滚珠丝杠副特性
滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。
以传动形式分为两种:
(1)将回转运动转化成直线运动。
(2)将直线运动转化成回转运动。
?传动效率高
滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%~98%,为传统的滑动丝杠系统的2~4倍,如图1.1.1所示,所以能以较小的扭矩得到较大的推力,亦可由直线运动转为旋转运动(运动可逆)。
?运动平稳
滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动,工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象,因此可精密地控制微量进给。
?高精度
滚珠丝杠传动系统运动中温升较小,并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长,因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。
?高耐用性
钢球滚动接触处均经硬化(HRC58~63)处理,并经精密磨削,循环体系过程纯属滚动,相对对磨损甚微,故具有较高的使用寿命和精度保持性。
?同步性好
由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移,用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置,可以获得很好的同步效果。
?高可靠性
与其它传动机械,液压传动相比,滚珠丝杠传动系统故障率很低,维修保养也较简单,只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。
?无背隙与高刚性
滚珠丝杠传动系统采用歌德式(Gothic arch)沟槽形状(见图2.1.2—2.1.3)、使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力,消除轴向间隙,可使滚珠有更佳的刚性,减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形,达到更高的精度。
现代制造技术的发展突飞猛进,一批又一批的高速数控机床应运而生。它不仅要求有性能卓越的高速主轴,而且也对进给系统提出了很高的要求:(1)最大进给速度应达到40m/min或更高;(2)加速度要高,达到1g以上;(3)动态性能要好,达到较高的定位精度。
高速滚珠丝杠副是指能适应高速化要求(40 m/min以上)、满足承载要求且能精密定位的滚珠丝杠副,是实现数控机床高速化首选的传动与定位部件。
1 高速滚珠丝杠副的结构设计
滚珠丝杠副的驱动速度V=Ph×N(Ph为导程,N为丝杠转速),因此提高驱动速度的途径有两条:其一是提高丝杠的转速,其二是采用大导程。提高
转速N受do·N值的制约(do为滚珠丝杠的公称直径)。国际上一般do·N≤70000。据日本NSK 公司介绍:该公司已将do·N值提高到153000。N增大时,do必须减小,且过分提高转速会引起丝杠发热、共振等问题;d0太小也会造成系统刚性差、易变形、影响加工精度,且目前伺服电动机的最高转速仅到4000 r/min。导程Ph过大时,不仅增加了滚珠丝杠副的制造难度,精度难以提高,降低了丝杠副承载,而且也增加了伺服电动机的起动力矩。因此,设计高速滚珠丝杠副时要合理选择丝杠副的转速N、公称直径do与导程Ph。
数控机床常用的滚珠丝杠副结构为:外循环插管式、内循环反向器式。由于高速滚珠丝杠副的导程较大,如用内循环结构,反向器尺寸较长,承载的钢球数减少,且钢球高速时流畅性差,是不适合的;而外循环插管式结构简单,承载能力大,不受导程的限制。因此,被选作高速滚珠丝杠副的结构。
外循环滚珠丝杠副预紧方式主要有三种:增大钢球直径、变位导程和垫片。各预紧方式的特点见表1。
根据高速滚珠丝杠副的特点,选用单螺母变位导程预紧结构比较合适。但在结构设计时,应注意以下几点:(1)导程的选择。为了提高丝杠副驱动速度,一般需增大丝杠副导程,常用丝杠副导程取丝杠直径的1/3—1/2。(2)为了增加承载,选用多头螺纹,以提高丝杠副承载能力。(3)滚珠丝杠副在高速时产生的噪声主要来自钢球在导珠管进出口(见图1P、P'点)处的碰撞。因此,在循环过程中钢球的反向点设计是非常重要的(见图
1),要合理选取反向角αo
滚珠丝杠副计算流程
支承方式
滚珠丝杠的支承主要有以下四种,由于支承方式不同,使容许轴向载荷及容许回转转速也有所不同,客户应根据自身情况适当选择。
固定---固定适用于高转速、高精度。
固定---支承适用于中等转速、高精度。
支承---支承适用于中等转速,中精度
固定---自由适用于低转速,中精度,短轴向丝杠
导程
Pho---导程(mm)
Vmax---工作台最大移动速度(mm/min)
nmax---电机最大转速(r/min)
I--- 传动比(见滚珠丝杠传动系统说明图),从输出端(马达)至输入端(丝杠)的传动比。
临界转速
临界转速
临界转速也称危险转速——在高速情况下产生共振时所达到的极限转速,此现象会造成产品质量下降,加工机床损坏。
n k = f nk × d2/L n2× 107
n
--- 临界转速(r/min)
k
--- 支承系数(见下表)
f
nk
d
--- 丝杠螺纹底径(mm)
2
允许工作转速
为了使用的安全性
n kper≤ 0.8 × n k
n
---允许工作转速(r/min)
kper
--- 临界转速(r/min)
n
k
容许轴向载荷
丝杠理论容许轴向载荷
容许轴向载荷也称危险轴向载荷——在轴方向施加的最大拉伸压缩负荷。为了保证丝杠的传动精度,在设计时必须考虑不使丝杠发生变形的轴径尺寸(丝杠螺纹底径)。
F k = f Fk×d24/L k2×104
F
---丝杠理论容许轴向载荷(N)
k
--- 丝杠螺纹底径(mm)
d
2
--- 支承系数(见下表)
f
Fk
--- 轴承与螺母间的距离(mm)
L
k
丝杠工作容许轴向载荷
为了使用的安全性,丝杠工作容许轴向载荷应为丝杠理论容许轴向载荷的50%。
F kzul = F k/2
--- 丝杠工作容许轴向载荷(N)
F
kzul
F
--- 丝杠理论容许轴向载荷(N)
k
刚度
轴向总刚度
滚珠丝杠传动系统的刚度受到所有与其相连的部件(如:轴承、支承、螺母座等)的影响。
1/R tot=1/R s+1/R nu+1/R aL
R
tot
---传动系统轴向总刚度(N/μm)
R
aL
--- 支承轴承刚度(N/μm)
R
s
--- 丝杠刚度(N/μm)
R
nu
--- 螺母刚度(N/μm)
δ= F a/R tot
δ--- 轴向弹性变形量(μm)
F
a
--- 轴向负荷(N)
支承刚度
支承轴承刚度R
aL
可从轴承生产厂产品样本中的查出。
R aL=F a/ δaL
R
aL
---支承轴承刚度(N/μm)
F
a
--- 轴向负荷(N)
δaL --- 支承轴承弹性变形量(μm)
(此数据从轴承生产厂家得出)
螺母刚度
在多数情况下,丝杠刚度R
s 远远小于螺母的刚度R
nu
,R
nu
一般为R
s
的3至5倍。
a、无预加载荷的螺母刚度
当检测轴向载荷F等同于额定动载荷C
a
