带变速，驱动齿轮齿条或丝杠螺母机构等传递动力和运动。,102,5.2 进给传动系统设计,2.进给传动系统设计要点,1）进给传动的特点,（1）分为“外联系”进给传动链、“内联系”进给传动链。（2）进给传动速度低、受力小、消耗功率少。（3）对传动链换接的要求比较多。（4）载荷特点为恒扭矩工作。,103,5.2 进给传动系统设计,2）进给传动

31、系统设计应满足的要求,（1）具有足够的静刚度和动刚度。（2）具有良好的快速响应性。（3）具有良好的抗振性。（4）具有足够宽的调速范围。（5）具有高的传动精度和定位精度。（6）结构简单、工艺性好，调整维修方便、操纵灵活。,104,5.2 进给传动系统设计,3）进给传动系统设计要点,（1）各传动件的计算转速是其最高转速。（2）变速系统的传动副“前少后多”、降速“前快后慢”、传动线“前疏后密”。（3）变速范围可取大一些。（4）采用传动间隙消除机构。（5）采用快速空行程传动。（6）采用微量进给机构。,105,5.2 进给传动系统设计,5.2.2 进给传动链的传动精度,1.误差来源,传动件的制造误差和装

32、配误差以及传动件因受力和温度变化而产生的变形等。,106,5.2 进给传动系统设计,2.误差传递规律,107,5.2 进给传动系统设计,3.提高传动精度措施和“内联系”传动链设计原则,1）缩短传动链。2）合理分配传动副的传动比。传动比应采取递降原则。,108,5.2 进给传动系统设计,3）合理选择传动件。“内联系”传动链不允许采用传动比不准确的传动副。传动精度要求高的传动链，应尽量不用或少用传动比不准确的传动副。4）合理分配传动副的传动确定各传动副精度。5）采用校正装置。,109,5.2 进给传动系统设计,5.2.3 伺服进给系统的机械机构设计,1.传动齿轮副,必须考虑减少摩擦阻力、提高传动精

33、度和刚度、减少运动惯量等问题。,1）作用：减速、增大转矩、检测。,（1）满足强度要求。（2）合理分配速比。（3）传动间隙的影响。,2）设计时应考虑的问题：,110,5.2 进给传动系统设计,（1）刚性调整法,3）消除传动齿轮间隙的措施：,111,5.2 进给传动系统设计,（2）柔性调整法,3）消除传动齿轮间隙的措施：,112,5.2 进给传动系统设计,2.丝杠螺母副,1）滚珠丝杠螺母副工作原理与特点,特点：（1）摩擦损失小、效率高，可达90%96%。（2）摩擦阻力小、动静摩擦力之差小，精度保持性好，寿命长。（3）间隙消除或预紧，可消除反向间隙，定位精度高，轴向刚度大。（4）不能自锁，传动具有可逆性。,113,5.2 进给传动系统设计,2）滚珠丝杠螺母副的循环方式,外循环滚珠循环过程中有时与丝杠脱离接触,114,5.2 进给传动系统设计,2）滚珠丝杠螺母副的循环方式,内循环滚珠循环过程中始终与丝杠保持接触,115,5.2 进给传动系统设计,3）滚珠丝杠螺母副的预紧方法,