滾珠絲杠傳動(dòng)

1、,第四章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),第四章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),4.5 滾珠絲杠傳動(dòng),4.5 滾珠絲杠傳動(dòng),4.5.1 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及特點(diǎn) 4.5.2 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整 4.5.3 滾珠絲杠副的主要尺寸、精度等級(jí)和標(biāo)注方法 4.5.4 滾珠絲杠副的安裝 4.5.5 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算,雙軸工作臺(tái),滾珠絲杠螺母副是機(jī)電一體化系統(tǒng)中將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)常用的傳動(dòng)裝置，它以滾珠的滾動(dòng)代替絲杠螺母副中的滑動(dòng)，摩擦力小，具有良好的性能。,組成：絲杠 螺母 滾珠 滾道（回珠器） 螺母座,4.5.1 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及特點(diǎn),滾珠絲杠副的工作原理,滾珠絲杠副的特

2、點(diǎn)是將螺旋運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或者將直線運(yùn)動(dòng)變換為螺旋運(yùn)動(dòng)。,當(dāng)絲杠回轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠相對(duì)螺母上的滾道滾動(dòng)，因此絲杠與螺母之間基本上為滾動(dòng)摩擦。 為防止?jié)L珠從螺母中滾出來(lái)，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動(dòng)。,圖中絲杠和螺母上都磨有圓弧形的螺旋槽，這兩個(gè)圓弧形的螺旋槽對(duì)合起來(lái)就形成螺旋線滾道，在滾道內(nèi)裝有滾珠。,滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)二種。,始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。,內(nèi)循環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)是滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小。 其不足之處是反向器加工困難、裝配調(diào)整也不方便。,結(jié)構(gòu)類(lèi)型,絲杠,螺母,滾珠,反向器,內(nèi)循環(huán)：適用于高速、高靈敏度、高

3、剛度的精密進(jìn)給系統(tǒng)。,滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)二種。,有時(shí)與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；,特點(diǎn)： 滾珠循環(huán)回路長(zhǎng)，流暢性差，效率低； 工藝簡(jiǎn)單，螺母的徑向尺寸大，易于制造； 擋珠器剛性差，易磨損,插管式,螺旋槽式,端蓋式,外循環(huán)的三種結(jié)構(gòu)形式,滾珠絲杠的鋼球循環(huán)機(jī)構(gòu),循環(huán)彎管式也稱“外循環(huán)式”為最普通的，鋼球從絲杠軸上，沿彎管的牙嘴部導(dǎo)入，通過(guò)彎管返回，形成無(wú)限循環(huán)運(yùn)動(dòng)。,回球器式也稱“內(nèi)循環(huán)式”是最緊湊的絲母，鋼球通過(guò)回球器改變進(jìn)行方向，返回絲杠軸的原先位置。,端蓋式適用于高速進(jìn)給的絲母，鋼球從端蓋部導(dǎo)入，通過(guò)絲母上的貫通孔，返回起始位置。,鋼板循環(huán)式是如同彎管式的，將鋼球?qū)?/p>

4、入后沿鋼板上的溝進(jìn)行循環(huán)，鋼板回球式與回球器式相比，較多應(yīng)用于小型滾珠絲杠。,滾珠絲杠副的特點(diǎn),1）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副傳動(dòng)效率 0.920.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)的絲杠螺母副的1/41/3。 2）傳動(dòng)精度、定位精度高，無(wú)爬行現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。 3）能夠預(yù)緊。給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)可消除空行程死區(qū)，提高接觸剛度和傳動(dòng)精度。 4）運(yùn)動(dòng)具有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件。,5）磨損小，使用壽命長(zhǎng)。 6）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，

5、表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 7）不能自鎖。特別是對(duì)于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需添加制動(dòng)裝置。,滾珠絲杠副除了對(duì)本身單一方向的傳動(dòng)精度有要求外，對(duì)其軸向間隙也有嚴(yán)格要求，以保證其反向傳動(dòng)精度。滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時(shí)在滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。 通常采用雙螺母預(yù)緊或單螺母（大滾珠、大導(dǎo)程）的方法，把彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度。,4.5.2 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整,根據(jù)墊片厚度不同分成兩種形式，當(dāng)墊片厚度較厚時(shí)即產(chǎn)生“預(yù)拉應(yīng)力”，而當(dāng)墊片厚度較薄

