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1、滾珠絲杠副特性滾珠絲杠傳動系統(tǒng)是一個以滾珠作為滾動媒介的滾動螺旋傳動的體系。以傳動形式分為兩種：（1）將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動。（2）將直線運動轉(zhuǎn)化成回轉(zhuǎn)運動。 傳動效率高滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達90%98%，為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的24倍，如圖1.1.1所示，所以能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運動（運動可逆）。 運動平穩(wěn)滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時無顫動、低速時無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進給。 高精度滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運動中溫升較小，并可預緊消除軸向間隙和對絲杠進行預拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復定位精

2、度。 高耐用性鋼球滾動接觸處均經(jīng)硬化（HRC5863）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 同步性好由于運動平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 高可靠性與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 無背隙與高剛性滾珠絲杠傳動系統(tǒng)采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀（見圖2.1.22.1.3）、使鋼珠與溝槽達到最佳接觸以便輕易運轉(zhuǎn)。若加入適當?shù)念A緊力，消除軸向間隙，

3、可使?jié)L珠有更佳的剛性，減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達到更高的精度?，F(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，一批又一批的高速數(shù)控機床應(yīng)運而生。它不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對進給系統(tǒng)提出了很高的要求：(1)最大進給速度應(yīng)達到40m/min或更高；(2)加速度要高，達到1g以上；(3)動態(tài)性能要好，達到較高的定位精度。高速滾珠絲杠副是指能適應(yīng)高速化要求(40 mmin以上)、滿足承載要求且能精密定位的滾珠絲杠副，是實現(xiàn)數(shù)控機床高速化首選的傳動與定位部件。1 高速滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)設(shè)計 滾珠絲杠副的驅(qū)動速度VPhN(Ph為導程，N為絲杠轉(zhuǎn)速)，因此提高驅(qū)動速度的途徑有兩條：其一是提高絲杠的轉(zhuǎn)速，其二

4、是采用大導程。提高轉(zhuǎn)速N受doN值的制約(do為滾珠絲杠的公稱直徑)。國際上一般doN70000。據(jù)日本NSK公司介紹：該公司已將doN值提高到153000。N增大時，do必須減小，且過分提高轉(zhuǎn)速會引起絲杠發(fā)熱、共振等問題；d0太小也會造成系統(tǒng)剛性差、易變形、影響加工精度，且目前伺服電動機的最高轉(zhuǎn)速僅到4000 rmin。導程Ph過大時，不僅增加了滾珠絲杠副的制造難度，精度難以提高，降低了絲杠副承載，而且也增加了伺服電動機的起動力矩。因此，設(shè)計高速滾珠絲杠副時要合理選擇絲杠副的轉(zhuǎn)速N、公稱直徑do與導程Ph。數(shù)控機床常用的滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)為：外循環(huán)插管式、內(nèi)循環(huán)反向器式。由于高速滾珠絲杠副的導程

5、較大，如用內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，反向器尺寸較長，承載的鋼球數(shù)減少，且鋼球高速時流暢性差，是不適合的；而外循環(huán)插管式結(jié)構(gòu)簡單，承載能力大，不受導程的限制。因此，被選作高速滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)。外循環(huán)滾珠絲杠副預緊方式主要有三種：增大鋼球直徑、變位導程和墊片。各預緊方式的特點見表1。根據(jù)高速滾珠絲杠副的特點，選用單螺母變位導程預緊結(jié)構(gòu)比較合適。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)注意以下幾點：(1)導程的選擇。為了提高絲杠副驅(qū)動速度，一般需增大絲杠副導程，常用絲杠副導程取絲杠直徑的1312。(2)為了增加承載，選用多頭螺紋，以提高絲杠副承載能力。(3)滾珠絲杠副在高速時產(chǎn)生的噪聲主要來自鋼球在導珠管進出口(見圖1P、P點)處的碰