的30%时,螺母刚度为系列表中刚度值的80%,若轴向载荷F
不同于额定动载荷C
a
的30%时,则刚度计算如下:
R
nu
--- 螺母刚度(N/μm)
R --- 系列表中的刚度值(N/μm)
F --- 轴向负荷(N)
Ca --- 系列表中的额定动载荷b、有预加载荷的螺母刚度
当检测预紧载荷F
ao 等同于额定动载荷C
a
的10%及轴向载荷F为额定动载荷C
a
的30%时,螺母刚度为系
列表中刚度值的80%,若预紧载荷F
ao 不同于额定动载荷C
a
的10%时,则刚度计算如下:
R
nu
--- 螺母刚度(N/μm)
R --- 系列表中的刚度值(N/μm)
Fao --- 轴向负荷(N)
Ca --- 系列表中的基本动载荷
δ--- 刚度计算系数
δ=0.1 为垫片式预警、
δ=0.05为增大钢球式预警
丝杠刚度
丝杠刚度R
s
取决于安装支承的形式。
1.一端固定支承的滚珠丝杠
R
s1
--- 丝杠刚度(N/μm)
d
---公称直径(mm)
L
s1
---轴承与螺母的距离(mm)
D
w
--- 滚珠直径(mm)
2.两端固定支承的滚珠丝杠
丝杠的最小刚度R
s2min 出现在丝杠中点(L
s2
=L
s
/2) ,其值为:
R
s2
--- 丝杠刚度(N/μm)
d
---公称直径(mm)
L
s
--- 轴承之间的距离
L
s2
--- 轴承与螺母的距离
D
w
--- 滚珠直径(mm)
一般来说丝杠在使用时,1000mm长的丝杠在每上升1o C就有12μm的伸长量,因此即使滚珠丝杠的导程经过高精度的加工,也会因温升而产生变形,使定位精度有所误差,除了选择正确的润滑剂及冷却方式外,还应采用以下措施:
?求出行程补偿值C,取负值补正(可在订货时给定);
?机械高速运转升温,达到稳定状态后使用;
?丝杠安装时施予预拉载荷;
?使用闭环控制的方式定位。
驱动转矩
滚珠丝杠传动系统说明图 W ——工作台重量+工件重量
等速驱动转矩 M
t1
M t1=(M ta + M te + M tu) × Z1/Z2 (Nm)
M
--- 工作载荷(N)
ta
--- 预加载荷转矩(Nm)
M
te
--- 支承滑块的摩擦转矩(Nm)
M
tu
--- 齿轮1的齿数
Z
1
--- 齿轮2的齿数
Z
2
由外加载荷而产生的转矩M
ta
(Nm)
F
--- 工作载荷(N)
a
--- 导程(mm)
P
ho
η --- 机械效率(0.9)
F a= F + W × g × μ
F --- 丝杠载荷(N)
W --- 工作台重量 + 工件重量(kg)
g --- 重力加速度(9.8m/sec2)
μ--- 摩擦系数
由预加载荷而产生的转矩 M
te
(Nm)
--- 预紧载荷(N)
F
ao
P
--- 导程(mm)
ho
K
--- 预紧螺母内的摩擦系数(0.1~0.3)
p
电机的选定,一般来说以平均速度时的 Mt1 不超过电机额定转矩的30%为使用标准。
加速驱动转矩 M
t2
M t2 = M t1 + J m× ω(Nm)
J
--- 电机所负的总惯性矩
m
ω --- 电机之角加速度(rad/sec2)
电机所负荷的总惯性矩 J
(kg.m2)
m
--- 齿轮1的惯性矩(kg.m2)
J
z1
J
--- 齿轮2的惯性矩(kg.m2)
z2
--- 电机惯性矩(kg.m2)
J
D
J
--- 滚珠丝杠惯性矩(kg.m2)
s
P
--- 导程(mm)
ho
W --- 工作台重量+工件重量(kg)
Z
--- 齿轮1的齿数
1
--- 齿轮2的齿数
Z
2
圆柱物体(滚珠丝杠、齿轮等)的惯性矩计算公式
(kg/cm2)
γ --- 材料单位体积的重量(钢材=7.8×10-3 kg/cm3)
L --- 圆柱物体长度(cm)
D --- 圆柱物体直径(cm)
计算举例
选取的滚珠丝杠转动系统为:
磨制丝杠(右旋)
= 1200mm
轴承到螺母间距离(临界长度) l
n
固定端轴承到螺母间距离 L
= 1200mm
k
设计后丝杠总长 = 1600mm
最大行程 = 1200mm
= 14(m/min)
工作台最高移动速度 V
man
= 24000工作小时。
寿命定为 L
h
μ= 0.1 (摩擦系数)
= 1800 (r/min)
电机最高转速 n
max
定位精度:
最大行程内行程误差 = 0.035mm
300mm行程内行程误差 = 0.02mm
失位量 = 0.045mm
支承方式为(固定—支承)
W = 1241kg+800kg (工作台重量+工件重量)
g=9.8m/sec2(重力加速度)
I=1 (电机至丝杠的传动比)
Fw=μ×W ×g = 0.1×2041×9.8 ≈ 2000 N(摩擦阻力)
F a --- 轴向载荷 (N ) F --- 切削阻力 (N ) F w --- 摩擦阻力 (N )
从已知条件得丝杠编号:
此设计丝杠副对刚度及失位都有所要求,所以螺母选形为:FDG (法兰式双螺磨制丝杠) 从定位精度得出精度精度不得小于P5级丝杠 FDG_-_X_R-_-P5-1600X____ 计算选定编号 导程
= 14000/18000≈7.7mm
平均转速
平均载荷
时间寿命与回转寿命
=24000×266×60
=383040000转次
额定动载荷
以普通运动时确定fw取 1.4
得:额定动载荷 C
a
≥39673N
以C
a
值从FDG系列表及(丝杠直径和导程、丝杠长度表)中查出适合的类型为:
公称直径: d
0=40mm 丝杠底径: d
=33.9mm 导程:P
ho
=10mm 循环圈数:4.5
额定动载荷为:48244N。
丝杠编号:FDG 40 × 10R - P5 - 4.5 - 1600 × ____
预紧载荷
F ao = F max/3=11000/3 ≈ 3666 N
丝杠螺纹长度
L u=L1-2L e L1=L u+2L e
=1200+2×40=1280mm
丝杠螺纹长度不得小于1280mm加上螺母总长一半84mm(从系列表中查出螺母总长168mm)。得丝杠螺纹长度≥ 1364m。
在此取丝杠螺纹长度 L
1
=1400mm
则轴承之间的距离L
s
=1400mm
丝杠编号: FDG - 10R - P5 - 4.5 - 1600 × 1400
丝杠公称直径
公称直径由允许工作转速与工作容许轴向载荷来推算得出。
临界转速及允许工作转速:
n kper≤0.8×n k n k≥ n kper/0.8
以安装形式确定f
nk
取18.9。
可知丝杠螺母底径大于? 13.7
当P
ho =10(mm)、最高转速达到1400(r/min)时,系列表中适合的公称直径d
≥32mm 。
上述由额定动载荷C
a 求得的公称直径 d
=40mm>32 ,满足条件,否则公称直径还应加大。
丝杠编号:FDG 40 × 10R – P5 - 4.5 - 1600 × 1400
滚珠丝杠传动系统刚度
初始条件:失位量 = 0.045mm。
滚珠丝杠系统之间各元部件(丝杠、螺母、支承轴承),在此设为:0.04mm。
此时滚珠丝杠系统各元部件单边弹性变形量为:0.02mm。此时为无切削运动时的轴向载荷2000N。
丝杠刚度
当L
s1=L
k
,R
s
为最小,一般情况下计算最小刚度值。
δ = F a/R s
=2000/176≈11.4μm
螺母刚度
在此预紧载荷为额定动载荷的10%,螺母刚度从表中查出 R=2128N/μm
=48244N,在此ε取0.1.
