滾珠絲杠舵機(jī)應(yīng)用問題研究

1、滾珠絲杠舵機(jī)應(yīng)用問題研究滾珠絲杠舵機(jī)應(yīng)用問題研究張佼龍,周軍,周鳳岐(西北工業(yè)大學(xué)精確制導(dǎo)與控制研究所,陜西西安710072)ApplicationStudyonBallScrewActuatorZHANGJiaolong,ZHOUJun,ZHOUFengqi(InstituteofPrecisionGuidanceandControl,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China)摘要:針對導(dǎo)彈用滾珠絲杠舵機(jī),以提高可靠性,減小結(jié)構(gòu)尺寸為原則,對舵機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析.首先,為提高系統(tǒng)可靠性,選用內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副作為傳動(dòng)

2、元件.其次,在分析傳動(dòng)間隙產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上,對絲杠采用兩端支撐的方式,提高了系統(tǒng)支撐剛度,減小軸向間隙;并采用等強(qiáng)度原理對絲杠連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì),計(jì)算結(jié)果在結(jié)構(gòu)最小情況下滿足強(qiáng)度要求.最后,對舵機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行分析,推導(dǎo)出絲杠驅(qū)動(dòng)力矩,傳動(dòng)比和空心軸孔徑的精確計(jì)算公式,并對螺母連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì).結(jié)果表明,對滾珠絲杠舵機(jī)設(shè)計(jì)提供了一定的理論指導(dǎo).關(guān)鍵詞:滾珠絲杠;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);可靠性;等強(qiáng)度原理中圖分類號(hào):TH132.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10012257(2011)100015一O5Abstract:Toimprovethereliabilityandreducethestructuresizeo

3、ftheballscrewactuatorwithmissiles,thispapermakesdetailedstructuredesignandanalysis.Firstly,therevolvinghallscrewwasselectedasthetransmissiondevicetoimprovethesystemreliability.Secondly,afteranalyzingthereasonforthetransmissiongap,thispaperadoptsthetwoterminalbracingstructuretoimprovethesystembracing

4、rigidityandreducetheaxialgap.Atthemeantime,theconnectionmodeofthescrewisdesignedaccordingtoequalstrengthprincipleandthecalculationresultmeetsthestrengthrequirementontheconditionoftheminimumstructure.Finally,thispaperanalyzesthekeycomponentsofthe3ctuatorandderivestheaccurateformU】asof收稿日期:20110616機(jī)械與

5、電子2011(10)drivetoque,transmissionratioandhollowshaftaperture,inadditionthat,thenutconnectionmethodisdesignedinthispaper.Theresultsillustratethatthispaperprovidesthetheoreticalbasisforthedesignoftheballscrewactuator.Keywords:ballscrew;structuraldesign;reliability:equalstrengthprinciple0引言滾珠絲杠副以其結(jié)構(gòu)尺寸小

6、,質(zhì)量輕,效率高,傳動(dòng)及定位精度高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用.近年來,隨著滾珠絲杠副設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的提高,被越來越多的應(yīng)用于導(dǎo)彈伺服系統(tǒng)上,替代傳統(tǒng)的氣動(dòng)及液壓元件口.但滾珠絲杠副在裝配過程中容易出現(xiàn)卡死及失效等問題,參考文獻(xiàn)E23中找出了導(dǎo)致傳動(dòng)卡死的原因:絲杠與螺母軸線裝配有夾角,使得滾動(dòng)體在絲杠與螺母形成的楔形空間中形成單向自鎖導(dǎo)致卡死;滾珠與滾道間隙過大,造成個(gè)別滾珠一側(cè)脫離滾道而懸空,進(jìn)而滿足力學(xué)平衡條件出現(xiàn)卡死.參考文獻(xiàn)3對導(dǎo)彈用滾珠絲杠副材料,壽命和潤滑等問題進(jìn)行了分析研究.參考文獻(xiàn)46分別針對滾珠絲杠副常見的失效形式及典型故障進(jìn)行了分析.基于以上研究,針對導(dǎo)彈用滾珠絲杠舵機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸小,