6、撞。因此，在循環(huán)過程中鋼球的反向點設(shè)計是非常重要的(見圖1)，要合理選取反向角o滾珠絲杠副計算流程支承方式滾珠絲杠的支承主要有以下四種，由于支承方式不同，使容許軸向載荷及容許回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也有所不同，客戶應(yīng)根據(jù)自身情況適當選擇。固定-固定 適用于高轉(zhuǎn)速、高精度。固定-支承 適用于中等轉(zhuǎn)速、高精度。 支承-支承 適用于中等轉(zhuǎn)速，中精度固定-自由 適用于低轉(zhuǎn)速，中精度，短軸向絲杠 導 程Pho-導程 （mm）Vmax-工作臺最大移動速度（mm/min）nmax-電機最大轉(zhuǎn)速（r/min）I- 傳動比（見滾珠絲杠傳動系統(tǒng)說明圖），從輸出端（馬達）至輸入端（絲杠）的傳動比。臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速也稱危險轉(zhuǎn)

7、速在高速情況下產(chǎn)生共振時所達到的極限轉(zhuǎn)速，此現(xiàn)象會造成產(chǎn)品質(zhì)量下降，加工機床損壞。 nk = fnk d2/Ln2 107nk - 臨界轉(zhuǎn)速（r/min）fnk- 支承系數(shù)（見下表）d2 - 絲杠螺紋底徑（mm）Ln - 臨界長度（mm）支承方式fnx固定固定27.4固定支承18.9支承支承12.1固定自由4.3允許工作轉(zhuǎn)速 為了使用的安全性nkper 0.8 nknkper-允許工作轉(zhuǎn)速（r/min）nk - 臨界轉(zhuǎn)速（r/min）容許軸向載荷絲杠理論容許軸向載荷 容許軸向載荷也稱危險軸向載荷在軸方向施加的最大拉伸壓縮負荷。為了保證絲杠的傳動精度，在設(shè)計時必須考慮不使絲杠發(fā)生變形的軸徑尺寸（

8、絲杠螺紋底徑）。 Fk = fFkd24/Lk2104Fk -絲杠理論容許軸向載荷（N）d2 - 絲杠螺紋底徑 （mm）fFk - 支承系數(shù)（見下表） Lk - 軸承與螺母間的距離 （mm）支承方式fFx固定固定40.6固定支承20.4支承支承10.2固定自由2.6絲杠工作容許軸向載荷為了使用的安全性，絲杠工作容許軸向載荷應(yīng)為絲杠理論容許軸向載荷的50%。Fkzul = Fk/2Fkzul- 絲杠工作容許軸向載荷 （N）Fk- 絲杠理論容許軸向載荷 （N）剛度軸向總剛度滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的剛度受到所有與其相連的部件(如：軸承、支承、螺母座等)的影響。1/Rtot=1/Rs+1/Rnu+1/RaL

9、Rtot-傳動系統(tǒng)軸向總剛度（N/m）RaL- 支承軸承剛度（N/m）Rs- 絲杠剛度（N/m）Rnu- 螺母剛度 （N/m）= Fa/Rtot- 軸向彈性變形量 （m）Fa- 軸向負荷 （N）支承剛度支承軸承剛度RaL可從軸承生產(chǎn)廠產(chǎn)品樣本中的查出。RaL=Fa/ aLRaL-支承軸承剛度 （N/m）Fa - 軸向負荷 （N）aL - 支承軸承彈性變形量（m）（此數(shù)據(jù)從軸承生產(chǎn)廠家得出）螺母剛度 在多數(shù)情況下，絲杠剛度Rs 遠遠小于螺母的剛度Rnu，Rnu一般為Rs的3至5倍。a、 無預加載荷的螺母剛度當檢測軸向載荷F等同于額定動載荷Ca的30%時，螺母剛度為系列表中剛度值的80%，若軸向載

10、荷F不同于額定動載荷Ca的30%時，則剛度計算如下：Rnu - 螺母剛度（N/m）R - 系列表中的剛度值（N/m）F - 軸向負荷 （N）Ca - 系列表中的額定動載荷b、有預加載荷的螺母剛度當檢測預緊載荷Fao等同于額定動載荷Ca的10%及軸向載荷F為額定動載荷Ca的30%時，螺母剛度為系列表中剛度值的80%，若預緊載荷Fao不同于額定動載荷Ca的10%時，則剛度計算如下：Rnu - 螺母剛度（N/m）R - 系列表中的剛度值（N/m）Fao - 軸向負荷 （N）Ca - 系列表中的基本動載荷 - 剛度計算系數(shù) =0.1 為墊片式預警、=0.05為增大鋼球式預警絲杠剛度絲杠剛度Rs取決于安