6、時(shí)即產(chǎn)生“預(yù)壓應(yīng)力”以消除軸向間隙。,a) 雙螺母墊片式預(yù)緊原理,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，剛性大，工作可靠，應(yīng)用最為廣泛。但調(diào)整不方便，不能隨時(shí)調(diào)隙預(yù)緊。,b) 雙螺母螺紋式預(yù)緊原理,通過(guò)調(diào)整端部的圓螺母，使絲杠右螺母沿軸向向右移動(dòng)，產(chǎn)生拉伸預(yù)緊，從而消除間隙。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，工作可靠，應(yīng)用廣，但預(yù)緊量不容易控制。,為了補(bǔ)償滾道的間隙，設(shè)計(jì)時(shí)將滾珠的尺寸適當(dāng)增大，使其4點(diǎn)接觸，產(chǎn)生預(yù)緊力，為了提高工作性能，可以在承載滾珠之間加入間隔鋼球。,c) 單螺母預(yù)緊原理（增大滾珠直徑法）,偏置導(dǎo)程法原理如上圖所示，僅僅是在螺母中部將其導(dǎo)程增加一個(gè)預(yù)壓量，以達(dá)到預(yù)緊的目的。,d) 單螺母預(yù)緊

7、原理（偏置導(dǎo)程法）,目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙達(dá)0.05mm，而雙螺母式的經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后基本上能消除軸向間隙。應(yīng)用該方法消除軸向間隙時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： （1）預(yù)緊力大小必須合適，過(guò)小不能保證無(wú)隙傳動(dòng)；過(guò)大將使驅(qū)動(dòng)力矩增大，效率降低，壽命縮短。預(yù)緊力應(yīng)不超過(guò)最大軸向負(fù)載的1/3。 （2）要特別注意減小絲杠安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的間隙，這些間隙用預(yù)緊的方法是無(wú)法消除的，而它對(duì)傳動(dòng)精度有直接影響。,滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù),公稱直徑 (滾珠中心圓直徑),絲杠大徑,絲杠小徑,滾珠直徑,螺母小徑,螺母大徑,4.5.3 主要尺寸、精度等級(jí)和標(biāo)注方法,導(dǎo)程Ph ：,絲杠相對(duì)螺母旋轉(zhuǎn)2弧度時(shí)，螺母上

8、基準(zhǔn)點(diǎn)的軸向位移。,滾珠絲杠副的精度等級(jí)及標(biāo)注方法,（1）精度等級(jí) 根據(jù)GB/T17587.3-1998（與ISO 3408-3：1992同）標(biāo)準(zhǔn)：將滾珠絲杠副的精度分成為七個(gè)等級(jí),1、2、3、4、5、7、10，1級(jí)為最高,絲杠分為：精密定位型（P型）和傳動(dòng)型（T型）。,任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng)量V300p6812162352210,（2）標(biāo)注方法（各個(gè)廠家并不完全相同）,FFZD8010TR-6-P2/12941020,FFZD:內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲桿； 6:負(fù)荷滾珠總?cè)?shù) TR:梯形螺紋 P2:精密定位型，2級(jí)； 1294:絲杠全長(zhǎng) 1020:螺紋長(zhǎng)度,精密定位型（P型）和傳動(dòng)型

9、（T型）。,（3）尺寸系列,公稱直徑系列（mm） 6、8、10、12、16、20、25、32、40 公稱導(dǎo)程系列（mm） 1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12.,注意： 盡可能優(yōu)先選用公稱導(dǎo)程為4、5、6、8系列的滾珠絲杠螺母副,（4）推薦采用的精度等級(jí),數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床和精密儀器等用于開(kāi)環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)，根據(jù)定位精度和重復(fù)定位精度的要求可選用1、2、3級(jí)； 一般傳動(dòng)可選用4、5級(jí)； 全閉環(huán)系統(tǒng)可選用2、3、4級(jí)。,絲杠的軸承組合及軸承座、螺母座以及其它零件的連接剛性，對(duì)滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和精度都有很大影響，需在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)認(rèn)真考慮。 為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承