7、質(zhì)量輕,效率及可靠性高等特殊要求,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析.經(jīng)過理論受力分析,傳動(dòng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化后設(shè)計(jì)出的舵機(jī)能夠滿足導(dǎo)彈所需的結(jié)構(gòu)尺寸小,強(qiáng)度,剛度及動(dòng)態(tài)特性高的要求.1舵機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析1.1滾珠絲杠副的選擇滾珠絲杠副是在絲杠與螺母之間放入適量的滾珠,使絲杠與螺母之間傳動(dòng)由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩?15?絲杠舵機(jī)應(yīng)用擦.由于絲杠與螺母的螺紋滾道與滾珠之間運(yùn)動(dòng)是滾動(dòng)摩擦,其摩擦系數(shù)為0.0020.005,滾動(dòng)摩擦系數(shù)僅為滑動(dòng)摩擦的2左右,當(dāng)絲杠運(yùn)動(dòng)由滑動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)后,其摩擦損失可以減小到極小的程度,傳動(dòng)效率可提高到90以上.按照滾珠在整個(gè)循環(huán)過程中與絲杠表面的接觸情況,滾珠的循環(huán)方式可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩

8、種:外循環(huán)過程中,滾珠不能始終與絲杠表面接觸,即當(dāng)滾珠從螺紋滾道終端返回到滾道始端時(shí)與絲杠表面脫離;滾珠在循環(huán)過程中,始終與絲杠表面保持接觸的循環(huán)為內(nèi)循環(huán)l7.導(dǎo)彈屬于一次性產(chǎn)品,且在飛行過程中不能人為修復(fù),故伺服系統(tǒng)的可靠性非常重要.伺服系統(tǒng)是操縱導(dǎo)彈飛行的重要執(zhí)行部件,若伺服系統(tǒng)失靈將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果,因此在選用滾珠絲杠副時(shí)提出高強(qiáng)度,高剛度及高可靠性的要求.由參考文獻(xiàn)7可知,滾珠絲杠副自身最容易失效的方式為:滾珠在絲杠副中不斷通過返向機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生沖擊,導(dǎo)致返向機(jī)構(gòu)損壞.外循環(huán)結(jié)構(gòu)通過導(dǎo)珠管換向,由于導(dǎo)珠管壁厚較薄,一般壁厚小于1mm,因此導(dǎo)珠管很容易損壞;而內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)返向器較厚,在相同

9、條件下抗沖擊能力更強(qiáng),且內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)外形尺寸更小,故導(dǎo)彈上采用內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)滾珠絲杠舵機(jī)作為伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu).1.2傳動(dòng)方式與間隙分析滾珠絲杠副常見傳動(dòng)方式有:絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),螺母直線運(yùn)動(dòng);螺母固定,絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)并軸向移動(dòng);螺母轉(zhuǎn)動(dòng),絲杠軸向移動(dòng);絲杠固定,螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并軸向移動(dòng).為使舵機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊,通過對上述傳動(dòng)方式進(jìn)行比較,最終選擇絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),螺母直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)形式.目前電動(dòng)舵機(jī)廣泛采用高精度,大減速比的滾珠絲杠副配合齒輪副的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)力矩更大,快速性更高,扭轉(zhuǎn)間隙更小的性能指標(biāo).滾珠絲杠舵機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)順序?yàn)?伺服電機(jī)一齒輪副一滾珠絲杠副一撥叉一轉(zhuǎn)軸.由參考文獻(xiàn)89可知,各級(jí)傳動(dòng)間隙對總間隙都會(huì)產(chǎn)生影響,