从表中查出额定动载荷C
a
δnu=F a/R nu
=2000/1554 ≈1.3μm
支承刚度
可从轴承生产厂产品样本中的查出。
支承轴承刚度R
aL
=1020N/μm
在此R
aL
R aL=F a/δaLδaL=F a/R aL
= 2000/1020 ≈ 2μm 轴向总刚度
1/R tot = 1/R s + 1/R nu + 1/R aL
=1/176 + 1/1554 + 1/1020
≈1/138 R tot≈137 N/μm 总弹性变形量(单边)
δtot = δs + δnu + δaL
=11.4+1.3+2
=14.7μm ≤ 20μm,合格。
从丝杠轴向总刚度的问题上来讲,丝杠的刚度有时比螺母的刚度重要,最佳提升刚性的方法是提高丝杠的刚度,而不是在螺母上施加太重的预紧载荷(预紧载荷最高为额定动载荷的10%),如果将丝杠的安装
方式改为(固定-固定)式,轴向总刚度的最小刚度R
tot ≈305N/μm 、总弹性变形量(单边)δ
s
=6.7μm 。
电机的选定
驱动转矩
F
a
为无切削轴向载荷2000N。
F
a
为轻切削轴向载荷4000N。
F
a
为普通切削轴向载荷7000N。
F
a
为重切削轴向载荷11000N。
由预加载荷而产生的转矩
在此 K
p
取 0.18
在精确设计中要考虑各方面的转矩(如:加速度时之负载转矩及马达所负荷的总惯性矩等)。
I = 1 (电机至丝杠的传动比)
平均速度时最大驱动转矩
M t1=M ta+M te=19.5+1.4≈21Nm
在此马达转速最高设计为1500r/min
在电机额定转矩的30%以内情况下使用。
电机的选定时,一般来说以平均速度时的 M
t1
检校
丝杠理论容许轴向载荷
取20.4
以安装形式确定f
Fk
F k=f Fk× d24/L k2×104
=20.4×33.92/1200×104
≈187097 N
丝杠工作容许轴向载荷
F kzul = F k/2
=187097/2≈93549N
最大轴向载荷小于丝杠工作容许轴向载荷,合格。
临界转速
以安装形式确定取18.9
n k=f nk×d2/L n2×107
=18.9×33.9/12002×107≈4449 r/min
允许工作转速
n kper≤ 0.8 × n k
=0.8 × 4449 ≈ 3559 r/min
最大运动转速小于允许工作转速,合格。
预紧载荷的确定
为了防止造成丝杠传动系统的任何失位,保证传动精度,提高丝杠系统的刚度是很重要的,而要提高螺母的接触刚度,必须施加一定的预紧载荷。
施加了预紧载荷后,摩擦转矩增加,并使工作时的温升提高。因此必须恰当地确定预紧载荷(最大不得超过10%的额定动载荷),以便在满足精度和刚度的同时,获得最佳的寿命和较低的温升效应。
本公司供货时,已按客户要求施加了预紧载荷。
设计与使用时注意
防止逆转滚动螺旋传动逆转率高,不能自锁。为了使螺旋副受力后不逆转,应考虑设置防逆转装置,如采用制动电机、步进电机,在传动系统中设有能够自锁的机构(如蜗杆传动);在螺母、丝杠或传动系统中装设单向离合器、双向离合器、制动器等。选用离合器时,必须注意其可靠性。
防止螺母脱出在滚动螺旋传动中,特别是垂直传动,容易发生螺母脱出造成事故,设计时必须考虑防止螺母脱出的安全装置。
安装
滚珠丝杠副安装到时机床时,请不要把螺母从丝杠上拆下来。
但在必须把螺母卸下来的场合时,要使用比丝杠底径小0.2~0.3mm安装辅助套筒。
将安装辅助套筒推至螺纹起始端面,从丝杠上将螺母旋至辅助套筒上,连同螺母、辅助套筒一并小心取下,注意不要使滚珠散落。
匀速运行,非精确计算可以套用以下公式:Ta=(Fa*I)/(2*3.14*n1) 式中 Ta:驱动扭矩kgf.mm; Fa:轴向负载N(Fa=F+μmg,F:丝杠的轴向切削力N,μ:导向件的综合摩擦系数,m:移动物体重量(工作台+工件)kg,g:9.8 ); I:丝杠导程mm; n1:进给丝杠的正效率。 计算举例: 假设工况:水平使用,伺服电机直接驱动,2005滚珠丝杠传动,25滚珠直线导轨承重和导向,理想安装,垂直均匀负载1000kg,求电机功率: Fa=F+μmg,设切削力不考虑,设综合摩擦系数μ=0.01,得 Fa=0.01*1000*9.8=98N; Ta=(Fa*I)/(2*3.14*n1),设n1=0.94,得Ta=98*5/5.9032≈83kgf.mm=0.83N.M 根据这个得数,可以选择电机功率。以台湾产某品牌伺服为例,查样本得知,额定扭矩大于0.83N.M的伺服电机是400W。(200W是0.64N.M,小了。400W 额定1.27N.M,是所需理论扭矩的1.5倍,满足要求) 当然咯,端部安装部分和滚珠丝杠螺母预压以及润滑不良会对系统产生静态扭矩,也称初始扭矩,实际选择是需要考虑的。另外,导向件的摩擦系数不能单计理论值,比如采用滚珠导轨,多套装配后的总摩擦系数一定大于样本参数。而且,该结果仅考虑驱动这个静止的负载,如果是机床工作台等设备,还要考虑各向切削力的影响。 若考虑加速情况,较为详细的计算可以参考以下公式(个人整理修正的,希望业内朋友指点): 水平使用滚珠丝杠驱动扭矩及电机功率计算: T1:等速驱动扭矩kgf.mm;:轴向负载N【Fa=F+μmg,F:丝杠的轴向切削力N,μ:导向件综合摩擦系数,m:移动物体重量(工作台+工件)kg,g:9.8 】;:丝杠导程mm;:进给丝杠的正效率。 J:【J=Jm+Jg1+(N1/N2)】 若采用普通感应电机,功率根据以下公式计算:
■滚珠丝杆的公称代码 标准精密组合品 SFT(1) R(2) 025(3) 05(4) B2(5) D(6) G(7) C5(8) 1000-(9) PO(10) (1)螺帽型号: S F T T:T型螺帽I:I型螺帽 S:单螺帽F:有法兰D:D型螺帽 D:双螺帽C:无法兰E:E型螺帽 K:K型螺帽 U:DIN规格螺帽 (SFI、DFI、SFT、DFT、SFE、SFK) (2)螺纹方向:R:右 L:左 (3)螺杆轴外径(mm) (4)导程(mm) (5)珠卷数(卷数3列数):卷数(Turn):T:1 A:1.5(or 1.7) B:2.5 C:3.5 例(EX):(B2=2.532) (6)法兰型式:N:无切边 S:单切边 D:双切边 (7)制程代号:G:研磨 F:转造 (8)导程精度等级:C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10 (9)螺杆轴全长(mm) (10)轴方向间隙预压等级:P0、P1、P2、P3、P4 ■滚珠丝杆精密级技术解说 滚珠螺杆的特长 (1)高信赖性 滚珠螺杆是以多年来所累积的制品技术为基础,从材料、热处理、制造、检查至出货,都是以严谨的品保制度来加以管理,因此具有高依赖性。 正 效 率 (%) 导程角(度) 正效率(回转→直线) 入出力关系之公式(μ:摩擦系数)
T=入力扭矩Kgf2cm P=出力推力 Kgf l=导程 cm η1=正效率 (2)圆滑的动作性 滚珠螺杆如图1.1所示,具有比滑动螺杆更高的效率,所需扭矩只有30%以下.可轻易将直线运动变换为回转运动.滚珠螺杆即使给与预压,亦能维持圆滑的动作特性. 逆 效 率 (%) 导程角(度) 逆效率(直线→回转) 入出力关系之公式(μ:摩擦系数) T=入力扭矩Kgf2cm P=出力推力 Kgf l=导程 cm η2=逆效率 (3)无背隙与高刚性 滚珠螺杆如图1.2所示, 采德式沟槽形状、轴方向间隙调整至极小亦能轻易转动。又於1个或2个落毛间做预压调整,予消除轴方向间隙,使其具有可符合使用条件的适当刚性。 图 1.2 哥德式沟槽 (4)循环方式 图1.3为外循环的循环方式。(T型、E型) 图1.4为外循环的循环方式。(I型、K型)