10、為主的軸承組合，僅當(dāng)軸向載荷很小時(shí)，才用向心推力軸承。,4.5.4 滾珠絲杠副的安裝,雙推自由,1軸向剛度低，與螺母位置有關(guān)； 2雙推端可預(yù)拉伸安裝； 3. 適宜中小載荷與低速，更適宜垂直安裝，短絲杠。,固定端裝深溝球軸承和雙向止推軸承，或圓錐滾子軸承,雙推-自由式支承,雙推簡(jiǎn)支,1軸向剛度不高，與螺母位置有關(guān)； 2雙推端可預(yù)拉伸安裝，簡(jiǎn)支端保證在絲杠受熱變形時(shí)，可自由伸縮； 3. 適宜中速、精度較高的長(zhǎng)絲杠。,固定端裝深溝球軸承和雙向止推軸承，承受軸向、徑向載荷,簡(jiǎn)支端裝深溝球軸承，承受徑向載荷,雙推-簡(jiǎn)支支承方式,單推單推,1軸向剛度較高； 2預(yù)拉伸安裝時(shí)，須加載荷較大，軸承壽命比雙推-雙

11、推低； 3. 適宜中速、精度高，并可用雙推單推組合。,兩端都裝止推軸承，承受軸向載荷,軸承的組合安裝支承示例簡(jiǎn)易單推-單推式支承,雙推雙推,1軸向剛度最高； 2預(yù)拉伸安裝時(shí)，須加載荷較小，軸承壽命較高； 3. 適宜高速、高剛度、高精度。,兩端都裝止推軸承和向心球軸承，承受軸向、徑向載荷,四種支承方式的比較：,制動(dòng)裝置,由于滾珠絲杠副無(wú)自鎖作用，特別對(duì)垂直安裝的滾珠絲杠副，必須安裝制動(dòng)裝置。常用的有利用電磁制動(dòng)器對(duì)絲杠進(jìn)行制動(dòng)和利用單向超越離合防止絲杠逆轉(zhuǎn)的制動(dòng)裝置。,數(shù)控臥式銑鏜床主軸箱進(jìn)給絲杠的制動(dòng)裝置示意圖。,滾珠絲杠副的密封與潤(rùn)滑,密封 1）絲杠的密封,伸縮套筒,2）潤(rùn)滑,一般采用脂潤(rùn)滑

12、或滴油潤(rùn)滑，絲杠高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)采用噴霧潤(rùn)滑。,4.5.5 滾珠絲杠副的選擇方法和設(shè)計(jì)計(jì)算,1. 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)的選擇,根據(jù)防塵防護(hù)條件以及對(duì)調(diào)隙及預(yù)緊的要求，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)型式。,滾珠絲杠副的選擇方法,2. 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)尺寸的選擇,1）公稱直徑d0,公稱直徑應(yīng)根據(jù)軸向最大載荷按滾珠絲杠副尺寸系列選擇；,公稱直徑的大小與承載能力有關(guān)，一般推薦,2）基本導(dǎo)程Ph,Ph應(yīng)按承載能力及傳動(dòng)精度、傳動(dòng)速度選??；,要求傳動(dòng)速度快時(shí)，可選用較大導(dǎo)程的滾珠絲杠副。,Ph大，承載能力大 Ph小，傳動(dòng)精度高,3. 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算-I,已知條件： 最大工作載荷F（N）或平均工作載荷Fm； 使用壽命T； 絲杠的工