10、但靠近輸出級(jí)傳動(dòng)間隙在總間隙中所占的比重最大,如果傳動(dòng)間隙過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)相位滯后,降低定位精度,減小剛度甚至產(chǎn)生自持振蕩.因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分析每一級(jí)間隙:伺服電機(jī)與小齒輪采用圓錐銷+熱配合(過盈配合),間隙為零;齒輪副嚙合存在間隙,但距輸出軸較遠(yuǎn)影響較小;齒輪與絲杠采用圓錐銷+熱配合,間隙為零;滾珠絲杠副軸向剛度差,存在軸?16?向問隙;絲杠支撐軸承存在軸向游隙;撥叉口與撥叉存在間隙;撥叉與轉(zhuǎn)軸采用圓錐銷+熱配合,間隙為零.通過以上各級(jí)間隙分析,為總間隙主要影響因素,因此應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小間隙對傳動(dòng)的影響.1.3絲杠支撐方式與連接針對滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)導(dǎo)致軸向剛度較差的問題,可參照參考文獻(xiàn)4進(jìn)

11、行設(shè)計(jì)改進(jìn)以提高自身剛度.但絲杠的支撐方式也是影響滾珠絲杠剛度的重要因素.參照數(shù)控機(jī)床中高精度滾珠絲杠副的支撐方式,滾珠絲杠舵機(jī)采用絲杠旋轉(zhuǎn),螺母直線運(yùn)動(dòng)的正傳動(dòng)方式,絲杠兩端采用滾動(dòng)軸承支撐.由于絲杠主要承受軸向載荷,為減小舵機(jī)整體結(jié)構(gòu)尺寸及增大軸承支撐剛度,需采用接觸角大于45.的角接觸軸承,此時(shí)軸承傳動(dòng)效率高,軸向游隙小.軸承結(jié)構(gòu)尺寸是決定舵機(jī)整體尺寸大小的關(guān)鍵要素,如圖1所示.絲杠采用圓錐銷與齒輪外圈徑向定位并且傳遞扭矩,齒輪外圈與軸承內(nèi)徑配合,若設(shè)計(jì)不良可能導(dǎo)致傳動(dòng)失敗,具體破壞形式有:圓錐銷太細(xì),可能發(fā)生圓錐銷剪切破壞;若圓錐銷太粗,對絲杠強(qiáng)度削弱太大,可能發(fā)生絲杠扭轉(zhuǎn)剪切破壞;若

12、齒輪外圈太薄,則齒輪外圈強(qiáng)度太弱,可能發(fā)生齒輪外圈扭轉(zhuǎn)剪切破壞或者擠壓破壞(圓錐銷孔被擠壓成橢圓孔,影響定位精度).因此圓錐銷,絲杠和齒輪外圈尺寸如何匹配,使舵機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到最小且能滿足強(qiáng)度,剛度要求就非常重要.錐銷齒輪外圈絲杠圖i絲杠連接支撐方式當(dāng)采用圖1方式傳遞扭矩時(shí),圓錐銷,絲杠和齒輪外圈應(yīng)力情況如式(1)(4)所示.圓錐銷剪切應(yīng)力:機(jī)械與電子2Oi1(Io)絲杠舵機(jī)應(yīng)用r-1絲杠扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力:一T齒輪外圈扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力:一T研齒輪外圈擠壓應(yīng)力:一(D2q-D)_(D2-一D1)式(1)(4)中:E-1一(0.50.7)Eo3;Eo一(1.52.5).為減小結(jié)構(gòu)尺寸,對圓錐銷和絲杠扭轉(zhuǎn)剪切

13、應(yīng)用等強(qiáng)度原理進(jìn)行設(shè)計(jì),即:T4T一解方程(5)得:D12.562d(6)對圓錐銷和齒輪外圈扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)用等強(qiáng)度原理進(jìn)行設(shè)計(jì),即:一!r7,案(一)(一()rD1d2解方程(7)得:D23.078d(8)對圓錐銷剪切和齒輪外圈擠壓應(yīng)用等強(qiáng)度原理進(jìn)行設(shè)計(jì),由于擠壓強(qiáng)度約為剪切強(qiáng)度的3倍,故對等強(qiáng)度原理進(jìn)行修正,即:一×3(9)(D;一D)d7rD1d一解方程(9)得:D24.159d(10)比較式(8),(10),得出齒輪外圈主要的失效形式為受擠壓后的變形,為滿足強(qiáng)度及尺寸要求,對齒輪外圈尺寸采用式(10)進(jìn)行計(jì)算.1.4撥叉間隙分析由于撥叉與撥叉口之間屬于滑動(dòng)摩擦.因此,要求采用磨削加