滚珠丝杠基础知识(上)滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动,这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展,这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件,其主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反覆作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。滚珠丝杠的特点: 1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的。在省电方面很有帮助。 2、高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的,特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4、无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 5、高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。 1滚珠丝杠公称直径与公称导程组合、制造范围3滚珠丝杠副的结构类型、编号方法5滚珠丝杠副的精度5.1精密等级根据使用范围及要求将滚珠丝杠副分为定位滚珠丝杠幅(P)传动滚珠丝杠副(T),精度分为七个等级,即 1、2、 3、4、
滚珠丝杠选型 滚珠丝杠选型 在滚珠丝杠的选型计算时:需要对其承载力进行计算,承载力的计算包括强度计算、刚 度校核、稳定性校核及临界转速校核。机构的运行的最大速度为:,选择滚珠丝杠的导程为:5mm; 100mm/s,6m/min滚珠丝杠导程的选取方法: (1)设传动比为,丝杠的导程为(mm),执行部件的最高速度为:, uPV,6m/minhmax V1000maxn则丝杠的最高转速为:(r/min); ,nmaxmaxPh设伺服电机的最高转速为:;额定转速为:(经验值),n,3000(r/min)n,2000(r/min)dmax nmaxu,则传动比为:; ndmax 1000V1000,6max所以丝杠的最高转速n,,,1200(r/min); maxP5h n1200maxu传动比为:,,,0.4; n3000dmax (1)强度计算 3FffmLmH,,滚珠丝杠的当量动载荷: CN,mfa 60nT式中:L—寿命,单位:百万转,; L,610 1000,vsn,其中: (r/min); t v:最大切削条件下的进给速度(m/min);; v,6m/nmiss :丝杠螺距 (mm); t :寿命时间,取10000-15000小时; ; TT,15000(h) :轴向平均载荷(N)或者最大工作载荷; Fm (这是根据该机构的承载力的估算值); F,320Nm f--精度系数,1、2、3级丝杠f,1;4、5、6级丝杠f,1; aaa
(等级越小,对精度的要求越高); ff--运转系数,=1.0-1.5,一般取1.2; ww f——硬度系数。(设滚珠丝杠最硬的时候的值,); HRC,60f,1HH f,1(1,2,3的滚珠丝杠); a f,1.2 ;(这里根据实际情况选取滚珠丝杠的精度为:2级); w ; tmm,5 100010006,,vsnr,,,1200(/min); t5 6060120015000nT,,; L,,,1080(百万转)661010 带入动载荷计算公式: 33Fff32010801.21,,,mLwH ; CN,,=3939.8mf1a 从滚珠丝杠系列表中找出额定动载荷大于当量动载荷,并与其相近值,同时考虑刚度CCam要求,初选滚珠丝杠副的型号和有关参数。 滚珠丝杠有两种类型:(1)外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型滚珠丝杠(CDM 型); (2)外循环插管式导珠管凸出型滚珠丝杠副(HJG型); 初选滚珠丝杠的型号为: (1)滚珠丝杠副型号:CDM2005-2.5;;外径:D=56mm;公称直径:; d,20mmC,8451Na (2)滚珠丝杠副型号:HJG2005-2.5;;外径:D=56mm;公称直径:; d,20mmC,8630Na (2)刚度验算 滚珠丝杠在轴向载荷的作用下将伸长或缩短,从《材料力学》中得知,滚珠丝杠在轴 向载荷的作用下引起单个螺距t的变化量: Ftm,,()mm tEA 式中:—丝杠螺距(mm);; t,5mmt F —轴向载荷(N);; F,320Nmm
滚珠丝杠的选型计算 摘要: 随着机床及自动化行业的高速发展,滚珠丝杠的使用变得越来越广泛。许多机械工程师在对自己的设备所需要的滚珠丝杠选型时,面对丝杠资料上给的复杂的计算公式和繁杂选型步骤,感觉无从下手,不知道那些是需要重点考虑的关键点。为了使滚珠丝杠的选型步骤更为清晰简便,更既具备可操作性,我结合多年来丝杠的选型经验,对丝杠的选型做了一些归纳、简化,让丝杠的选型选型更为简单明了。顺便对应的伺服电机的选型也做说明。 关键词:滚珠丝杠、计算选型、伺服电机、机床、自动化。 一、确认使用条件: 1、被移动负载的质量:M (KG) 2、丝杠的安装方向:水平、垂直、倾斜; 3、沉重导轨的形式:线轨、平面导轨、 4、丝杠的行程:L (mm) 5、负载移动的速度:v (m/s) 6、负载需要的加速度:a (m/s^2) 7、丝杠的精度:C3到C7级 8、丝杠使用的环境:特殊环境需求的考虑。 二、简化计算选型: 举例,使用条件如下: 1、被移动负载重量:M=50kg; 2、安装方向:垂直安装; 3、导轨形式:线性滑轨 4、速度:v=s 5、加速时间:t= 6、行程:1000mm; 7、精度: 三、计算过程: 1、计算加速度:a=v/t==2m/s^2 (v:速度;t:加速时间) 2、计算丝杠的最大轴向力:F=Mgμ+Ma +Mg (水平运动,去除Mg选型,M负载重
量;g重力加速度;μ:摩擦系数,平面导轨取值,线轨取值:;a加速度) F=50**+50*2+50*= 3、计算出丝杠的轴向负载以后,选型会出现两个分支,一种情况是客户不知道设备的设 计寿命年限,以及每一年中丝杠的使用平率,不做精确的丝杠寿命校核。那么我们推荐一种简单可行的方法,就是查询丝杠资料中的动负荷值C。结合第7项精度的要求,我们推荐常备FSI螺帽形式的丝杠,尺寸参数表如下: 根据丝杠的轴向推力:F==;我们推荐将F乘以4~8之间的一个系数,对于使用平率低,可靠度要求不高的情况,我们推荐4倍系数,对于可靠度要求较高,我们推荐8倍的系数。 根据举例:F*8=*8=;查询丝杠的表格,16-5T3的丝杠,其动负荷是1000kgf; 大于,所以16-5T3的丝杠可以满足要求;该型号表示,丝杠的公称直径为16mm;丝杠导程为5mm; 4、对于丝杠寿命有明确要求的选型,举例如下: 根据此前的举例,丝杠用20s做一次往返运动,停留10s在进行下一个循环。每天工作16小时,每年工作300天,设计寿命10年。则计算丝杠的转数寿命为: L=1000/5*2*2*60*16*300*10 (1000是行程,5是导程,2是往返,2是每分钟2次,
