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第四章機械系統(tǒng)設(shè)計 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 第四章機械系統(tǒng)設(shè)計 4 5滾珠絲杠傳動 4 5滾珠絲杠傳動 4 5 1滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)組成 工作原理及特點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 精度等級和標注方法4 5 4滾珠絲杠副的安裝4 5 5滾珠絲杠副的設(shè)計計算 雙軸工作臺 滾珠絲杠螺母副是機電一體化系統(tǒng)中將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動常用的傳動裝置 它以滾珠的滾動代替絲杠螺母副中的滑動 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 滾珠絲杠副的工作原理 滾珠絲杠副的特點是將螺旋運動變?yōu)橹本€運動或者將直線運動變換為螺旋運動 當(dāng)絲杠回轉(zhuǎn)時 滾珠相對螺母上的滾道滾動 因此絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦 為防止?jié)L珠從螺母中滾出來 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 圖中絲杠和螺母上都磨有圓弧形的螺旋槽 這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線滾道 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 高剛度的精密進給系統(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 有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán) 特點 滾珠循環(huán)回路長 流暢性差 效率低 工藝簡單 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 通過彎管返回 形成無限循環(huán)運動 回球器式也稱 內(nèi)循環(huán)式 是最緊湊的絲母 鋼球通過回球器改變進行方向 返回絲杠軸的原先位置 端蓋式適用于高速進給的絲母 鋼球從端蓋部導(dǎo)入 通過絲母上的貫通孔 返回起始位置 鋼板循環(huán)式是如同彎管式的 將鋼球?qū)牒笱劁摪迳系臏线M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 1 傳動效率高 摩擦損失小 滾珠絲杠副傳動效率 0 92 0 96 比常規(guī)的絲杠螺母副提高3 4倍 因此 功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)的絲杠螺母副的1 4 1 3 2 傳動精度 定位精度高 無爬行現(xiàn)象 運動平穩(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 反向時可消除空行程死區(qū) 提高接觸剛度和傳動精度 4 運動具有可逆性 可以從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動 也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動 即絲杠和螺母都可以作為主動件 5 磨損小 使用壽命長 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 表面粗糙度也要求高 故制造成本高 7 不能自鎖 特別是對于垂直絲杠 由于自重慣力的作用 下降時當(dāng)傳動切斷后 不能立刻停止運動 故常需添加制動裝置 滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外 對其軸向間隙也有嚴格要求 以保證其反向傳動精度 滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時在滾珠與滾道型面接觸點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)墊片厚度較厚時即產(chǎn)生 預(yù)拉應(yīng)力 而當(dāng)墊片厚度較薄時即產(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 結(jié)構(gòu)簡單 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 不能隨時調(diào)隙預(yù)緊 b 雙螺母螺紋式預(yù)緊原理 通過調(diào)整端部的圓螺母 使絲杠右螺母沿軸向向右移動 產(chǎn)生拉伸預(yù)緊 從而消除間隙 特點 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 為了補償滾道的間隙 設(shè)計時將滾珠的尺寸適當(dāng)增大 使其4點接觸 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)程增加一個預(yù)壓量 以達到預(yù)緊的目的 d 單螺母預(yù)緊原理 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應(yīng)注意以下兩點 1 預(yù)緊力大小必須合適 過小不能保證無隙傳動 過大將使驅(qū)動力矩增大 效率降低 壽命縮短 預(yù)緊力應(yīng)不超過最大軸向負載的1 3 2 要特別注意減小絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙 這些間隙用預(yù)緊的方法是無法消除的 而它對傳動精度有直接影響 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 精度等級和標注方法 導(dǎo)程Ph 絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)2 弧度時 螺母上基準點的軸向位移 滾珠絲杠副的精度等級及標注方法 1 精度等級根據(jù)GB T17587 3 1998 與ISO3408 3 1992同 標準 將滾珠絲杠副的精度分成為七個等級 1 2 3 4 5 7 10 1級為最高 絲杠分為 精密定位型 P型 和傳動型 T型 任意300mm行程內(nèi)行程變動量V300p6812162352210 2 標注方法 各個廠家并不完全相同 FFZD8010TR 6 P2 1294 1020 FFZD 內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲桿 6 負荷滾珠總?cè)?shù)TR 梯形螺紋P2 精密定位型 2級 1294 絲杠全長1020 螺紋長度 精密定位型 