11、裝支承的形式。 1 一端固定支承的滾珠絲杠 Rs1- 絲杠剛度（N/m）d0 -公稱直徑（mm）Ls1 -軸承與螺母的距離（mm）Dw - 滾珠直徑（mm）2 兩端固定支承的滾珠絲杠絲杠的最小剛度Rs2min出現(xiàn)在絲杠中點(Ls2=Ls/2) ，其值為： Rs2 - 絲杠剛度（N/m） d0 -公稱直徑（mm)Ls - 軸承之間的距離 Ls2 - 軸承與螺母的距離 Dw - 滾珠直徑（mm)一般來說絲杠在使用時，1000mm長的絲杠在每上升1oC就有12m的伸長量，因此即使?jié)L珠絲杠的導程經(jīng)過高精度的加工，也會因溫升而產(chǎn)生變形，使定位精度有所誤差，除了選擇正確的潤滑劑及冷卻方式外，還應(yīng)采用以下措

12、施： 求出行程補償值C，取負值補正（可在訂貨時給定）； 機械高速運轉(zhuǎn)升溫，達到穩(wěn)定狀態(tài)后使用； 絲杠安裝時施予預拉載荷； 使用閉環(huán)控制的方式定位。 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩滾珠絲杠傳動系統(tǒng)說明圖 W 工作臺重量+工件重量等速驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 Mt1Mt1=(Mta + Mte + Mtu) Z1/Z2 (Nm)Mta - 工作載荷（N）Mte - 預加載荷轉(zhuǎn)矩（Nm）Mtu - 支承滑塊的摩擦轉(zhuǎn)矩（Nm）Z1 - 齒輪1的齒數(shù)Z2 - 齒輪2的齒數(shù)由外加載荷而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 Mta(Nm)Fa - 工作載荷（N）Pho - 導程 （mm） - 機械效率 （0.9）Fa = F + W g F - 絲杠載荷 （N）W -

13、工作臺重量 + 工件重量（kg）g - 重力加速度（9.8m/sec2）- 摩擦系數(shù)由預加載荷而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 Mte(Nm)Fao - 預緊載荷（N）Pho - 導程（mm）Kp - 預緊螺母內(nèi)的摩擦系數(shù)（0.10.3）電機的選定，一般來說以平均速度時的 Mt1 不超過電機額定轉(zhuǎn)矩的30%為使用標準。加速驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 Mt2Mt2 = Mt1 + Jm （Nm）Jm - 電機所負的總慣性矩 - 電機之角加速度（rad/sec2）電機所負荷的總慣性矩 Jm （kg.m2）Jz1 - 齒輪1的慣性矩 （kg.m2）Jz2 - 齒輪2的慣性矩 （kg.m2）JD - 電機慣性矩 （kg.m2）Js - 滾

14、珠絲杠慣性矩 （kg.m2）Pho - 導程（mm）W - 工作臺重量+工件重量（kg）Z1 - 齒輪1的齒數(shù)Z2 - 齒輪2的齒數(shù)圓柱物體（滾珠絲杠、齒輪等）的慣性矩計算公式(kg/cm2) - 材料單位體積的重量（鋼材=7.810-3 kg/cm3）L - 圓柱物體長度（cm）D - 圓柱物體直徑 （cm）計算舉例選取的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動系統(tǒng)為： 磨制絲杠(右旋)軸承到螺母間距離(臨界長度) ln = 1200mm固定端軸承到螺母間距離 Lk = 1200mm設(shè)計后絲杠總長 = 1600mm最大行程 = 1200mm工作臺最高移動速度 Vman = 14（m/min）壽命定為 Lh = 2400

