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1、,第四章 机械系统设计,机电一体化系统设计,第四章 机械系统设计,4.5 滚珠丝杠传动,4.5 滚珠丝杠传动,4.5.1 滚珠丝杠副的结构组成、工作原理及特点4.5.2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整4.5.3 滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法4.5.4 滚珠丝杠副的安装4.5.5 滚珠丝杠副的设计计算,双轴工作台,滚珠丝杠螺母副是机电一体化系统中将回转运动转换为直线运动常用的传动装置，它以滚珠的滚动代替丝杠螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。,组成：丝杠 螺母 滚珠 滚道（回珠器）螺母座,4.5.1 滚珠丝杠副的结构组成、工作原理及特点,滚珠丝杠副的工作原理,滚珠丝杠副的特点是将螺旋
2、运动变为直线运动或者将直线运动变换为螺旋运动。,当丝杠回转时，滚珠相对螺母上的滚道滚动，因此丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。,图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。,滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。,始终与丝杠保持接触的称为内循环。,内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足之处是反向器加工困难、装配调整也不方便。,结构类型,丝杠,螺母,滚珠,反向器,内循环：适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密进给
3、系统。,滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。,有时与丝杠脱离接触的称为外循环；,特点：滚珠循环回路长，流畅性差，效率低；工艺简单，螺母的径向尺寸大，易于制造；挡珠器刚性差，易磨损,插管式,螺旋槽式,端盖式,外循环的三种结构形式,滚珠丝杠的钢球循环机构,循环弯管式也称“外循环式”为最普通的，钢球从丝杠轴上，沿弯管的牙嘴部导入，通过弯管返回，形成无限循环运动。,回球器式也称“内循环式”是最紧凑的丝母，钢球通过回球器改变进行方向，返回丝杠轴的原先位置。,端盖式适用于高速进给的丝母，钢球从端盖部导入，通过丝母上的贯通孔，返回起始位置。,钢板循环式是如同弯管式的，将钢球导入后沿钢板上的沟进行
4、循环，钢板回球式与回球器式相比，较多应用于小型滚珠丝杠。,滚珠丝杠副的特点,1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动效率 0.920.96，比常规的丝杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/41/3。2）传动精度、定位精度高，无爬行现象，运动平稳。3）能够预紧。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时可消除空行程死区，提高接触刚度和传动精度。4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。,5）磨损小，使用寿命长。6）制造工艺复杂。滚珠丝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
5、本高。7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。,滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用双螺母预紧或单螺母（大滚珠、大导程）的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。,4.5.2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整,根据垫片厚度不同分成两种形式，当垫片厚度较厚时即产生“预拉应力”，而当垫片厚度较薄时即产生“预压应力”以消除轴向间
6、隙。,a)双螺母垫片式预紧原理,特点：结构简单，装卸方便，刚性大，工作可靠，应用最为广泛。但调整不方便，不能随时调隙预紧。,b)双螺母螺纹式预紧原理,通过调整端部的圆螺母，使丝杠右螺母沿轴向向右移动，产生拉伸预紧，从而消除间隙。特点：结构紧凑，调整方便，工作可靠，应用广，但预紧量不容易控制。,为了补偿滚道的间隙，设计时将滚珠的尺寸适当增大，使其4点接触，产生预紧力，为了提高工作性能，可以在承载滚珠之间加入间隔钢球。,c)单螺母预紧原理（增大滚珠直径法）,偏置导程法原理如上图所示，仅仅是在螺母中部将其导程增加一个预压量，以达到预紧的目的。,d)单螺母预紧原理（偏置导程法）,目前制造的单螺母式滚珠
7、丝杠副的轴向间隙达0.05mm，而双螺母式的经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙。应用该方法消除轴向间隙时应注意以下两点：（1）预紧力大小必须合适，过小不能保证无隙传动；过大将使驱动力矩增大，效率降低，寿命缩短。预紧力应不超过最大轴向负载的1/3。（2）要特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙，这些间隙用预紧的方法是无法消除的，而它对传动精度有直接影响。,滚珠丝杠副的主要尺寸参数,公称直径(滚珠中心圆直径),丝杠大径,丝杠小径,滚珠直径,螺母小径,螺母大径,4.5.3 主要尺寸、精度等级和标注方法,导程Ph：,丝杠相对螺母旋转2弧度时，螺母上基准点的轴向位移。,滚珠丝杠副的精度等级及标注方法
8、,（1）精度等级 根据GB/T17587.3-1998（与ISO 3408-3：1992同）标准：将滚珠丝杠副的精度分成为七个等级,1、2、3、4、5、7、10，1级为最高,丝杠分为：精密定位型（P型）和传动型（T型）。,任意300mm行程内行程变动量V300p6812162352210,（2）标注方法（各个厂家并不完全相同）,FFZD8010TR-6-P2/12941020,FFZD:内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆；6:负荷滚珠总圈数 TR:梯形螺纹 P2:精密定位型，2级；1294:丝杠全长 1020:螺纹长度,精密定位型（P型）和传动型（T型）。,（3）尺寸系列,公称直径系列（mm）6、8
