第二章機械系統(tǒng)設計之滾珠絲杠.

1、第一節(jié)第一節(jié) 機械系統(tǒng)部件的設計要求機械系統(tǒng)部件的設計要求第一章第一章機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計第二節(jié)第二節(jié) 機械傳動部件的選擇與設計機械傳動部件的選擇與設計第三節(jié)第三節(jié) 導向支承部件的選擇與設計導向支承部件的選擇與設計第一節(jié)第一節(jié) 概述概述數(shù)控機床：數(shù)控機床：工作臺工作臺電機電機執(zhí)行元件執(zhí)行元件驅(qū)動器驅(qū)動器信息處理系統(tǒng)信息處理系統(tǒng)（計算機）（計算機）動力源動力源傳感器傳感器第一章第一章 機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計 機電一體化系統(tǒng)中的機械設計要遵循機電結合、機電互補的原則，滿足高精度、快速響應速度和穩(wěn)定性的要求。具體包括兩大部分的內(nèi)容：一是機械傳動裝置的設計，一是機械結構的設計。機械設計技術機械傳

2、動裝置設計機械結構設計滾珠絲杠傳動無側隙齒輪傳動諧波齒輪傳動同步齒形帶傳動膜片彈性聯(lián)軸器 導軌設計支承裝置主軸組件設計1 1 概述概述一、傳動裝置功能及性能要求一、傳動裝置功能及性能要求功能功能：傳遞運動（速度、位移）和動力（力、力矩）增速或減速；變速；改變運動規(guī)律或形式動力機的動力傳遞給執(zhí)行機的驅(qū)動力(力矩） 機電一體化系統(tǒng)的傳動裝置是伺服系統(tǒng)的一部分，通過控制裝置，使機械傳動部分與伺服電動機的動態(tài)特性相匹配，并且滿足傳動精度、定位精度高，響應速度快，速度的穩(wěn)定性好。 性能要求滿足以下幾個方面性能要求滿足以下幾個方面： 1 1、轉(zhuǎn)動慣量（、轉(zhuǎn)動慣量（ J J ）小小 轉(zhuǎn)動慣量大對系統(tǒng)造成不良

3、影響，使機械負載變大，系統(tǒng)響應速度降低，靈敏度下降，但是 J 小不應影響機械系統(tǒng)的剛度。2 2、剛度（、剛度（ K K ）大大 剛度是指彈性體抵抗變形的能力，或產(chǎn)生單位彈性變形量所需要的作用力。 大的剛度對機械系統(tǒng)是有利的，可增大機構固有頻率，不易產(chǎn)生共振，增加伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3 3、阻尼（、阻尼（B B ）合適合適 系統(tǒng)產(chǎn)生振動時，B 越大，振幅越小，衰減越快，但穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。 阻尼比為：mKmKB2111過阻尼系統(tǒng)臨界阻尼系統(tǒng)欠阻尼系統(tǒng)一般取8 . 04 . 0二、傳動裝置的類型二、傳動裝置的類型按工作原理分為按工作原理分為：嚙合傳動(齒輪傳動、齒形帶傳動)摩擦傳動(帶傳動、鋼

4、絲繩傳動)推動傳動(凸輪連桿機構)機械傳動 液壓傳動氣壓傳動液力傳動流體傳動 交流電力傳動直流電力傳動交、直流電力傳動電力傳動 磁力傳動 按輸出速度情況分為按輸出速度情況分為： 轉(zhuǎn)速恒定傳動轉(zhuǎn)速可調(diào)傳動2 2 滾珠絲杠（或滾動螺旋）傳動滾珠絲杠（或滾動螺旋）傳動一、工作原理與結構形式一、工作原理與結構形式 絲杠和螺母的螺紋滾道間置滾珠，當絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時，滾珠沿螺紋滾道滾動，使絲杠和螺母作相對運動時為滾動摩擦。 在螺母（或絲杠）上有滾珠返回的通道，與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。二、滾珠絲杠副傳動部件二、滾珠絲杠副傳動部件1、滾珠絲杠副的組成及特點、滾珠絲杠副的組成及特點 （1

