滾珠絲杠的設計計算與選用VIP

滾珠絲杠的設計計算與選用 滾珠絲杠 滾 珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。 滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 1)與滑 動絲杠副相比驅(qū)動力矩為 1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動 ,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到 1/3 以下 ,即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫助。 2)高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面 ,對溫度 濕度進行了嚴格的控制 ,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 3)微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動 ,所以啟動力 矩極小 ,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象 ,能保證實現(xiàn)精確的微進給。 4)無側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓 ,由于予壓力可使軸向間隙達到負值 ,進而得到較高的剛性 (滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力 ,在實際用于機械裝置等時 ,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強 )。 5)高速進給可能 滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給 (運動 )。 滾珠絲杠副特性 傳動效率高 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達 90% 98%，為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的2 4倍，如圖 1.1.1所示，所以能以較小的扭矩得到較大的推力， 亦可由直線運動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運動（運動可逆）。 運動平穩(wěn) 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時無顫動、低速時無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進給。 高精度 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運動中溫升較小，并可預緊消除軸向間隙和對絲杠進行預拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復定位精度。 高耐用性 鋼球滾動接觸處均經(jīng)硬化（ HRC58 63）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 同步性好 由于運動平穩(wěn)、反應靈敏、無阻滯、無滑移 ，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 高可靠性 與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 無背隙與高剛性 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)采用歌德式（ Gothic arch）溝槽形狀（見圖2.1.2 2.1.3）、使鋼珠與溝槽達到最佳接觸以便輕易運轉(zhuǎn)。若加入適當?shù)念A緊力，消除軸向間隙，可使?jié)L珠有更佳的剛性，減 少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達到更高的精度。 現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，一批又一批的高速數(shù)控機床應運而生。它不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對進給系統(tǒng)提出了很高的要求： (1)最大進給速度應達到 40m/min 或更高； (2)加速度要高，達到 1g 以上； (3)動態(tài)性能要好，達到較高的定位精度。 