第二章机械系统设计之滚珠丝杠

第一节机械系统部件的设计要求第一章机械系统设计第二节机械传动部件的选择与设计第三节导向支承部件的选择与设计第一节概述第一页，编辑于星期一：三点二十分。数控机床：工作台电机执行元件驱动器信息处理系统（计算机）动力源传感器第二页，编辑于星期一：三点二十分。第一章机械系统设计机电一体化系统中的机械设计要遵循机电结合、机电互补的原则，满足高精度、快速响应速度和稳定性的要求。具体包括两大部分的内容：一是机械传动装置的设计，一是机械结构的设计。机械设计技术机械传动装置设计机械结构设计滚珠丝杠传动无侧隙齿轮传动谐波齿轮传动同步齿形带传动膜片弹性联轴器导轨设计支承装置主轴组件设计第三页，编辑于星期一：三点二十分。1概述一、传动装置功能及性能要求功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）增速或减速；变速；改变运动规律或形式动力机的动力传递给执行机的驱动力(力矩）机电一体化系统的传动装置是伺服系统的一部分，通过控制装置，使机械传动部分与伺服电动机的动态特性相匹配，并且满足传动精度、定位精度高，响应速度快，速度的稳定性好。性能要求满足以下几个方面：1、转动惯量（J）小转动惯量大对系统造成不良影响，使机械负载变大，系统响应速度降低，灵敏度下降，但是J小不应影响机械系统的刚度。第四页，编辑于星期一：三点二十分。2、刚度（K）大刚度是指弹性体抵抗变形的能力，或产生单位弹性变形量所需要的作用力。大的刚度对机械系统是有利的，可增大机构固有频率，不易产生共振，增加伺服系统的稳定性。3、阻尼（B）合适系统产生振动时，B越大，振幅越小，衰减越快，但稳态误差增大，精度降低。阻尼比为：过阻尼系统临界阻尼系统欠阻尼系统一般取第五页，编辑于星期一：三点二十分。二、传动装置的类型按工作原理分为：啮合传动(齿轮传动、齿形带传动)摩擦传动(带传动、钢丝绳传动)推动传动(凸轮连杆机构)机械传动液压传动气压传动液力传动流体传动交流电力传动直流电力传动交、直流电力传动电力传动磁力传动第六页，编辑于星期一：三点二十分。按输出速度情况分为：转速恒定传动转速可调传动2滚珠丝杠（或滚动螺旋）传动一、工作原理与结构形式丝杠和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，使丝杠和螺母作相对运动时为滚动摩擦。在螺母（或丝杠）上有滚珠返回的通道，与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。第七页，编辑于星期一：三点二十分。二、滚珠丝杠副传动部件1、滚珠丝杠副的组成及特点（1）组成第八页，编辑于星期一：三点二十分。螺母滚珠丝杠螺旋槽螺旋槽回路管道第九页，编辑于星期一：三点二十分。第十页，编辑于星期一：三点二十分。滚珠丝杠螺母副的组成：带螺纹槽的丝杠带螺纹槽的螺母滚珠反向器第十一页，编辑于星期一：三点二十分。滚珠丝杠的特点1、传动效率高3、传动精度高精度其中：中径处的螺旋升角当量摩擦角（）一般而言，摩擦系数较小因此，效率很高，可达90%-95%。2、运动具有可逆性回转运动变直线运动正传动直线运动变回转运动逆传动轴向定位精度进给精度误差：第十二页，编辑于星期一：三点二十分。4、磨损小，使用寿命长滚珠、滚道、丝杠、螺母都经过淬火、硬化处理HRC58-65。5、不能自锁垂直安装时，当运动停止后，螺母在重力作用下下滑，故需设置制动装置，如图示。第十三页，编辑于星期一：三点二十分。2、滚珠丝杠副的典型结构类型（1）螺纹滚道型面的形状及主要尺寸双圆弧型单圆弧型第十四页，编辑于星期一：三点二十分。主要尺寸：理想接触角=450R=1.04rbe=sin(R-rb)第十五页，编辑于星期一：三点二十分。单圆弧型特点：接触角随轴向载荷的变化而变化第十六页，编辑于星期一：三点二十分。双圆弧型特点：角基本保持不变，加工成本高第十七页，编辑于星期一：三点二十分。（2）滚珠的循环方式内循环外循环第十八页，编辑于星期一：三点二十分。1）内循环滚珠在循环的过程中始终没有脱离丝杠。丝杠螺母滚珠反向器第十九页，编辑于星期一：三点二十分。浮动式反向器的循环丝杠螺母滚珠反向器第二十页，编辑于星期一：三点二十分。特点：滚珠循环回路短，流畅性好，效率高；第二十一页，编辑于星期一：三点二十分。螺母的径向尺寸小，加工困难，装配调整不易；适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密进给系统。第二十二页，编辑于星期一：三点二十分。2）外循环滚珠在循环过程中脱离过丝杠螺母滚珠丝杠螺旋槽螺旋槽回路管道第二十三页，编辑于星期一：三点二十分。特点：滚珠循环回路长，流畅性差，效率低；第二十四页，编辑于星期一：三点二十分。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。第二十五页，编辑于星期一：三点二十分。①螺旋槽式第二十六页，编辑于星期一：三点二十分。