5、）組成）組成螺母螺母滾珠滾珠絲杠絲杠螺旋槽螺旋槽螺旋槽螺旋槽回路管道回路管道滾珠絲杠螺母副的組成：滾珠絲杠螺母副的組成： 帶螺紋槽的絲杠帶螺紋槽的絲杠 帶螺紋槽的螺母帶螺紋槽的螺母 滾珠滾珠 反向器反向器滾珠絲杠的特點滾珠絲杠的特點1、傳動效率高、傳動效率高3、傳動精度高、傳動精度高 精度精度)(tgtg其中： 中徑處的螺旋升角 當量摩擦角 （ ）一般而言，摩擦系數(shù)較小因此，效率很高，可達90%-95%。2、運動具有可逆性、運動具有可逆性 回轉(zhuǎn)運動變直線運動 正傳動 直線運動變回轉(zhuǎn)運動 逆?zhèn)鲃?2180035. 00025. 0tg軸向定位精度軸向定位精度進給精度進給精度mmm 300/4誤差

6、：誤差：4 4、磨損小，使用壽命長、磨損小，使用壽命長 滾珠、滾道、絲杠、螺母都經(jīng)過淬火、硬化淬火、硬化處理HRC58-65。5 5、不能自鎖不能自鎖 垂直安裝時，當運動停止后，螺母在重力作用下下滑，故需設置制動裝置，如圖示。2、滾珠絲杠副的典型結構類型、滾珠絲杠副的典型結構類型（1）螺紋滾道型面的形狀及主要尺寸）螺紋滾道型面的形狀及主要尺寸 雙圓弧型雙圓弧型單圓弧型單圓弧型主要尺寸：主要尺寸：理想接觸角理想接觸角 =450R=1.04rbe=sin (R-rb)偏心距滾道圓弧半徑滾珠半徑接觸角eRrb單圓弧型單圓弧型 ，承載能力，承載能力，軸向剛度，軸向剛度 特點：接觸角隨軸向載荷的變化而變

7、化特點：接觸角隨軸向載荷的變化而變化雙圓弧型雙圓弧型特點：特點： 角基本保持不變，加工成本高角基本保持不變，加工成本高 （2）滾珠的循環(huán)方式）滾珠的循環(huán)方式v內(nèi)循環(huán)內(nèi)循環(huán)v外循環(huán)外循環(huán)1）內(nèi)循環(huán)）內(nèi)循環(huán)滾珠在循環(huán)的過程中始終沒有脫離絲杠。滾珠在循環(huán)的過程中始終沒有脫離絲杠。絲杠絲杠螺母螺母滾珠滾珠反向器反向器浮動式反向器的循環(huán)浮動式反向器的循環(huán)絲杠絲杠螺母螺母滾珠滾珠反向器反向器特點：特點：滾珠循環(huán)回路短，流暢性好，效率高；滾珠循環(huán)回路短，流暢性好，效率高；螺母的徑向尺寸小，螺母的徑向尺寸小， 加工困難，裝配調(diào)加工困難，裝配調(diào)整不易；整不易；適用于高速、高靈敏度、高剛度的精密適用于高速、高靈敏

8、度、高剛度的精密進給系統(tǒng)。進給系統(tǒng)。2）外循環(huán)）外循環(huán)滾珠在循環(huán)過程中脫離過絲杠滾珠在循環(huán)過程中脫離過絲杠螺母螺母滾珠滾珠絲杠絲杠螺旋槽螺旋槽螺旋槽螺旋槽回路管道回路管道特點：特點：滾珠循環(huán)回路長，流暢性差，效率低；滾珠循環(huán)回路長，流暢性差，效率低； 工藝簡單，工藝簡單，螺母的徑向尺寸大，螺母的徑向尺寸大，易于制造；易于制造； 擋珠器剛性差，易磨損。擋珠器剛性差，易磨損。 螺旋槽式螺旋槽式 插管式插管式插管插管 端蓋式端蓋式特點：特點： 應用較少，常以單螺母形式用作升應用較少，常以單螺母形式用作升降傳動機構。降傳動機構。蓋板蓋板螺母螺母3、滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)、滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)公稱

9、直徑公稱直徑絲杠大徑絲杠大徑絲杠小徑絲杠小徑滾珠直徑滾珠直徑螺母小徑螺母小徑螺母大徑螺母大徑（1）公稱直徑）公稱直徑do 指滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)指滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時包絡滾珠球心的圓柱直徑，它是滾珠絲時包絡滾珠球心的圓柱直徑，它是滾珠絲杠副的特征尺寸。杠副的特征尺寸。（2）基本導程）基本導程Ph 絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)2弧度時，螺母上基弧度時，螺母上基準點的軸向位移準點的軸向位移; 導程小導程小精度高精度高承載能力小承載能力?。?）行程）行程 絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時，螺母上基絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時，螺母上基準點的軸向位移。準點的軸向位移。 hPx360（