滚珠丝杠螺母副结构图及其工作原理本次观察了实训车间的数控车床、数控铣床、加工中心,作为它们进给伺服 系统机械传动结构中的滚珠丝杠螺母副的结构都是一样的。 滚珠丝杠螺母副的结构原理图 ·组成:主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道(回珠器)、螺母座等组成。 ·工作原理:在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽,当它们套装在一起时便形成螺旋滚道,并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动,并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用,以防滚珠沿滚道掉出。 特点: ·传动效率高:机械效率可高达92%~98%。 ·摩擦力小:主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 ·轴向间隙可消除:也是由于滚珠的作用,提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 ·使用寿命长、制造成本高:主要采用优质合金材料,表面经热处理后获得高的硬度。 滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式有两种:滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的成为外循环(如图b),始终与丝杠保持接触的成为内循环(如图a)。 (a) 内循环(b)外循环 (1)外循环外循环是常用的一种外循环方式。这种结构是在螺母体上轴向相隔数个半导程处钻两个孔与螺旋槽相切,作为滚珠的进口与出口。再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔。另外,在螺母内进出口处各装一挡珠器,并在螺母外表面装一套筒,这样构成封闭的循环滚道。外循环结构制造工艺简单,使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑,影响滚珠滚动的平稳性,甚至发生卡珠现象,噪声也较大。 (2)内循环内循环均采用反向器实现滚珠循环,数控机床反向器有两种型式。圆柱凸键反向器,反向器的圆柱部分嵌入螺母内,端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键定位,以保证对准螺纹滚道方问。扁圆镶块反向器,反向器为一半圆头平键形镶块,镶块嵌入螺母的切槽中,其端部开有反向槽。两种反向器比较,后者尺寸较小,从而减小了螺母的栏手向尺寸及缩短了轴向尺寸。
深圳tbi滚珠丝杠选型计算举例 选取的滚珠丝杠转动系统为: 磨制丝杠(右旋) 轴承到螺母间距离(临界长度) l = 1200mm n = 1200mm 固定端轴承到螺母间距离 L k 设计后丝杠总长 = 1600mm 最大行程 = 1200mm = 14(m/min) 工作台最高移动速度 V man = 24000工作小时。 寿命定为 L h μ= 0.1 (摩擦系数) = 1800 (r/min) 电机最高转速 n max 定位精度: 最大行程内行程误差 = 0.035mm 300mm行程内行程误差 = 0.02mm 失位量 = 0.045mm 支承方式为(固定—支承) W = 1241kg+800kg (工作台重量+工件重量) g=9.8m/sec2(重力加速度) I=1 (电机至丝杠的传动比) Fw=μ×W ×g = 0.1×2041×9.8 ≈ 2000 N(摩擦阻力)
F a --- 轴向载荷(N) F --- 切削阻力(N) F w --- 摩擦阻力(N) 从已知条件得丝杠编号: 此设计丝杠副对刚度及失位都有所要求,所以螺母选形为:FDG(法兰式双螺磨制丝杠) 从定位精度得出精度精度不得小于P5级丝杠 FDG_-_X_R-_-P5-1600X____ 计算选定编号 导程 = 14000/18000≈7.7mm 平均转速 平均载荷
时间寿命与回转寿命 =24000×266×60 =383040000转次 额定动载荷 以普通运动时确定fw 取 1.4 得:额定动载荷 C a ≥39673N 以C a 值从FDG 系列表及(丝杠直径和导程、丝杠长度表) 中查出适合的类型为: 公称直径: d 0=40mm 丝杠底径: d 0=33.9mm 导程:P ho =10mm 循环圈数:4.5 额定动载荷为:48244N 。 丝杠编号: FDG 40 × 10R - P5 - 4.5 - 1600 × ____ 预紧载荷 F ao = F max /3=11000/3 ≈ 3666 N 丝杠螺纹长度 L u =L 1-2L e L 1=L u +2L e =1200+2×40=1280mm 丝杠螺纹长度不得小于1280mm 加上螺母总长一半84mm(从系列表中查出螺母总长168mm)。 得丝杠螺纹长度 ≥ 1364m。
4594412541049134410841525123211811512 1496 199515692006-3 3.969526 1788162111782010-3 3.9696810192513302505-3 3.175 47 5 193625983206-4 3.9695877.5 6421732035006-4 3.9696213.513.513.5 15667845933123136700 1623089571794575472126810168 23611 377558774834783521424342287753185399 100741704258122502772288136951924 340320461144
11441049199515122581170436952881340319247835 48344342214210074539912313593316230670017945895721268754723611 10168
4645 8751056 10131056 9441254 10491144 13441525 10841232 15121995 11782046 17042581 28813695 19243403 25984217 48347835 21424342 539910074 593312313 670016230 895717945 754721268 1016823611 17.5 23130 17.5 23 92 13017.5
10491144 15121995 17042581 28813695 19243403 48347835 21424342 539910074 593312313 670016230 895717945 754721268 1016823611 23 23 17.5 17.5
滚珠丝杠副现状及发展 学院机械学院 专业班级机设1094 姓名罗成李源刘飞华王庆维钟鸿翔 指导教师邓奕 2013/3/13
摘要 近年来,随着加工制造、工艺、材料冶炼及热处理等技术的进步和发展,作为精密线性传动的首选部件之一的滚珠丝杠副越来越受国内、国际制造业的重视,其综合性能也有了很大的提高,因此本文在此基础上对滚珠丝杠副进行简单的探讨和研究。 本文对其可以概括为以下的三个方面: 一方面,滚珠丝杠副是目前世界上应用最广泛的一种新型的传动形式,其结构是有哪些部件组成,结构特点是什么,工作原理以及具有什么发展优势;第二方面,回顾滚珠丝杠副的发展简史,概述了其国内、外的发展现状及动态总结了一些滚珠丝杠副的国内外研究成果;最后一方面,概述对滚珠丝杠副的优化前景和应用发展。 [关键词]滚珠丝杠副结构特点现状发展应用前景