②插管式插管第二十七页，编辑于星期一：三点二十分。③端盖式特点：应用较少，常以单螺母形式用作升降传动机构。盖板螺母第二十八页，编辑于星期一：三点二十分。3、滚珠丝杠副的主要尺寸参数公称直径丝杠大径丝杠小径滚珠直径螺母小径螺母大径第二十九页，编辑于星期一：三点二十分。（1）公称直径do指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠副的特征尺寸。第三十页，编辑于星期一：三点二十分。（2）基本导程Ph丝杠相对螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的轴向位移;导程小→精度高→承载能力小（3）行程λ丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。第三十一页，编辑于星期一：三点二十分。（4）滚珠直径db滚珠直径大，则承载能力也大。应根据轴承厂提供的尺寸选用（5）滚珠个数NN过多，流通不畅，易产生阻塞；N过少，承载能力小，滚珠自载加距磨损和变形一般取：N<150第三十二页，编辑于星期一：三点二十分。（6）滚珠的工作圈（或列）数j由于第一、第二、第三圈（或列）分别承受轴向载荷的50%、30%、15%左右，因此工作圈（或列）数一般取:j=2.5~3.5第三十三页，编辑于星期一：三点二十分。4、滚珠丝杠副的精度等级及标注方法（1）精度等级根据GB/T17587.3-1998（与ISO3408-3：1992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级为最高按实际使用要求，在每一精度等级内指定了导程精度的验收检验项目，未指定的检验项目其导程误差不得低于下一级精度的规定值。第三十四页，编辑于星期一：三点二十分。（2）标注方法第三十五页，编辑于星期一：三点二十分。（3）尺寸系列公称直径系列（mm）6、8、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第三十六页，编辑于星期一：三点二十分。（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。第三十七页，编辑于星期一：三点二十分。5、滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧预紧目的：提高刚度保证反向传动精度轴向间隙调整的目的：第三十八页，编辑于星期一：三点二十分。采用方法：（1）双螺母螺纹预紧调整法锁紧螺母调整螺母左螺母右螺母第三十九页，编辑于星期一：三点二十分。特点：结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量调整第四十页，编辑于星期一：三点二十分。（2）双螺母齿差预紧调整法套筒丝杠内齿轮外齿轮第四十一页，编辑于星期一：三点二十分。特点：可实现定量调整，使用中调整方便；两边齿轮同向旋转一个齿时，螺母的轴向位移量为：第四十二页，编辑于星期一：三点二十分。（3）双螺母垫片预紧调整法结构简单，刚性高，预紧可靠，但使用中调整不方便1-垫片；2-螺母第四十三页，编辑于星期一：三点二十分。（4）弹簧式自动调整预紧式能消除在使用过程中由于磨损或弹性变形产生的间隙，但结构复杂，轴向刚度低；适用于轻载场合。第四十四页，编辑于星期一：三点二十分。（5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式结构简单紧凑，但使用中不能调整，制造困难第四十五页，编辑于星期一：三点二十分。6、滚珠丝杠副支承方式的选择采用推力轴承为主的轴承组合来提高轴向刚度。第四十六页，编辑于星期一：三点二十分。1）双推-自由式特点：轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装丝杠传动系统；当丝杠垂直安装时，必须采用制动装置。（1）支承方式第四十七页，编辑于星期一：三点二十分。2）双推-简支式特点：预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统第四十八页，编辑于星期一：三点二十分。3）单推-单推式特点：轴向刚度较高，预紧力大，寿命低第四十九页，编辑于星期一：三点二十分。4）双推-双推式特点：适合于高刚度，高速度，高精度的精密丝杠传动系统。第五十页，编辑于星期一：三点二十分。轴承的组合安装支承示例简易单推-单推式支承第五十一页，编辑于星期一：三点二十分。双推-简支支承方式第五十二页，编辑于星期一：三点二十分。双推-自由式支承第五十三页，编辑于星期一：三点二十分。四种支承方式的比较：双推-双推无单推-单推双推-简支有低高低高双推-自由失稳承载能力刚度支承方式第五十四页，编辑于星期一：三点二十分。（2）制动装置因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。常用的制动装置有体积小、重量轻、易于安装的超越离合器。