10、4）滾珠直徑）滾珠直徑 db滾珠直徑大，則承載能力也大。應根據(jù)軸承廠滾珠直徑大，則承載能力也大。應根據(jù)軸承廠提供的尺寸選用提供的尺寸選用（5）滾珠個數(shù)）滾珠個數(shù)N N過多，流通不暢，易產(chǎn)生阻塞；過多，流通不暢，易產(chǎn)生阻塞； N過少，承載能力小，滾珠自載加距磨損和變形過少，承載能力小，滾珠自載加距磨損和變形一般?。阂话闳。篘Q 注意：注意： 當絲杠轉(zhuǎn)速當絲杠轉(zhuǎn)速n10r/min時，時，以最大靜載荷以最大靜載荷Q0為設計依據(jù)。為設計依據(jù)。2）傳動效率的驗算）傳動效率的驗算)( tgtg其摩擦角約等于其摩擦角約等于滾動摩擦系數(shù)滾動摩擦系數(shù)摩擦角，滾珠絲杠副的摩擦角，滾珠絲杠副的絲杠螺旋長升角絲杠螺旋

11、長升角10,004. 0003. 0 ftg 時滿足要求當9 . 03）剛度驗算）剛度驗算剛度的驗算主要是確定絲杠的變形量剛度的驗算主要是確定絲杠的變形量絲杠的變形量包括：絲杠的變形量包括： 絲杠的拉伸或壓縮變形量絲杠的拉伸或壓縮變形量 1 滾珠與螺紋滾道間接觸變形滾珠與螺紋滾道間接觸變形 2 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 3 滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的導程的變化滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的導程的變化量量 4 螺母座及軸承支座的變形螺母座及軸承支座的變形 5因此因此: 滾珠絲杠副剛度的驗算，主滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是驗算要是驗算 1 、 2 、 3之和不應大之

12、和不應大于機床精度要求允許變形量的一于機床精度要求允許變形量的一半，否則，應考慮選用較大直徑半，否則，應考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。的滾珠絲杠副。 在實際設計中，由于預緊的作用，可在實際設計中，由于預緊的作用，可將原機床的剛度提高將原機床的剛度提高4倍。因此只要倍。因此只要 1 + 2 + 3=機床精度要求機床精度要求即可認為該絲杠剛度合格。即可認為該絲杠剛度合格。4）穩(wěn)定性驗算）穩(wěn)定性驗算 對已選定尺寸的絲杠在給定的支承對已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負載時，應驗算條件下，承受最大軸向負載時，應驗算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險。其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險。產(chǎn)

13、生失穩(wěn)的臨界負載產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負載PK可用下式計算：可用下式計算：絲杠的支承方式系數(shù)絲杠的支承方式系數(shù)）絲杠兩端支承距離（絲杠兩端支承距離（絲杠小徑）絲杠小徑）截面慣性矩（截面慣性矩（）（鋼鋼絲杠材料彈性模量，對絲杠材料彈性模量，對 ZfcmlddIcmIcmNEE141426(64/106 .20 式中：式中：22lEIfpZK絲杠的支承方式絲杠的支承方式支承方式支承方式fz雙推雙推-雙推雙推4單推單推-單推單推1雙推雙推-簡支簡支2雙推雙推-自由式自由式0.25臨界負載臨界負載PK與最大工作負載與最大工作負載Pm之比稱為穩(wěn)之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)定性安全系數(shù)nk。 nK-許用穩(wěn)定性安全系數(shù)許

14、用穩(wěn)定性安全系數(shù) 一般取：一般?。簄k=2.54求時，絲杠滿足穩(wěn)定性要當kmkknFFn已知一數(shù)控機床上絲杠螺母副上的最大工作載荷為已知一數(shù)控機床上絲杠螺母副上的最大工作載荷為2670N，絲杠的轉(zhuǎn)速為，絲杠的轉(zhuǎn)速為1500rpm,絲杠硬度絲杠硬度HRC=60，傳動系統(tǒng)的定位精度為，傳動系統(tǒng)的定位精度為0.015mm。試確定適合該機。試確定適合該機床的滾珠絲杠螺母副型號。床的滾珠絲杠螺母副型號。61060nTL 135010150001500606 作用于絲杠上的最大動載荷為：作用于絲杠上的最大動載荷為： max3FffLQWHmax3FffLQWH).(2950926701113503mN假設：各型號的滾珠絲桿副的公稱直徑相同假設：各型號的滾珠絲桿副的公稱直徑相同170.010. 63.5130.91310046