縱向滾珠絲杠的設計與計算 已知條件： 工作臺重量1W=80KG=800N 工件及夾具最大重量 2W =200N 工作臺最大行程 LK =950mm 工 作 臺 導 軌 的 摩 擦 系 數(shù) 為 u=0.1 快 速 進 給 速 度 maxV=4m/min 定位精度為 20um/300mm,全行程 25um,重復定位精度為10um 要求壽命為 10000 小時（單班制工作十年）。各種切削方式的縱向切削力Fa,速度 V 和時間比例 q 及其他見下表 表一各種切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時間比例 q 切削方式 縱向切削力 Pxi(N) 垂向切削力 Pzi(N) 進給速度 Vi(m/min) 工作時間百分比 % 絲杠軸向載荷 (N) 絲杠轉(zhuǎn)速 r/min 強力切削 2000 1200 0.6 10 2200 60 一般切削 1000 500 0.8 30 1150 80 精切削 500 200 1 50 620 100 快速進給 0 0 1000 375 圖二 進給用滾珠絲杠裝配圖 FFZD4005-3-P31） 確定滾珠絲杠副的導程 m ax* m axVPh in maxV：工作臺最高移動速度 maxn：電機最高轉(zhuǎn)速； I ：傳動比 電機與絲杠間為齒輪連接式， i=4（取一級減速齒輪） 由上表查得1W=4m/min，maxn=1500r/min 代入得 Ph0.67mm 查現(xiàn)代機床設計手冊取 Ph5mm 2） 確定當量轉(zhuǎn)速與當量載荷 （ 1） 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速 Vini ph 由上表查的1v=0.6, 2v=0.8, 3v=1, Ph=4 代入得1n120，2n160，3n200，4n800 （ 2） 各種切削方式下，絲杠軸向載荷12( ) / 1 0i x i z iF p w w p iF ：絲杠軸向載荷， xip ：縱向切削力， zip ：垂向切削力 由上表得 xip (i=1,2,3,4)分別為 2000 N,1000N,500N,0N zip (i=1,2,3,4)分別為 1200N,500N,200N,0N 已知 1w 800 N， 2w 200 N 代入得 iF (i=1,2,3,4)分別為 2200N， 1150N， 620N， 1000N （ 3） 當量轉(zhuǎn)速 mn mn 1*n 1t/100+2*n 2t/100+3*n 3t/100+4*n 4t/100 數(shù)據(jù)代入得mn240r/min （ 4） 當量載荷 3 3 3 3331 1 2 2 4 4* * * * * * 1 0 0 * 1 0 0 * 1 0 0 * 1 0 0m m m mntn t n t n tn n n n3m 1 2 3 4F = F F + F + F 帶入數(shù)據(jù)得 mF 1057N 3） 初選滾珠絲杠副 由公式現(xiàn)代機床設計手冊（ 3.7 24）知 6 3* * *10 * ( * )60 a t h a kh m m wc f f f fLn F f 查現(xiàn)代機床設計手冊表（ 3.7 51） 表（ 3.7 54） 得 tf 1， hf 1， af 1， kf 0.53， wf =1.3， hL 10000h 代入數(shù)據(jù)可求得ac 13589N=13.58KN 4)確定允許的最小螺紋底徑 （ 1）估算絲杠允許的最大軸向變形量 m （ 1/3 1/4）重復定位精度 m (1/4 1/5 )定位精度 m：最大軸向變形量m 已知重復定位精度 10m 定位精度 25m m 3m，m 6m 取兩種結(jié)果最小值m 3m （ 2）估算最小螺紋底徑 絲杠要求預拉伸，取兩端固定的支承形式 002 1 0 * * *1 0 0 . 0 3 9*mmmF L F LdE 2md：最小螺紋底徑 mm L（ 1.1 1.2）行程 +(10 14) Ph 靜摩擦力0F=01W 已知行程 950mm， 1W 800N, 0 =0.2 代入數(shù)據(jù)得 L=1110mm，0F 160N, 2md=9.5mm 5）確定滾珠絲杠副得規(guī)格代 號 （ 5） 選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒螺母型墊片預緊形式 （ 6） 由計算出的 Ph，amc，2md在現(xiàn)代機床設計手冊中選取相應規(guī)格的滾珠絲杠副 FFZD4005-5 Ph =5, ac =22000N amc =13589N 6)確定滾珠絲 杠副預緊力 PF=max13F 其中maxF 2200 PF 733N 7)行程補償值與拉伸力 （ 1）行程補償值 C=11.8 3*10utl 式中ul 2k n aL L L 查現(xiàn)代機 床設計手冊 kL 950 nL 110， aL （ 2 