第二章机械系统设计之滚珠丝杠

1、第一节第一节 机械系统部件的设计要求机械系统部件的设计要求 第一章第一章 机械系统设计机械系统设计 第二节第二节 机械传动部件的选择与设计机械传动部件的选择与设计 第三节第三节 导向支承部件的选择与设计导向支承部件的选择与设计 第一节第一节 概述概述 数控机床：数控机床： 工作台工作台 电机电机 执行元件执行元件 驱动器驱动器 信息处理系统信息处理系统 （计算机）（计算机） 动力源动力源 传感器传感器 第一章第一章 机械系统设计机械系统设计 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

2、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 1 1 概述概述 一、传动装置功能及性能要求一、传动装置功能及性能要求 功能功能：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性能要求满足以下几个方面

3、： 1 1、转动惯量（、转动惯量（ J J ）小小 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。 2 2、刚度（、刚度（ K K ）大大 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 3、阻尼（、阻尼（B B ）合适合适 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： m K mK B 2 1 1 1 过阻尼系统 临界阻尼系统 欠阻尼系统 一般取 8 . 04 . 0 二

4、、传动装置的类型二、传动装置的类型 按工作原理分为按工作原理分为： 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 按输出速度情况分为按输出速度情况分为： 转速恒定传动 转速可调传动 2 2 滚珠丝杠（或滚动螺旋）传动滚珠丝杠（或滚动螺旋）传动 一、工作原理与结构形式一、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，

5、与螺纹滚道 形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。 二、滚珠丝杠副传动部件二、滚珠丝杠副传动部件 1、滚珠丝杠副的组成及特点、滚珠丝杠副的组成及特点 （1）组成）组成 螺母螺母滚珠滚珠 丝杠丝杠 螺旋槽螺旋槽 螺旋槽螺旋槽 回路管道回路管道 滚珠丝杠螺母副的组成：滚珠丝杠螺母副的组成： 带螺纹槽的丝杠带螺纹槽的丝杠 带螺纹槽的螺母带螺纹槽的螺母 滚珠滚珠 反向器反向器 滚珠丝杠的特点滚珠丝杠的特点 1、传动效率高、传动效率高 3、传动精度高、传动精度高 精度精度 )( tg tg 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

6、动具有可逆性、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 218 0035. 00025. 0tg 轴向定位精度轴向定位精度 进给精度进给精度 mmm 300/4误差：误差： 4 4、磨损小，使用寿命长、磨损小，使用寿命长 滚珠、滚道、丝杠、螺母都经过淬火、硬化淬火、硬化处理HRC58-65。 5 5、不能自锁不能自锁 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。 2、滚珠丝杠副的典型结构类型、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）螺纹滚道型面的形状及主要尺寸 双圆弧型双圆弧型 单圆弧型单圆弧型 主要尺寸：主要

7、尺寸： 理想接触角理想接触角 =450 R=1.04rb e=sin (R-rb) 偏心距 滚道圆弧半径 滚珠半径 接触角 e R r b 单圆弧型单圆弧型 ，承承载载能能力力，轴轴向向刚刚度度 特点：接触角随轴向载荷的变化而变化特点：接触角随轴向载荷的变化而变化 双圆弧型双圆弧型 特点：特点： 角基本保持不变，加工成本高角基本保持不变，加工成本高 （2）滚珠的循环方式）滚珠的循环方式 v内循环内循环 v外循环外循环 1）内循环）内循环 滚珠在循环的过程中始终没有脱离丝杠。滚珠在循环的过程中始终没有脱离丝杠。 丝杠丝杠 螺母螺母 滚珠滚珠 反向器反向器 浮动式反向器的循环浮动式反向器的循环 丝

8、杠丝杠螺母螺母 滚珠滚珠 反向器反向器 特点：特点： 滚珠循环回路短，流畅性好，效率高；滚珠循环回路短，流畅性好，效率高； 螺母的径向尺寸小，螺母的径向尺寸小， 加工困难，装配调加工困难，装配调 整不易；整不易； 适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密 进给系统。进给系统。 2）外循环）外循环 滚珠在循环过程中脱离过丝杠滚珠在循环过程中脱离过丝杠 螺母螺母滚珠滚珠 丝杠丝杠 螺旋槽螺旋槽 螺旋槽螺旋槽 回路管道回路管道 特点：特点： 滚珠循环回路长，流畅性差，效率低；滚珠循环回路长，流畅性差，效率低； 工艺简单，工艺简单，螺母的径向尺寸大，螺母的径向尺寸大， 易于