P型 和傳動型 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 數(shù)控機床 精密機床和精密儀器等用于開環(huán)和半閉環(huán)進給系統(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 一般傳動可選用4 5級 全閉環(huán)系統(tǒng)可選用2 3 4級 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 對滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的剛度和精度都有很大影響 需在設(shè)計 安裝時認真考慮 為了提高軸向剛度 絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合 僅當(dāng)軸向載荷很小時 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 簡支端保證在絲杠受熱變形時 可自由伸縮 3 適宜中速 精度較高的長絲杠 固定端裝深溝球軸承和雙向止推軸承 承受軸向 徑向載荷 簡支端裝深溝球軸承 承受徑向載荷 雙推 簡支支承方式 單推 單推 1 軸向剛度較高 2 預(yù)拉伸安裝時 須加載荷較大 軸承壽命比雙推 雙推低 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 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 制動裝置 由于滾珠絲杠副無自鎖作用 特別對垂直安裝的滾珠絲杠副 必須安裝制動裝置 常用的有利用電磁制動器對絲杠進行制動和利用單向超越離合防止絲杠逆轉(zhuǎn)的制動裝置 數(shù)控臥式銑鏜床主軸箱進給絲杠的制動裝置示意圖 滾珠絲杠副的密封與潤滑 密封1 絲杠的密封 伸縮套筒 2 潤滑 一般采用脂潤滑或滴油潤滑 絲杠高速運轉(zhuǎn)時采用噴霧潤滑 4 5 5滾珠絲杠副的選擇方法和設(shè)計計算 1 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)防塵防護條件以及對調(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)按承載能力及傳動精度 傳動速度選取 要求傳動速度快時 可選用較大導(dǎo)程的滾珠絲杠副 Ph大 承載能力大Ph小 傳動精度高 3 滾珠絲杠副的設(shè)計計算 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 絲杠的工作長度 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和運轉(zhuǎn)情況 1 承載能力選擇 計算作用于絲杠軸向最大動載荷Q 然后根據(jù)Q值選擇絲杠副的型號 式中 L 滾珠絲杠壽命系數(shù) T 使用壽命時間 h 普通機械為5000 10000 數(shù)控機床及其它機電一體化設(shè)備及儀器裝置為15000 fw 運轉(zhuǎn)系數(shù)fH 硬度系數(shù)Pmax 最大工作載荷 從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找出相應(yīng)的額定動載荷Qa的滾珠絲杠螺母副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型 選用時應(yīng)使Qa Q 注意 當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)速n 10r min時 以最大靜載荷Q0為設(shè)計依據(jù) 2 傳動效率的驗算 3 剛度驗算 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算 主要是驗算 1 2 3之和不應(yīng)大于機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 在實際設(shè)計中 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 即可認為該絲杠剛度合格 4 穩(wěn)定性驗算 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(yīng)驗算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲 失穩(wěn) 的危險 產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負載PK可用下式計算 式中 絲杠的支承方式 臨界負載PK與最大工作負載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 5 4 設(shè)計滾珠絲杠副的已知條件 4 滾珠絲杠副的設(shè)計計算 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和運轉(zhuǎn)情況 設(shè)計步驟及方法如下 1 絲杠副的計算載荷Fc N 2 計算額定動載荷 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載荷 4 驗算傳動效率 剛度及工作穩(wěn)定性 如不滿足要求則應(yīng)另選其它型號并重新驗算 5 對于低速 傳動 只按額定靜載荷計算即可 式中 載荷系數(shù) 按表1選取 硬度系數(shù) 按表2選取 精度系數(shù) 按表3選取 平均工作載荷 N 絲杠副的平均轉(zhuǎn)速 r min 運轉(zhuǎn)壽命 h 計算載荷 N 表1 表2 表3 例題 試設(shè)計一數(shù)控工作臺進給用滾珠絲杠副 已知平均工作載荷Fm 3800N 絲杠工作長度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58 62HRC 傳動精度要求高 解 1 求計算載荷Fc 2 根據(jù)壽命條件計算額定動載荷 3 根據(jù)必須的額定動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 公稱直徑 D0 50mm導(dǎo)程 p 6mm螺旋角 arctan 6 50 2 11 滾珠直徑 d0 4mm滾道半徑 R 0 52d0 0 52 4 2 08mm絲杠內(nèi)徑 d1 45 9mm 4 穩(wěn)定性驗算 假設(shè)為雙推 簡支 F S 因為絲杠較長 所以用壓桿穩(wěn)定性來求臨界載荷式中 E 絲杠的彈性模量 對鋼 絲杠危險截面的軸慣性矩 長度系數(shù) 兩端用鉸接時 所以 絲杠是安全的 不會失穩(wěn) 臨界轉(zhuǎn)速驗證高速運轉(zhuǎn)時 需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 要求絲杠最高轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速可按公式計算