4） Ph 15 t 溫差取 02.5c 代入數(shù)據(jù)得 C=32m (2)預拉伸力 tF 1.95 t 22d 代入得tF 4807N 8）確定滾珠絲杠副支承用得軸承代號，規(guī)格 （ 1）軸承所承受得最大軸向載荷 maxBF 4807 2200 7007 （ 2）軸承類型 兩端固定的支承形式，選背對背 600c 角接觸推力球軸承 （ 7） 軸承內(nèi)徑 d 略小于2d 40，BPF=13 maxBF，取 d 30 帶入數(shù)據(jù)得BPF 2336N （ 8） 軸承預緊力：預力負荷 BPF （ 9） 按現(xiàn)代機床設計手冊選取軸承型號規(guī)格 當 d 30mm，預加負荷為： BPF 所以送 7602030TVP 軸承 d 30，預加負荷為 2900BPF 2336N 9)滾珠絲杠副工作圖設計 (1)絲杠螺紋長度 2s u eL L L 由表查得余程 eL （ 2）兩固定支承距離1L，絲杠 L (3)行程起點離固定支承距離0L sL 1290，1L 1350 eL 1410，0L 30 10）傳動系統(tǒng)剛度 （ 1）絲杠抗壓剛度 1）絲杠最小抗壓剛度 minsk 6.6 2 221* *10dl 2d:絲杠底徑 1l ：固定支承距離 代入數(shù)據(jù) minsk 782N/m 2）絲杠最大抗壓剛度 maxsk 6 .6 2 2210 1 0* * 1 04 ( )dll l l 代入數(shù)據(jù)得 9000 N/m （ 2）支承軸承組合剛度 1）一對預緊軸承的組合剛度 2530 m a x2 * 2 . 3 4 * s i nB Q aK d z F Qd ：滾珠直徑 mm， Z：滾珠數(shù) maxaF ：最大軸向工作載荷 N ：軸承接觸角 由現(xiàn)代機床設計手冊查得 7602030TVP 軸承 maxaF 是預加載荷得 3 倍 maxak 8700N/m 0BK=375 N/m 2）支承軸承組合剛度 2bk 0BK bk 750 N/m 3)滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度 1 / 3()0 .1pccaFkkc ck ：現(xiàn)代機床設計手冊上的剛度 ck 2150 N/m, ac =2200N, pF =733N 代入數(shù)據(jù)得 ck 1491 N/m 11）剛度驗算及精 度選擇 Qd=3.5， Z 17， 060 （ 1）m i n m i n1 1 1 1s b ck k k k 代入前面所算數(shù)據(jù)得min1k 130 m a x m a x1 1 1 1s b ck k k k 代入前面所算數(shù)據(jù)得max1k 1476 0 0 1Fw 已知 1w 800N, 0 =0.2, 0F =160N 0F :靜摩擦力， 0 ：靜摩擦系數(shù)， 1w ：正壓力 （ 2）驗算傳動系統(tǒng)剛度 mink01.6F反 向 差 值；已知反向差值或重復定位精度為 10 mink 3025.6 （ 3）傳動系統(tǒng)剛度變化引起得定位誤差 k 0F （min1k max1k ），代入 k 5 m （ 4）確定精度 300pv：任意 300mm 內(nèi)行程變動量對系統(tǒng)而言 300pv 0.8定位精度k 定位精度為 20m/300 300pv14.3m,絲杠精度取為 3 級 300pv 12mmaxn=1500 橫向滾珠絲杠的設計與計算 已知條件： 工作臺重量1W=80KG=800N 工件及夾具最大重量 2W =200N 工作臺 最大行程KL=950mm 工作臺導軌的摩擦系數(shù)為 u=0.1 快速進給速度 maxV =2m/min 定位精度為 20um/300mm,全行程 25um,重復定位精度為 10um 要求壽命為10000 小時（單班制工作十年）。各種切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時間比例 q 及其他見下表 表二切削方式的縱向切削力 Fa,速度 V 和時間比例 q 切削方式 縱向切削力 Pxi(N) 垂向切削力 Pzi(N) 進給速度 Vi(m/min) 工作時間百分比 % 絲杠軸向載荷 (N) 絲杠轉(zhuǎn)速 r/min 強力切削 2000 1200 0.6 10 2920 60 一般切削 1000 500 0.8 30 1850 80 精切削 500 200 1 50 1320 100 快速進給 0 0 2 800 1500 1） 確定滾珠絲杠副的導程 max* maxVPh inmaxV：工作臺最高移動速度； maxn：電機最高轉(zhuǎn)速 I ：傳動比 電機與絲杠間為齒輪連接式 i=4（取一級減速齒輪） 由上表查得maxV=2m/min，maxn=1500r/min 代入得 Ph0.33mm 查現(xiàn)代機床設計手冊取 