前言:机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势,有广阔的技术前景。滚珠丝杆副是为了适应机电一体化机械传动系统的要求而发展起来的一种新型传动机构,由滚珠丝杠、滚珠螺母(组件)和滚珠组成,可以将旋转运动变为直线运动,或者将直线运动转变成旋转运动。它具有传动效率高、启动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点。但是由于制造和装配的误差,滚珠丝杠副总是存在间隙,同时,滚珠丝杠在轴向载荷的作用下,滚珠和螺纹滚道接触部位会产生弹性变形,影响滚珠丝杠的传动精度。 滚珠丝杠副不仅是各类数控装备的核心功能部件,还是机械工业领域中资本密集型和技术密集型的重要通用零部件。在线性传动家族中滚珠丝杠副是应用面很广,产业化程度较高的产品。 一、滚珠丝杠副的结构及特点 (一)、滚珠丝杠副的结构 随着机床加工精度越来越高,滚珠丝杠副以其许多独特的优点,越来越多出现在有较高精度的机床上。滚珠丝杠螺母机构如图2-1所示,丝杠1和螺母2都具有圆弧形螺旋槽,合起来形成螺旋线滚道,连续装入若干(一般小于150个)等直径的滚珠3.当丝杠与螺母传动时,滚珠便沿螺旋槽滚动,数圈后经由回程引导装置,重新回到丝杠与螺母之间,形成一个闭合的循环回路[6]。一般滚珠丝杠副根据螺母的数量可以分为单螺母滚珠丝杠结构和双螺母滚珠丝杠结构如图2-2。
滚珠丝杠基础知识 1 滚珠丝杠公称直径与公称导程组合、制造范围 [img]https://www.wendangku.net/doc/0c6060282.html,/hydt/pic/4.18a1.jpg[/img] 3 滚珠丝杠副的结构类型、编号方法 [img]https://www.wendangku.net/doc/0c6060282.html,/hydt/pic/4.18b1.jpg[/img] 5 滚珠丝杠副的精度 5.1 精密等级 根据使用范围及要求将滚珠丝杠副分为定位滚珠丝杠幅(P)传动滚珠丝杠副(T),精度分为七个等级,即1、2、3、4、5、6、7、10级,1级精度最高,依次降低。 [img]https://www.wendangku.net/doc/0c6060282.html,/hydt/pic/4.18c1.jpg[/img] 5.2行程偏差和行程变动量 根据滚珠丝杠副类型按下表检验 [img]https://www.wendangku.net/doc/0c6060282.html,/hydt/pic/4.18d1.jpg[/img] 5.2.1 有效行程内的行程偏差ep与行程变动量VUP: 有效行程是有精度要求的行程长度LU
Lu=Lx+2La+LnLa安全行程La=(1-2)ph Lx机械最大行程Ln螺母的长度ph 公称导程 E1-E2按国家标准GB/T17857.3-1998,―滚珠丝杠副的验收条件和验收检验‖。见附表1。 5.2.2 300mm行程内与2π弧度行程内行程变动量V300P与V2 π p E3-E4按国家标准GB/T17857.3-1998,―滚珠丝杠副的验收条件和验收检验‖。见附表1续。 5.2.3 余程Le 余程是没有精度要求的行程长度。 余程表6 [img]https://www.wendangku.net/doc/0c6060282.html,/hydt/pic/4.18e1.jpg[/img] 6 行程补偿值C 6.1 滚珠丝杠的热变形将导致长度、定位精度变化,热变形可由下式给出: δt=α*△t*Lu (公式1) α-热膨胀系数(12.0*10-6) △t -温升(一般取2-4℃)
滚珠丝杆螺母副工作原理 滚珠丝杆螺母副是数控机床中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杆螺母副中的滑动,摩擦力小,具有良好的性能。 1.组成及工作原理: ·组成:主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道(回珠器)、螺母座等组成。 ·工作原理:在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽,当它们套装在一起时便形成螺旋滚道,并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动,并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用,以防滚珠沿滚道掉出。 2.特点: ·传动效率高:机械效率可高达92%~98%。 ·摩擦力小:主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 ·轴向间隙可消除:也是由于滚珠的作用,提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 ·使用寿命长、制造成本高:主要采用优质合金材料,表面经热处理后获得高的硬度。 3.滚珠丝杆螺母副的消隙 ·双螺母垫片调隙:
滚珠丝杆螺母副采用双螺母结构(类似于齿轮副中的双薄片齿轮结构)。通过改变垫片的厚度使螺母产生轴向位移,从而使两个螺母分别与丝杆的两侧面贴合。当工作台反向时,由于消除了侧隙,工作台会跟随CNC的运动指令反向而不会出现滞后。 ·双螺母螺纹调隙:
图示为利用两个锁紧螺母调整预紧力的结构。两个工作螺母以平键与外套相联,其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。当两个锁紧螺母转动时,正是由于平键限制了工作螺母的转动,才使得带外螺纹的工作螺母能相对于锁紧螺母轴向移动。间隙调整好后,对拧两锁紧螺母即可。结构紧凑,工作可靠,应用较广。 ·双螺母齿差调隙: 在两个工作螺母的凸缘上分别切出齿数为Z 1、Z 2的齿轮,且Z 1、Z 2相差一个齿,即: 112=?Z Z 两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合,内齿圈紧固在螺母座上。 设其中的一个螺母Z 1转过一个齿时,丝杆的轴向移动量为为S 1,则有: 11:1:S T Z = 则11Z T S = 如果两个齿轮同方向各转过一个齿,则丝杆的轴向位移为: 212121Z Z T Z T Z T S S S =?=?=Δ 例:当Z 1=99,Z 2=100时,m S μ1≈Δ。可以达到很高的调整精度。 4.滚珠丝杆螺母副的安装 滚珠丝杆螺母副所承受的主要是轴向载荷。它的径向载荷主要是卧式丝杆的自重。安装时,要保证螺母座的孔与工作螺母之间的良好配合,并保证孔与端面的垂直度等。这时主要是根据载荷的大小和方向选择轴承。另外安装和配置的形式还与丝杆的长短有关,当丝杆较长时,采用两支撑结构;当丝杆较短时,采用单支撑结构。