15、0工作小時。= 0.1 （摩擦系數(shù)）電機最高轉(zhuǎn)速 nmax = 1800 （r/min）定位精度：最大行程內(nèi)行程誤差 = 0.035mm300mm行程內(nèi)行程誤差 = 0.02mm失位量 = 0.045mm 支承方式為(固定支承)W = 1241kg+800kg （工作臺重量+工件重量） g=9.8m/sec2(重力加速度)I=1 (電機至絲杠的傳動比)Fw=W g = 0.120419.8 2000 N(摩擦阻力) 運轉(zhuǎn)方式軸向載荷Fa=F+Fw （N）進給速度(mm/min) 工作時間比例無切削F1=2000V1=14000q1=15輕切削F2=4000V2=1000q2=25普通切削F3=

16、7000V3=600q3=50重切削F4=11000V4=120q4=10Fa - 軸向載荷 （N） F - 切削阻力 （N） Fw - 摩擦阻力 （N）從已知條件得絲杠編號：此設(shè)計絲杠副對剛度及失位都有所要求，所以螺母選形為：FDG（法蘭式雙螺磨制絲杠）從定位精度得出精度精度不得小于P5級絲杠FDG_-_X_R-_-P5-1600X_計算選定編號 導程 = 14000/180007.7mm在此為了安全性考慮：Pho =10(mm) 運轉(zhuǎn)方式進給速度(mm/min) 進給轉(zhuǎn)速(r/min) 無切削V1=14000n1=1400輕切削V2=1000n2=100普通切削V3=600n2=60重切削

17、V4=120n2=12 平均轉(zhuǎn)速 平均載荷 時間壽命與回轉(zhuǎn)壽命=2400026660=383040000轉(zhuǎn)次額定動載荷以普通運動時確定fw取 1.4得：額定動載荷 Ca39673N以Ca值從FDG系列表及（絲杠直徑和導程、絲杠長度表） 中查出適合的類型為：公稱直徑： d0=40mm 絲杠底徑： d0=33.9mm 導程：Pho=10mm 循環(huán)圈數(shù)：4.5額定動載荷為：48244N。絲杠編號： FDG 40 10R - P5 - 4.5 - 1600 _預緊載荷Fao = Fmax/3=11000/3 3666 N絲杠螺紋長度Lu=L1-2Le L1=Lu+2Le=1200+240=1280mm

18、絲杠螺紋長度不得小于1280mm加上螺母總長一半84mm(從系列表中查出螺母總長168mm)。得絲杠螺紋長度 1364m。在此取絲杠螺紋長度 L1=1400mm則軸承之間的距離Ls=1400mm絲杠編號： FDG - 10R - P5 - 4.5 - 1600 1400絲杠公稱直徑公稱直徑由允許工作轉(zhuǎn)速與工作容許軸向載荷來推算得出。臨界轉(zhuǎn)速及允許工作轉(zhuǎn)速：nkper0.8nk nk nkper/0.8以安裝形式確定fnk 取18.9?？芍z杠螺母底徑大于 13.7當Pho=10(mm)、最高轉(zhuǎn)速達到1400（r/min） 時，系列表中適合的公稱直徑d032mm 。上述由額定動載荷Ca 求得的公

19、稱直徑 d0=40mm32 ，滿足條件，否則公稱直徑還應(yīng)加大。絲杠編號： FDG 40 10R P5 - 4.5 - 1600 1400滾珠絲杠傳動系統(tǒng)剛度初始條件：失位量 = 0.045mm。滾珠絲杠系統(tǒng)之間各元部件（絲杠、螺母、支承軸承），在此設(shè)為：0.04mm。此時滾珠絲杠系統(tǒng)各元部件單邊彈性變形量為：0.02mm。 此時為無切削運動時的軸向載荷2000N。絲杠剛度當Ls1=Lk，Rs 為最小，一般情況下計算最小剛度值。 = Fa/Rs =2000/17611.4m 螺母剛度在此預緊載荷為額定動載荷的10%，螺母剛度從表中查出 R=2128N/m從表中查出額定動載荷Ca=48244N,在