14、工成形,具有較高的表面粗糙度以減小摩擦提高效率.并且撥叉在撥叉口內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),若設(shè)計(jì)不良,兩者間存在間隙則對伺服系統(tǒng)的間機(jī)械與電子2O11(10)隙影響太大,因此必須減小間隙,加工時(shí)應(yīng)保證撥叉的尺寸公差及圓柱度,垂直度要求,以及撥叉口的尺寸公差及平行度,直線度要求,并且為了減小兩者在受力時(shí)彈性變形引起間隙,必須保證撥叉與撥叉口具有足夠的剛度.2舵機(jī)關(guān)鍵部件分析2.1滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)力矩分析滾珠絲杠的螺旋運(yùn)動(dòng)可以簡化為如圖2所示模型,圖中P為絲杠公稱導(dǎo)程;d為絲杠公稱直徑;F為作用在絲杠公稱半徑處的作用力.則對絲杠的驅(qū)動(dòng)力矩為T一F?;F.為絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的軸厶向推力;a為絲杠導(dǎo)程角.由三角關(guān)系可以看

15、出tanQPfzrd圖2滾珠絲杠副受力等效模型若受力分析時(shí)先不考慮摩擦力作用,將摩擦放入效率中考慮,則由三角關(guān)系得:F2-F】?一-T?警)若考慮摩擦影響,正傳動(dòng)時(shí)效率為:"一墮一(12)叩一tan(aq-p)其中,.0為當(dāng)量摩擦角p一-arctan(13)譬sinp其中,為當(dāng)量摩擦系數(shù);d為滾珠直徑;為接觸角,一般取45.若為了提高滾珠絲杠軸向剛度,消除軸向間隙而施加預(yù)緊力F,預(yù)緊力一般為最大軸向力F的1/a,此時(shí)滾珠絲杠的壽命和效率達(dá)到最佳情況.則?17),1234在預(yù)緊力與軸向力同時(shí)作用下絲杠總驅(qū)動(dòng)力矩為:T一+(1一刁.)(14)厶厶兀.進(jìn)而由式(14)可以確定齒輪模數(shù)及伺服

16、電機(jī)所需力矩及功率.2.2撥叉?zhèn)鲃?dòng)分析撥叉?zhèn)鲃?dòng)示意圖如圖3所示,進(jìn)行傳動(dòng)分析時(shí),對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化如圖4所示.圖3撥叉結(jié)構(gòu)'|IiII|,總傳動(dòng)比為.F而一圖4撥叉簡化示意圖(15)其中,z轉(zhuǎn)軸中心到絲杠中心距離;0為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度;i為總傳動(dòng)比;i為齒輪副傳動(dòng)比;0o為撥又相對于零位(撥叉垂直于絲杠)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度;P為絲杠公稱導(dǎo)程.?18?由式(15)可以明顯看出,滾珠絲杠舵機(jī)傳動(dòng)比不是常數(shù),而是隨初始角度的不同呈非線性變化的.以某型舵機(jī)為例,分析非線性程度,其傳動(dòng)比變化曲線如圖5所示.由圖5可以看出撥叉式滾珠絲杠舵機(jī)傳動(dòng)非線性程度非常嚴(yán)重,在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不能將傳動(dòng)比簡化為常數(shù),而