理论上应该先选丝杠再选电机的,既然电机已经选完了,那就大致按以下步骤选丝杠吧: 1---以负载确定直径。电机性能参数中有输出扭矩,如果还带减速器也要算进去(考虑效率),计算一下实际工况中需要多大推力,滚珠丝杠样本(跟厂家要)有负载参数(即推力参数,一般标示为动负荷和静负荷,看前者即可),选择滚珠丝杠的公称直径。 2---以直线速度和旋转速度确定滚珠丝杠导程。电机确定了就知道输出转速,考虑一下你需要的最大直线速度,把电机转速(如果带减速器再除以减速比)乘以丝杠导程的值就是直线速度,该值大于需要值即可。 3---以实际需要确定确定滚珠丝杠长度(总长=工作行程+螺母长度+安全余量+安装长度+连接长度+余量。如果增加了防护,比如护套,需要把护套的伸缩比值(一般是1:8,即护套的最大伸长量除以8)考虑进去。 4---以实际需要确定滚珠丝杠精度。一般机械选C7以下即可,数控机床类选C5的比较多(对应国内标准一般是P5~P4和P4~P3级,具体参看样本)。 5---以安装条件和尺寸结构等确定滚珠丝杠螺母形式(螺母有很多结构,不同的螺母结构尺寸略有不同,视情况选择,建议不要选太特殊的,万一出点毛病维修换件无门)。 6---询问所选产品厂家的价格、付款条件和交货时间。这一点设计人员不要以为就是采购的事,事实上很多厂家(进口国产一个样)的产品样本上有的型号它根本就不生产或者不接小额订单,印上去大概是为了显示我是大厂,无所不能造。别等你选完了出完图了其他件按这个型号开始做配件了去购买的时候人家告诉你这个型号交货期需要3、4个月就完蛋了。 7---选择确定安装方式(端部)。这个安装件可以自己设计,也可以买现成的,有标准安装座可选。自己设计注意受力状态,轴承最好选择7000或3000系列的,因为丝杠工作时主要受轴向力,径向受力要尽力避免。 8---考虑导向件和安装能力。推荐和滚珠丝杠配套的导向件选择滚珠直线导轨,当然直线轴和直线轴承的搭配是相对经济的选择。 9---根据以上已确定条件绘出滚珠丝杠图纸(主要是端部安装尺寸,这个要详细,要提供形位尺寸和公差)。 DN值:D:滚珠丝杠副的公称直径,也为滚珠中心处的直径(mm); N:滚珠丝杠副的极限转速(rpm) DN值得限制不是直径越小则转速越高,因为首先确定的进给速度,当通过进给速度计算的丝杠转速太高可通过增加导程以降低转速,来满足DN值要求, 滚珠丝杠规格型号选型 1、确定定位精度 2、通过马达及对速度的要求来确定丝杠导程 3、查看螺母尺寸确定行程及相关丝杠轴端数据 4、通过负载及速度分布(加减速)来确定平均轴向力和转速 5、通过平均轴向力确定预压力 6、预期寿命,轴向负荷,转速确定动额定负荷 7、基本动额定负荷,导程,临界转速,DmN值限制确定丝杠外径及螺母形式 8、外径,螺母,预压,负荷确定刚性(机台设计) 9、环境温度,螺母总长确定热变及累积导程 10、丝杠刚性,热变位确定预拉力 11、机床最高速度,温升时间,丝杠规格确定马达驱动扭矩及规格
滚珠丝杠传动 滚珠丝杠是机电一体化的系统中一种新型的螺旋传动机构,在其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动原件——滚珠,滚珠丝杠机构虽然结构复杂,制造成本高,不能自锁,但其摩擦阻力矩小、传动效率高(92%-98%),精度高,系统刚度好,运动具有可逆性,使用寿命长,因此在机电一体化系统中得到大量广泛的应用。滚珠丝杠的特点如下: (1)、传动效率高 滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%-98%,为传统的滑动丝杠系统的2~4倍,耗费的能量仅为滑动丝杠的3 1。 (2)、传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠本身具有很高的制造精度,又由于是滚动摩擦,摩擦力小,所以滚珠丝杠传动系统在运动中温升较小,并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长,因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。 (3)、可微量进给 滚珠丝杠传动系统是高副运动机构,在工作中摩擦力小,灵敏度高,启动平稳,低俗石无爬行现象,因此可以精密地控制微量进给。 (4)、同步性好 由于运动平稳、反应灵敏、无阻碍、无滑移,用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动系统同时转动几个相同的部件或装,可以获得很好的同步效果。 (5)、高可靠性 与其它传送机械相比,滚珠丝杠传动只需要一般的润滑与防空,有的特殊场合甚至都无需润滑便可工作,系统的故障率也很低,其一般的使用寿命要比滑动丝杠高5~6倍。 1、滚珠丝杠的结构及滚珠循环方式 滚珠丝杠传动机构的工作原理如图1-1-1所示,丝杠4和螺母1的螺纹滚道内置有滚珠2,刚丝杠转动时,带动滚珠沿螺纹滚道滚动,从而产生滚动摩擦。为了防止滚珠从螺纹滚道端面掉出,在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引
滚珠丝杠及电机选型 1.滚珠丝杠及电机选型计算 1.1 确定滚珠丝杠副的导程 据电机额定转速和X 向滑板最大速度,计算丝杠导程。X 向运动驱动电机选择松下MDMA152P1V ,电机最高转速为4500rpm 。电机与滚珠丝杆直连,传动比为1。X 向最大运动速度25mm/s ,即1500mm/min 。则丝杠导程为 mm n i V P h 34.045001/1500/max max ≈?=?= 实际取mm P h 10=,可满足速度要求。 1.2 滚珠丝杠副的载荷及转速计算 滚动导轨承重时的滑动摩擦系数最大为0.004,静摩擦系数与摩擦系数差别不大,此处计算取静摩擦系数为0.006。则导轨静摩擦力: N f g M F 2.108548.91500006.000=?+??=+??=μ 式中: M ——工件及工作台质量,经计算M 约为1500kg 。 f ——导轨滑块密封阻力,按4个滑块,每个滑块密封阻力5N 。 由于该设备主要用于检测,丝杠工作时不受切削力,检测运动接近匀速,其阻力主要来自于导轨、滑块的摩擦力。则有: 15010/2560/60min max =?=?=≈h P v n n rpm N F F F 2.1080min max =≈≈ 滚珠丝杠副的当量载荷: 3 2min max F F F m +=≈0F =108.2N 滚珠丝杠副当量转速: 1502 min max =+=n n n m rpm 1.3 滚珠丝杠副预期额定动载荷 1.3.1按滚珠丝杠副预期工作时间计算: N f f f F L n C c a w m h m am 06.5551 110012.10815000150601006033=??????=? = 式中: m n ——当量转速,15010/2560/60=?=?=h m P v n rpm h L ——预期工作时间,测试机床选择15000小时
滚珠丝杠的选型 一.已知条件:UPH、工作台质量m1、行程长度ls、最高速度Vmax、加减速时间t1和t3、 定位精度+-0.3mm/1000mm、往复运动周期、游隙0.15mm 二.选择项目:丝杠直径、导程、螺母型号、精度、轴向间隙、丝杠支撑方式、马达 三.计算: 1.精度和类型。(游隙、轴向间隙)0.15mm,选择游隙在0.15以下的丝杠,查表选择直径32mm以下的丝杠。32mm游隙为0.14mm。 为了满足+-0.3mm/1000mm则,+-0.3mm/1000=x/300 则x=+-0.09mm. 必須選擇± 0.090mm / 300mm 以上的導程精度。参照丝杠精度等级,选择C7级丝杠。 丝杠类型:根据机构确定丝杠类型是:轧制或研磨、定位或传动 2.导程。(以直线速度和旋转速度确定滚珠丝杠导程)导程和马达的最高转速Ph>=60*1000*v/(N/A) 1.Ph: 丝杆导程mm 2.V:预定的最高进给速度m/s 3.N:马达使用转速rpm 4.A:减速比 3.直径。(负载确定直径)动载荷、静载荷;计算推力,一般只看动载荷 轴向负荷的计算:u摩擦系数;a=Vmax/t 加速度;t加减速时间; 水平时:加速时承受最大轴向载荷,减速时承受最小载荷;垂直时:上升时承受最大轴向载荷,下降时承受最小载荷; 1.加速时(上升)N:Fmax=u*m*g+f-m*a 2.减速时(下降)N:Fmin=u*m*g+f-m*a 3.匀速时 N:F匀 =u*m*g+fu 因螺桿軸直徑越細,螺桿軸的容許軸向負荷越小 4.长度。(总长=工作行程+螺母长度+安全余量+安装长度+连接长度+余量)。如果增加了防护,比如护套,需要把护套的伸缩比值(一般是1:8,即护套的最大伸长量除以8)考虑进去。 5.支撑方式。固定-固定固定-支撑支撑-支撑固定-自由 6.螺母的选择: 7.许用转速计算:螺桿軸直徑20mm 、導程Ph=20mm 最高速度Vmax = 1m/s 则:最高轉速 Nmax=Vmax * 60 * /Ph 许用转速(临界转速) N1=r * (d1/)*