13、作長(zhǎng)度（或螺母的有效行程）L（m）； 絲杠的轉(zhuǎn)速n（平均轉(zhuǎn)速nm或最大轉(zhuǎn)速nmax）（r/min）； 滾道硬度HRC和運(yùn)轉(zhuǎn)情況。,1）承載能力選擇,計(jì)算作用于絲杠軸向最大動(dòng)載荷Q，然后根據(jù)Q值選擇絲杠副的型號(hào)。,式中： L-滾珠絲杠壽命系數(shù),T-使用壽命時(shí)間（h） 普通機(jī)械為500010000， 數(shù)控機(jī)床及其它機(jī)電一體化設(shè)備及儀器裝置為15000,fw-運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) fH-硬度系數(shù) Pmax-最大工作載荷,從手冊(cè)或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找出相應(yīng)的額定動(dòng)載荷Qa的滾珠絲杠螺母副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類(lèi)型，選用時(shí)應(yīng)使QaQ,注意：,當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)速n10r/min時(shí)，以最大靜載荷Q0為設(shè)計(jì)依據(jù)。,2）

14、傳動(dòng)效率的驗(yàn)算,3）剛度驗(yàn)算,剛度的驗(yàn)算主要是確定絲杠的變形量,絲杠的變形量包括：, 絲杠的拉伸或壓縮變形量1 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3 滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的導(dǎo)程的變化量4 螺母座及軸承支座的變形5,因此:,滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算，主要是驗(yàn)算1 、2 、3之和不應(yīng)大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半，否則，應(yīng)考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。,在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于預(yù)緊的作用，可將剛度提高4倍。因此只要,1 +2 +3=精度要求,即可認(rèn)為該絲杠剛度合格。,4）穩(wěn)定性驗(yàn)算,對(duì)已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負(fù)載時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其有沒(méi)有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危

15、險(xiǎn)。,產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載PK可用下式計(jì)算：,式中：,絲杠的支承方式,臨界負(fù)載PK與最大工作負(fù)載Pm之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)nk。,nK-許用穩(wěn)定性安全系數(shù) 一般取：nk=2.54,設(shè)計(jì)滾珠絲杠副的已知條件：,4. 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算-II,工作載荷F(N)或平均工作載荷Fm(N),使用壽命 (h)，絲杠的長(zhǎng)度（或螺母的有效行程)L(M)，絲杠的轉(zhuǎn)速n（平均轉(zhuǎn)速nm或最大轉(zhuǎn)速nmax）（r min），以及滾道硬度HRC和運(yùn)轉(zhuǎn)情況,設(shè)計(jì)步驟及方法如下：,(1)絲杠副的計(jì)算載荷Fc(N) (2)計(jì)算額定動(dòng)載荷,(3)根據(jù)在滾珠絲杠系列中選擇所需要的規(guī)格，使所選規(guī)格的絲杠副的額定動(dòng)載荷。 (4)驗(yàn)算傳

16、動(dòng)效率、剛度及工作穩(wěn)定性，如不滿足要求則應(yīng)另選其它型號(hào)并重新驗(yàn)算。 (5) 對(duì)于低速（ ）傳動(dòng)，只按額定靜載荷計(jì)算即可。,式中：,載荷系數(shù)，按表1選?。?硬度系數(shù)，按表2選??； 精度系數(shù)，按表3選??； 平均工作載荷（N）； 絲杠副的平均轉(zhuǎn)速（r/min）； 運(yùn)轉(zhuǎn)壽命（h）； 計(jì)算載荷（N）。,表1,表2,表3,例題,試設(shè)計(jì)一數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)給用滾珠絲杠副。已知平均工作載荷Fm =3800N,絲杠工作長(zhǎng)度l =1.2m，平均轉(zhuǎn)速nm =100r/min,最大速度nmax =10000r/min,使用壽命 =15000h左右，絲杠材料為CrWMn鋼，滾道硬度為5862HRC，傳動(dòng)精度要求高。,解：（1）求計(jì)算載荷Fc,（2）根據(jù)壽命條件計(jì)算額定動(dòng)載荷,（3）根據(jù)必須的額定動(dòng)載荷選擇絲杠副尺寸， 規(guī)格如下：,考慮各種因素，選FFZD5006-5，其中：