17、應(yīng)將式(15)完整代入到控制系統(tǒng)中進(jìn)行分析設(shè)計(jì).0./()圖5傳動(dòng)比隨初始轉(zhuǎn)角變化關(guān)系2.3空心絲杠受力與失效方式分析由于導(dǎo)彈用滾珠絲杠舵機(jī)對質(zhì)量大小要求比較嚴(yán)格,故經(jīng)常采用空心絲杠結(jié)構(gòu),然而絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)同時(shí)承受扭轉(zhuǎn),壓縮作用,因此為保證絲杠的可靠性必須對絲杠進(jìn)行校核計(jì)算.在扭轉(zhuǎn)條件下強(qiáng)度為:dd】?(16)其中,d為絲杠小徑;d為空心絲杠孔徑;T為絲杠所受的扭轉(zhuǎn)力矩,即絲杠的驅(qū)動(dòng)力矩;r為絲杠扭轉(zhuǎn)時(shí)的許用切應(yīng)力.壓縮條件下強(qiáng)度1為:一(17)其中,F為軸向最大載荷;為絲杠材料壓縮許用應(yīng)力.經(jīng)驗(yàn)公式_7為:(18)其中,為絲杠材料拉伸許用應(yīng)力.壓縮條件下失穩(wěn)要求E為:其中,E為材料彈性模量,E

18、一210GPa;為長機(jī)械與電子2Oll(1O)一1,珠絲杠舵機(jī)應(yīng)用問題度系數(shù),對于兩端支撐時(shí)一1;z為絲杠最大工作長度;/-/為絲杠穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)安全系數(shù),一般取一2.54.由式(16)(19)計(jì)算出最小的d即為絲杠空心軸最大孔徑.2.4直線導(dǎo)軌與滾珠螺母連接方式圖3中撥叉結(jié)構(gòu)當(dāng)撥叉相對零位偏轉(zhuǎn)某一角度時(shí),撥叉口對螺母既產(chǎn)生徑向力,又產(chǎn)生軸向力.其中軸向力是有效作用力,徑向力作用于螺母上時(shí)對滾珠絲杠副傳動(dòng)是不利的.由參考文獻(xiàn)2可知,絲杠與螺母不同軸時(shí),絲杠與螺母形成楔形空間,進(jìn)而使?jié)L珠在滾道內(nèi)自鎖最終卡死,且絲杠的彎曲變形對傳動(dòng)精度也會(huì)產(chǎn)生影響口.因此,采用螺母與直線導(dǎo)軌連接既可以限制螺母轉(zhuǎn)動(dòng),

19、又可以對螺母起到支撐作用以抵消撥叉口對螺母的徑向力,進(jìn)而減小絲杠的彎曲變形對傳動(dòng)精度的影響.圖6所示為滾珠螺母與直線導(dǎo)軌滑塊連接方式,采用滑塊螺釘下側(cè)安裝方式較上側(cè)安裝可以減少中間轉(zhuǎn)接板,減少零件數(shù),提高定位精度使系統(tǒng)更加可靠.滑塊撥叉導(dǎo)圖6直線導(dǎo)軌與滾珠螺母連接方式由于直線導(dǎo)軌滑塊兩側(cè)面及頂面為定位面,故螺母座需相應(yīng)的加工出與滑塊相配合且滿足精度要求的兩側(cè)面與底面,使螺母與滑塊在兩個(gè)相互垂直的徑向方向保證平行,滿足定位與傳動(dòng)精度要求.3結(jié)束語a.通過比較,內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副更適用于導(dǎo)彈高可靠性要求.為減小滾珠絲杠副軸向間隙對傳動(dòng)影響,在提高滾珠絲杠副自身剛度前提下,采用絲杠兩端支撐方式提高滾珠絲杠副支撐剛度減小軸向間機(jī)械與電子2O11(1O)隙.b.采用等強(qiáng)度原理設(shè)計(jì)出的絲杠,齒輪外圈,圓錐銷配合尺寸能夠在結(jié)構(gòu)最小情況下滿足強(qiáng)度要求.c.撥叉式滾珠絲杠舵機(jī)固有的傳動(dòng)非線性問題嚴(yán)重,在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須能夠反映出其非線性問題.d.滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)力矩可由絲杠所受軸向力,預(yù)緊力,導(dǎo)程和螺旋角精確計(jì)算得出,為齒輪模數(shù)及電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).e.為消除撥叉對螺母徑向力的不利影響,采用直線導(dǎo)軌滑塊與螺母連接的方式,可以抵消螺母所受徑向力并能夠進(jìn)一步提高滾珠絲杠副可靠性.參考文獻(xiàn):Eli肖正義.滾珠絲杠在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用EJ