由于精密滚珠丝杠副具有定位精度好、刚度高、摩擦系数小等优点，被广泛应用于各种工业设备、精密仪器的进给机构，尤其在精密数控机床的直线驱动执行单元中得到广泛应用。随着数控机床向高速化、高精度化、复合化与环保化方向发展，对滚珠丝杠副的进给速度提出了越来越高的要求。由于滚珠丝杠副转速的提高受到临界dN值(d为滚珠丝杠副的公称直径(mm)：N为丝杠副的转速(r／min))的限制，其进给速度的提高主要是靠增大滚珠丝杠副的导程来实现的。但随着滚珠丝杠副导程的增大，螺旋角随之增大，使滚珠丝杠副的加工难度增大，滚珠丝杠副的动力学和力学性能也发生了改变。因此，研制开发高速滚珠丝杠副的首要任务就是完善现有的滚珠丝杠副理论，并应用相关理论改进目前滚珠丝杠副的设计和加工方法，结合可行的试验方案，找到影响滚珠丝杠副性能的主要因素，从而有效地提高滚珠丝杠副的性能。本文应用经典力学理论对精密滚珠丝杠副运动学、动力学进行了分析，并结合相应的实验研究了滚珠丝杠副在设计、制造中存在的一些问题，具体工作如下：1．系统综述了滚珠丝杠发展历史和趋势，概括了目前国内外滚珠丝杠副理论研究、生产加工的现状，指出了目前高速滚珠丝杠副的理论研究和实际加工存在的问题，介绍了课题的背景和研究内容，提出了论文的研究目的。2．系统研究了螺旋滚道内滚珠循环运动学理论，分析了滚珠运动的影响因素。首先应用微分几何学原理，建立了Frenet-Serret活动标架。充分考虑螺旋升角因素，推导出了螺旋滚道内的滚珠数目。根据接触点处的位置矢量和滑动速度矢量之间的协调条件，确定了滚珠与滚道之间接触点的位置。根据滚珠稳定状态时角加速度等于零，求解出了滚珠滚动速度与丝杠轴转速之间的关系。最后考虑滚珠的弹性变形，分析了滚珠与滚道接触点处的运动形式。理论研究发现，滚珠丝杠副中滚珠与螺旋滚道之间的相对滑动是不可避免的，随着接触角和螺旋升角的增大，滚珠公转速度和自转角速度都会增大。3．结合理论研究和软件仿真的方法，研究了滚珠丝杠副中滚珠循环反向过程的运动学、动力学，提出了导珠管优化设计思路。首先根据牛顿定律和赫兹理论，建立了滚珠与导珠管之间的碰撞接触力学模型。应用所建立的力学模型，比较不同材料、结构和碰撞角条件下的滚珠与导珠管的碰撞力，得出滚珠与导珠管之间的碰撞角是影响碰撞力大小的主要因素。应用多体动力学软件ADAMS和有限元软件Ansys—lsdyna，对滚珠在循环导向装置中的运动过程作了动力学仿真，得出了滚珠在反向循环过程中的速度、动能变化以及导珠管的应力分布变化情况。仿真结果得出的滚珠与导珠管之间的碰撞点、应力集中的位置与疲劳损坏的导珠管的布氏压痕、疲劳断裂的位置基本一致。仿真结果表明，滚珠能量损耗不均、导珠管应力分布集中都是由于导珠管中心线的曲率变化不均造成的。因此本文提出导珠管优化设计思路：将导珠管型线曲率的变化率设计为定值，以提高滚珠循环反向的流畅性。4．建立了滚珠丝杠副的力学模型，分析了螺旋升角对滚珠丝杠副力学性能的影响。首先考虑螺旋升角因素的影响，推导出了螺旋滚道面主曲率。根据计算结果应用赫兹理论得出滚珠和螺旋滚道之间的弹性接触变形量，从而得出滚珠丝杠副弹性变形的理论模型。为了验证力学模型的正确性，根据实际零件的尺寸建立了有限元模型，有限元分析结果与理论模型计算结果基本一致。在滚珠丝杠副运动学和力学理论模型的基础上，研究了动态预紧转矩的理论计算方法，并分析了滚珠丝杠副动态预紧转矩的影响因素。由理论模型得出，接触角、螺旋升角的增大降低了滚珠丝杠副的轴向弹性变性量；滚珠丝杠副动态预紧转矩变化主要反映了循环滚道中滚珠的运动受力状态的变化。5．对滚珠丝杠副动态预紧转矩、振动特性、噪声及疲劳失效情况进行了测量，并对试验结果进行了理论分析。实验测量结果表明：随着滚珠丝杠副螺旋升角的提高，滚珠的角速度变大，滚珠与循环滚道之间摩擦加剧；滚珠循环反向过程中的碰撞是影响滚珠丝杠副的动力学性能主要因素。6．针对大导程滚珠丝杠螺母的加工过程中出现的砂轮刚度低、磨削范围小等问题，本文对加工大导程滚珠丝杠螺母提出了新方法。首先根据砂轮磨削螺母实际加工过程和砂轮修形过程，应用齿轮啮合原理和几何原理建立了相应的理论模型，并采用相应数值方法得出砂轮轴向截形与砂轮安装角之间的函数关系，在此基础上分析了砂轮磨削螺母的原理误差。软件仿真和实际加工试验表明本文提出的同时改变砂轮安装角和砂轮轴向截形的加工方法，能够提高大导程丝杠螺母的加工质量，满足生产要求。本文的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。本课题得到国家自然科学基金项目“滚珠丝杠副滚动力学分析及试验研究(50675124)”的支持。