9、制造；易于制造； 挡珠器刚性差，易磨损。挡珠器刚性差，易磨损。 螺旋槽式螺旋槽式 插管式插管式 插管插管 端盖式端盖式 特点：特点： 应用较少，常以单螺母形式用作升应用较少，常以单螺母形式用作升 降传动机构。降传动机构。 盖板盖板 螺母螺母 3、滚珠丝杠副的主要尺寸参数、滚珠丝杠副的主要尺寸参数 公称直径公称直径 丝杠大径丝杠大径丝杠小径丝杠小径 滚珠直径滚珠直径 螺母小径螺母小径螺母大径螺母大径 （1）公称直径）公称直径do 指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态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，它是滚珠丝时包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝 杠副的特征尺寸。杠副的特征尺

10、寸。 （2）基本导程）基本导程Ph 丝杠相对螺母旋转丝杠相对螺母旋转2弧度时，螺母上基弧度时，螺母上基 准点的轴向位移准点的轴向位移; 导程小导程小精度高精度高承载能力小承载能力小 （3）行程）行程 丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基丝杠相对螺母旋转任意弧度时，螺母上基 准点的轴向位移。准点的轴向位移。 h P x 360 （4）滚珠直径）滚珠直径 db 滚珠直径大，则承载能力也大。应根据轴承厂滚珠直径大，则承载能力也大。应根据轴承厂 提供的尺寸选用提供的尺寸选用 （5）滚珠个数）滚珠个数N N过多，流通不畅，易产生阻塞；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

11、形过少，承载能力小，滚珠自载加距磨损和变形 一般取：一般取：NQ 注意：注意： 当丝杠转速当丝杠转速n10r/min时，时， 以最大静载荷以最大静载荷Q0为设计依据。为设计依据。 2）传动效率的验算）传动效率的验算 )( tg tg 其其摩摩擦擦角角约约等等于于 滚滚动动摩摩擦擦系系数数摩摩擦擦角角，滚滚珠珠丝丝杠杠副副的的 丝丝杠杠螺螺旋旋长长升升角角 10 ,004. 0003. 0 ftg 时满足要求当9 . 0 3）刚度验算）刚度验算 刚度的验算主要是确定丝杠的变形量刚度的验算主要是确定丝杠的变形量 丝杠的变形量包括：丝杠的变形量包括： 丝杠的拉伸或压缩变形量丝杠的拉伸或压缩变形量 1

12、 滚珠与螺纹滚道间接触变形滚珠与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滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化 量量 4 螺母座及轴承支座的变形螺母座及轴承支座的变形 5 因此因此: 滚珠丝杠副刚度的验算，主滚珠丝杠副刚度的验算，主 要是验算要是验算 1 、 、 2 、 、 3之和不应大之和不应大 于机床精度要求允许变形量的一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半，否则，应考虑选用较大直径 的滚珠丝杠副。的滚珠丝杠副。 在实际设计中，由于预紧的作用，可在实际设计中，由于预紧的作用，可 将原

13、机床的刚度提高将原机床的刚度提高4倍。因此只要倍。因此只要 1 + 2 + 3=机床精度要求机床精度要求 即可认为该丝杠刚度合格。即可认为该丝杠刚度合格。 4）稳定性验算）稳定性验算 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承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。其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。 产生失稳的临界负载产生失稳的临界负载PK可用下式计算：可用下式计算： 丝丝杠杠的的支支承承方方式式系系数数 ）丝丝杠杠两两端端支支承承距距离离（ 丝丝杠杠小小径径）截截面面惯惯性性矩矩（ ）（钢钢丝丝杠杠材材料

14、料弹弹性性模模量量，对对 Z f cml ddIcmI cmNEE 1 4 1 4 26 ( 64 /106 .20 式中：式中： 2 2 l EIf p Z K 丝杠的支承方式丝杠的支承方式 支承方式支承方式fz 双推双推-双推双推4 单推单推-单推单推1 双推双推-简支简支2 双推双推-自由式自由式0.25 临界负载临界负载PK与最大工作负载与最大工作负载Pm之比称为稳之比称为稳 定性安全系数定性安全系数nk。 nK-许用稳定性安全系数许用稳定性安全系数 一般取：一般取：nk=2.54 求时，丝杠满足稳定性要当 k m k k n F F n 已知一数控机床上丝杠螺母副上的最大工作载荷为已

15、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，丝杠的转速为 1500rpm,丝杠硬度丝杠硬度HRC=60，传动系统的定位精度为，传动系统的定位精度为0.015mm。试确定适合该机。试确定适合该机 床的滚珠丝杠螺母副型号。床的滚珠丝杠螺母副型号。 6 10 60nT L 1350 106 作用于丝杠上的最大动载荷为：作用于丝杠上的最大动载荷为： max 3 FffLQ WH max 3 FffLQ WH ).(29509 2670111350 3 mN 假设：各型号的滚珠丝杆副的公称直径相同假设：各型号的滚珠丝杆副的公称直径相同 170.010. 6