Ph5mm 2） 確定當量轉(zhuǎn)速與當量載荷 （ 1） 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速 Vini ph 由上表查的1v=0.6, 2v=0.8, 3v=1, 4v=2 代入得1n120，2n160，3n200，4n400 （ 2） 各種切削方式下，絲杠軸向載荷12( ) / 1 0i x i z iF p w w p iF ：絲杠軸向載荷， xip ：縱向切削力， zip ：垂向切削力 由上表得 xip (i=1,2,3,4)分別為 2000 N,1000N,500N,0N zip (i=1,2,3,4)分別為 1200N,500N,200N,0N 已知 1w 800 N， 2w 200 N 代入得 iF (i=1,2,3,4)分別為 2200N， 1150N， 620N， 1000N （ 3） 當量轉(zhuǎn)速 mn 1*n 1t/100+2*n 2t/100+3*n 3t/100+4*n 4t/100 數(shù)據(jù)代入得mn 200r/min （ 4） 當量載荷 3 3 3 3331 1 2 2 4 4* * * * * * 1 0 0 * 1 0 0 * 1 0 0 * 1 0 0m m m mntn t n t n tn n n n3m 1 2 3 4F = F F + F + F 帶入數(shù)據(jù)得 mF 1097N 3） 初選滾珠絲杠副，由公式現(xiàn)代機床設計手冊（ 3.7 24）知 6 3* * *10 * ( * )60 a t h a kh m m wc f f f fLn F f 查現(xiàn)代機床設計手冊表（ 3.7 51） 表（ 3.7 54） 得 tf 1， hf 1， af 1， kf 0.53， wf =1.3， hL 10000h 代入數(shù)據(jù)可求得ac 13272N=13.27KN 4)確定允許的最小螺紋底徑 （ 1）估算絲杠允許的最大軸向變形量 m （ 1/3 1/4）重復定位精度 m (1/4 1/5 )定位精度 m：最大軸向變形量m 已知重復定位精度 10m，定位精度 25m， m 3m m 6m 取兩種結(jié)果最小值m 3m （ 2）估算最小螺紋底徑 絲杠要求預拉伸，取兩端固定的支承形式 002 1 0 * * *1 0 0 . 0 3 9*mmmF L F LdE 2md：最 小螺紋底徑 mm L（ 1.1 1.2）行程 +(10 14) Ph 靜摩擦力0F=01W 已知行程 950mm， 1W 800N, 0 =0.2 代入數(shù)據(jù)得 L=1110mm，0F 160N, 2md=9.5mm 5）確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號 （ 1） 選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒螺母型墊片 預緊形式 （ 2） 由計算出的 Ph，amc，2md在現(xiàn)代機床設計手冊中選取相應規(guī)格的滾珠絲杠副 FFZD4005-5 Ph =5, ac =22000N amc =13272N 6)確定滾珠絲杠副預緊力 PF=max13F 其中maxF 2200 PF 733N 7)行程補償值與拉伸力 （ 1）行程補償值 C=11.8 3*10utl ，式中ul 2k n aL L L 查現(xiàn)代機床設計手冊 kL 950， nL 110， aL （ 2 4） Ph 15 t 溫差取 02.5c 代入數(shù)據(jù)得 C=32m (2)預拉伸力 tF 1.95 t 22d 代入得tF 4807N 8）確定滾珠絲杠副支承用得軸承代 號，規(guī)格 （ 1）軸承所承受得最大軸向載荷 maxBF 4807 2200 7007 （ 2）軸承類型 兩端固定的支承形式，選背對背 600c 角接觸推力球軸承 （ 3） 軸承內(nèi)徑 d 略小于2d 40，BPF=13 maxBF，取 d 30 帶入數(shù) 據(jù)得BPF 2336N （ 4） 軸承預緊力：預力負荷 BPF （ 5） 按現(xiàn)代機床設計手冊選取軸承型號規(guī)格 當 d 30mm，預加負荷為： BPF 所以送 7602030TVP 軸承 d 30，預加負荷為 2900BPF 2336N 9)滾珠絲杠副工作圖設計 (1)絲杠螺紋長度 2s u eL L L 由表查得余程 eL （ 2）兩固定支承距離1L，絲杠 L (3)行程起點離固定支承距離0L sL 1290，1L 1350， eL 1410，0L 30 10）傳動系統(tǒng)剛度 （ 1）絲杠抗壓剛度 1）絲杠最小抗壓剛度 minsk 6 .6 2 221* *10dl 2d:絲杠底徑 1l ：固定支承距離 代入數(shù)據(jù) minsk 782N/m 2）絲杠最大抗壓剛度 maxsk