超越离合器1-外圈；2-星轮；3-滚柱：4-活销；5-弹簧第五十五页，编辑于星期一：三点二十分。电机丝杠主轴摩擦离合器弹簧电磁线圈铁心（2）制动装置第五十六页，编辑于星期一：三点二十分。7、滚珠丝杠副的密封与润滑（1）密封1）丝杠的密封第五十七页，编辑于星期一：三点二十分。伸缩套筒第五十八页，编辑于星期一：三点二十分。（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。第五十九页，编辑于星期一：三点二十分。8、滚珠丝杠副的选择方法（1）滚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。第六十页，编辑于星期一：三点二十分。（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，一般推荐第六十一页，编辑于星期一：三点二十分。2）基本导程PhPh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，传动精度高第六十二页，编辑于星期一：三点二十分。基本导程的选择原则：在满足数控机床加工精度的条件下，导程应尽可能取大些.第六十三页，编辑于星期一：三点二十分。（3）滚珠丝杠副的选择步骤已知条件：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HRC和运转情况。第六十四页，编辑于星期一：三点二十分。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。第六十五页，编辑于星期一：三点二十分。式中：L----滚珠丝杠寿命系数T---使用寿命时间（h）普通机械为5000~10000，数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为15000航空机械为1000第六十六页，编辑于星期一：三点二十分。fw---运转系数fH----硬度系数Pmax----最大工作载荷第六十七页，编辑于星期一：三点二十分。从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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Qa>Q第六十八页，编辑于星期一：三点二十分。注意：当丝杠转速n<10r/min时，以最大静载荷Q0为设计依据。第六十九页，编辑于星期一：三点二十分。2）传动效率的验算第七十页，编辑于星期一：三点二十分。3）刚度验算刚度的验算主要是确定丝杠的变形量第七十一页，编辑于星期一：三点二十分。丝杠的变形量包括：①丝杠的拉伸或压缩变形量1②滚珠与螺纹滚道间接触变形2③支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3④滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化量4⑤螺母座及轴承支座的变形5第七十二页，编辑于星期一：三点二十分。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。第七十三页，编辑于星期一：三点二十分。在实际设计中，由于预紧的作用，可将原机床的刚度提高4倍。因此只要1+2+3=机床精度要求即可认为该丝杠刚度合格。第七十四页，编辑于星期一：三点二十分。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。第七十五页，编辑于星期一：三点二十分。产生失稳的临界负载PK可用下式计算：式中：第七十六页，编辑于星期一：三点二十分。丝杠的支承方式支承方式fz双推-双推4单推-单推1双推-简支2双推-自由式0.25第七十七页，编辑于星期一：三点二十分。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。[nK]---许用稳定性安全系数一般取：[nk]=2.5~4第七十八页，编辑于星期一：三点二十分。已知一数控机床上丝杠螺母副上的最大工作载荷为2670N，丝杠的转速为1500rpm,丝杠硬度HRC=60，传动系统的定位精度为0.015mm。试确定适合该机床的滚珠丝杠螺母副型号。作用于丝杠上的最大动载荷为：第七十九页，编辑于星期一：三点二十分。假设：各型号的滚珠丝杆副的公称直径相同170.010.63.5130.91310046G200.021.63.5100.93295105F3000.010.9790.94374788E450.021380.89300004D240.0713.580.95310004C560.072.43.580.93280564B300.0713.580.92310006Aδ4δ3δ2δ1稳定性刚度(um)效率检验最大动载荷(N.m)基本导程(mm)型号第八十页，编辑于星期一：三点二十分。