20、此取0.1nu=Fa/Rnu=2000/1554 1.3m支承剛度支承軸承剛度RaL可從軸承生產(chǎn)廠產(chǎn)品樣本中的查出。在此RaL=1020N/mRaL=Fa/aLaL=Fa/RaL= 2000/1020 2m軸向總剛度1/Rtot = 1/Rs + 1/Rnu + 1/RaL=1/176 + 1/1554 + 1/10201/138 Rtot137 N/m總彈性變形量(單邊)tot = s + nu + aL=11.4+1.3+2=14.7m 20m，合格。從絲杠軸向總剛度的問題上來講，絲杠的剛度有時比螺母的剛度重要，最佳提升剛性的方法是提高絲杠的剛度，而不是在螺母上施加太重的預緊載荷(預緊載荷

21、最高為額定動載荷的10%)，如果將絲杠的安裝方式改為（固定-固定）式，軸向總剛度的最小剛度Rtot305N/m 、總彈性變形量(單邊)s=6.7m 。電機的選定驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 Fa為無切削軸向載荷2000N。Fa為輕切削軸向載荷4000N。Fa為普通切削軸向載荷7000N。Fa為重切削軸向載荷11000N。由預加載荷而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在此 Kp 取 0.18在精確設(shè)計中要考慮各方面的轉(zhuǎn)矩(如：加速度時之負載轉(zhuǎn)矩及馬達所負荷的總慣性矩等)。 I = 1 （電機至絲杠的傳動比）平均速度時最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Mt1=Mta+Mte=19.5+1.421Nm在此馬達轉(zhuǎn)速最高設(shè)計為1500r/min電機的選定時，一般來說以

22、平均速度時的 Mt1 在電機額定轉(zhuǎn)矩的30%以內(nèi)情況下使用。檢校絲杠理論容許軸向載荷以安裝形式確定fFk 取20.4Fk=fFk d24/Lk2 104 =20.433.92/1200104 187097 N絲杠工作容許軸向載荷Fkzul = Fk/2 =187097/293549N最大軸向載荷小于絲杠工作容許軸向載荷，合格。臨界轉(zhuǎn)速 以安裝形式確定取18.9nk=fnk d2/Ln2 107 =18.933.9/120021074449 r/min允許工作轉(zhuǎn)速 nkper 0.8 nk =0.8 4449 3559 r/min 最大運動轉(zhuǎn)速小于允許工作轉(zhuǎn)速，合格。 預緊載荷的確定為了防止造成

23、絲杠傳動系統(tǒng)的任何失位，保證傳動精度，提高絲杠系統(tǒng)的剛度是很重要的，而要提高螺母的接觸剛度，必須施加一定的預緊載荷。 施加了預緊載荷后，摩擦轉(zhuǎn)矩增加，并使工作時的溫升提高。因此必須恰當?shù)卮_定預緊載荷（最大不得超過10%的額定動載荷），以便在滿足精度和剛度的同時，獲得最佳的壽命和較低的溫升效應(yīng)。 本公司供貨時，已按客戶要求施加了預緊載荷。設(shè)計與使用時注意防止逆轉(zhuǎn) 滾動螺旋傳動逆轉(zhuǎn)率高，不能自鎖。為了使螺旋副受力后不逆轉(zhuǎn)，應(yīng)考慮設(shè)置防逆轉(zhuǎn)裝置，如采用制動電機、步進電機，在傳動系統(tǒng)中設(shè)有能夠自鎖的機構(gòu)（如蝸桿傳動）；在螺母、絲杠或傳動系統(tǒng)中裝設(shè)單向離合器、雙向離合器、制動器等。選用離合器時，必須注意其可靠性。防止螺母脫出 在滾動螺旋傳動中，特別是垂直傳動，容易發(fā)生螺母脫出造成事故，設(shè)計時必須考慮防止螺母脫出的安全裝置。安裝滾珠絲杠副安裝到時機床時，請不要把螺母從絲杠上拆下來。但在必須把螺母卸下來的場合時，要使用比絲杠底徑小0.20.3mm安裝輔助套筒。將安裝輔助套筒推至螺紋起始端面，從絲杠上將螺母旋至輔助套筒上，連同螺母、輔助套筒一并小心取下，注意不要使?jié)L珠散落。安裝順序與拆卸順序順序相反。必須特別小心謹慎的安裝，否則螺母、絲杠或其它內(nèi)部零件可能會受損或掉落，導致滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的提前失效。20