9、、10、12、16、20、25、32、40公称导程系列（mm）1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12.,注意：尽可能优先选用公称导程为4、5、6、8系列的滚珠丝杠螺母副,（4）推荐采用的精度等级,数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选用1、2、3级；一般传动可选用4、5级；全闭环系统可选用2、3、4级。,丝杠的轴承组合及轴承座、螺母座以及其它零件的连接刚性，对滚珠丝杠副传动系统的刚度和精度都有很大影响，需在设计、安装时认真考虑。为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合，仅当轴向载荷很小时，才用向心推力轴承。,4.5.4
10、滚珠丝杠副的安装,双推自由,1轴向刚度低，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装；3.适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装，短丝杠。,固定端装深沟球轴承和双向止推轴承，或圆锥滚子轴承,双推-自由式支承,双推简支,1轴向刚度不高，与螺母位置有关；2双推端可预拉伸安装，简支端保证在丝杠受热变形时，可自由伸缩；3.适宜中速、精度较高的长丝杠。,固定端装深沟球轴承和双向止推轴承，承受轴向、径向载荷,简支端装深沟球轴承，承受径向载荷,双推-简支支承方式,单推单推,1轴向刚度较高；2预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比双推-双推低；3.适宜中速、精度高，并可用双推单推组合。,两端都装止推轴承，承受轴向载荷,
11、轴承的组合安装支承示例简易单推-单推式支承,双推双推,1轴向刚度最高；2预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高；3.适宜高速、高刚度、高精度。,两端都装止推轴承和向心球轴承，承受轴向、径向载荷,四种支承方式的比较：,制动装置,由于滚珠丝杠副无自锁作用，特别对垂直安装的滚珠丝杠副，必须安装制动装置。常用的有利用电磁制动器对丝杠进行制动和利用单向超越离合防止丝杠逆转的制动装置。,数控卧式铣镗床主轴箱进给丝杠的制动装置示意图。,滚珠丝杠副的密封与润滑,密封 1）丝杠的密封,伸缩套筒,2）润滑,一般采用脂润滑或滴油润滑，丝杠高速运转时采用喷雾润滑。,4.5.5 滚珠丝杠副的选择方法和设计计算,1.滚
12、珠丝杠副结构的选择,根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，选择适当的结构型式。,滚珠丝杠副的选择方法,2.滚珠丝杠副结构尺寸的选择,1）公称直径d0,公称直径应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择；,公称直径的大小与承载能力有关，一般推荐,2）基本导程Ph,Ph应按承载能力及传动精度、传动速度选取；,要求传动速度快时，可选用较大导程的滚珠丝杠副。,Ph大，承载能力大Ph小，传动精度高,3.滚珠丝杠副的设计计算-I,已知条件：最大工作载荷F（N）或平均工作载荷Fm；使用寿命T；丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）L（m）；丝杠的转速n（平均转速nm或最大转速nmax）（r/min）；滚道硬度
13、HRC和运转情况。,1）承载能力选择,计算作用于丝杠轴向最大动载荷Q，然后根据Q值选择丝杠副的型号。,式中：L-滚珠丝杠寿命系数,T-使用寿命时间（h）普通机械为500010000，数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为15000,fw-运转系数 fH-硬度系数 Pmax-最大工作载荷,从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找出相应的额定动载荷Qa的滚珠丝杠螺母副的尺寸规格和结构类型，选用时应使QaQ,注意：,当丝杠转速n10r/min时，以最大静载荷Q0为设计依据。,2）传动效率的验算,3）刚度验算,刚度的验算主要是确定丝杠的变形量,丝杠的变形量包括：,丝杠的拉伸或压缩变形量1 滚珠与
14、螺纹滚道间接触变形2 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3 滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化量4 螺母座及轴承支座的变形5,因此:,滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算1、2、3之和不应大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。,在实际设计中，由于预紧的作用，可将刚度提高4倍。因此只要,1+2+3=精度要求,即可认为该丝杠刚度合格。,4）稳定性验算,对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。,产生失稳的临界负载PK可用下式计算：,式中：,丝杠的支承方式,临界负载PK与最大工作负载Pm之比称为稳定性安全系数nk。
15、,nK-许用稳定性安全系数 一般取：nk=2.54,设计滚珠丝杠副的已知条件：,4.滚珠丝杠副的设计计算-II,工作载荷F(N)或平均工作载荷Fm(N),使用寿命(h)，丝杠的长度（或螺母的有效行程)L(M)，丝杠的转速n（平均转速nm或最大转速nmax）（r min），以及滚道硬度HRC和运转情况,设计步骤及方法如下：,(1)丝杠副的计算载荷Fc(N)(2)计算额定动载荷,(3)根据在滚珠丝杠系列中选择所需要的规格，使所选规格的丝杠副的额定动载荷。(4)验算传动效率、刚度及工作稳定性，如不满足要求则应另选其它型号并重新验算。(5)对于低速（）传动，只按额定静载荷计算即可。,式中：,载荷系数，
16、按表1选取；硬度系数，按表2选取；精度系数，按表3选取；平均工作载荷（N）；丝杠副的平均转速（r/min）；运转寿命（h）；计算载荷（N）。,表1,表2,表3,例题,试设计一数控工作台进给用滚珠丝杠副。已知平均工作载荷Fm=3800N,丝杠工作长度l=1.2m，平均转速nm=100r/min,最大速度nmax=10000r/min,使用寿命=15000h左右，丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为5862HRC，传动精度要求高。,解：（1）求计算载荷Fc,（2）根据寿命条件计算额定动载荷,（3）根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸，规格如下：,考虑各种因素，选FFZD5006-5，其中：公称直径：D0=50mm 导程：p=6mm 螺旋角：=arctan(6/(50)=211 滚珠直径：d0=4mm 滚道半径：R=0.52d0=0.524=2.08mm 丝杠内径：d1=45.9mm,(4)稳定性验算：假设为双推简支（FS），因为丝杠较长，所以用压杆稳定性来求临界载荷式中：E 丝杠的弹性模量，对钢 丝杠危险截面的轴惯性矩 长度系数，两端用铰接时，,所以，丝杠是安全的，不会失稳。,临界转速 验证高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速。临界转速可按公式计算：,