滚珠丝杠副参数计算与选用1、计算步骤
2、确定滚珠丝杠导程Ph 根据工作台最高移动速度Vmax , 电机最高转速nmax, 传动比等确定Ph。按下式计算,取较大圆整值。
Ph=(电机与滚珠丝杠副直联时,i=1) 3、滚珠丝杠副载荷及转速计算 这里的载荷及转速,是指滚珠丝杠的当量载荷Fm与当量转速nm。滚珠丝杠副在n1、n2、n3······nn转速下,各转速工作时间占总时间的百分比t1%、t2%、t3%······tn%,所受载荷分别是F1、F2、F3······Fn。 当负荷与转速接近正比变化时,各种转速使用机会均等,可按下列公式计算: (nmax: 最大转速,nmin: 最小转速,Fmax: 最大载荷(切削时),Fmin: 最小载荷(空载时) 4、确定预期额定动载荷 ①按滚珠丝杠副预期工作时间Ln(小时)计算: ②按滚珠丝杠副预期运行距离Ls(千米)计算: ③有预加负荷的滚珠丝杠副还需按最大轴向负荷Fmax计算:Cam=feFmax(N) 式中: Ln-预期工作时间(小时,见表5) Ls-预期运行距离(km),一般取250km。 fa-精度系数。根据初定的精度等级(见表6)选。 fc-可靠性系数。一般情况fc=1。在重要场合,要求一组同样的滚珠丝杠副在同样条件下使用寿命超过希望寿命的90%以上时fc见表7选
fw-负荷系数。根据负荷性质(见表8)选。 fe-预加负荷系数。(见表9) 表-5 各类机械预期工作时间Ln 表-6 精度系数fa 机械类型 Ln(小时) 普通机械 5000~10000 普通机床 10000~20000 数控机床 20000 精密机床 20000 测示机械 15000 航空机械 1000 精度等 级 1.2.3 4.5 7 10 fa 1.0 0.9 0.8 0.7 表-7 可靠性系数fc 可靠性% 90 95 96 97 98 99 fc 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 表-8 负荷性质系数fw 负荷性质 无冲击(很平 稳) 轻微冲击 伴有冲击或振动 fw 1~1.2 1.2~1.5 1.5~2 表-9 预加负荷系数fe 预加负荷类型 轻预载 中预载 重预载 fe 6.7 4.5 3.4 以上三种计算结果中,取较大值为滚珠丝杠副的Camm 。 5、按精度要求确定允许的滚珠丝杠最小螺纹底d2m a.滚珠丝杠副安装方式为一端固定,一端自由或游动时(见图-5) 式中:E-杨氏弹性模量21×105N/mm2 dm-估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量(mm )
滚珠丝杠 1.滚珠丝杠计算 1. 确定滚珠丝杠副的导程 根据电机最高转速为3000min -1。电机与滚珠丝杆直连, X 向最大运动速度V max 1000mm/s ,即60×1000=6000mm/min 。则丝杠导程为 mm n i V P h 2030001/6000/max max =?=?= 即mm P h 20=,可满足速度要求。 2.螺帽的选择 (1)所需基本动额定负载与容许转速(DmN 值) 各动作模式下轴向负载的计算
3.丝杠轴的选择 丝杠轴全长(L)与危险速度(Nc)、屈曲载荷(Pk)的研讨
1.8 电机选择 条件:选择伺服电机驱动,伺服电机选取松下NAS A4系列MDMA152P1V 型大惯量电机,其功率:1.5KW, 额定转矩:7.15 N.m, 电机惯量JM :0.00123 Kg.m 2 X 向运动工件及工作台质量估计最大值约1500Kg 。 1.8.1 外部负荷的转动惯量: 丝杆部分的转动惯量: 22210151996565.0031.0633.312 121m kg r m J ?=??=?= 外部负荷的负荷转动惯量: 2221 090.01899920201.015000151996565.0)2(m kg P m J J h L ?=?? ? ???+=?+=ππ 则有:
45.1500123 .0 090.01899920==M L J J 加在电机上的转动惯量: 2 090.0202292000123.0 090.01899920m kg J J J M L ?=+=+= 1.8.2 外部负荷产生的摩擦扭矩: m N P F T h p ?=???=???= -- 940.19133960109 .02102.10810233πηπ 式中: h P ——滚珠丝杆副的导程 η——未预紧的滚珠丝杆副的效率(2级精度η=0.9) F ——外加轴向载荷,含导轨摩擦力,其中含切削力为0 1.8.3 预紧力产生的摩擦扭矩: m N P F T h p D ?=?-??=?-??=-- 360.01346588109 .09.0121007.361012322 322πηηπ 式中: p F ——滚珠丝杆副间的预紧力,N F F p 07.363/2.1083/max === 1.8.4 支承轴承产生的摩擦扭矩: 选择HRC 轴承,型号:7603050TN ,查轴承样本可得摩擦力矩:1b T =0.23N.m 。 1.8.5 加速度产生的负荷扭矩: 根据设计要求可知:X 向工作台运动速度为v=25mm/s ,对应电机转速2n =150rpm ,最大加速度为a=40mm/s 2,则工作台速度从0升至25mm/s 所需时间: 25.140 2522=?==a v t s 当电机转速从1n =0升至2n =150rpm 时,其负荷扭矩 m N t n n J T j . 560.2542076325 .160)0150(2 090.020*******)(212=?-??=?-?=ππ 1.8.6 电机总扭矩: m N m N T T T T T b j D p m .15.7. 850.68901312<=+++= 所选择电机额定扭矩为7.15N.m ,大于计算电机总扭矩3倍以上。所选择电机扭矩符合要求。
目录 一成绩评定表………………………………………………………………………二课程设计任务书………………………………………………………………三前言……………………………………………………………………………………四滚珠丝杠螺母副的设计……………………………………………………五轴承选择……………………………………………………………………………六电机选择……………………………………………………………………………七设计总结……………………………………………………………………………八参考文献……………………………………………………………………………
成绩评定表 学生姓名李洋班级学号1001012116 专业机械设计制 造及其自动 化课程设计题目数控车床伺服进给系统 结构与控制设计(8) 评 语 组长签字: 成绩 日期201 年月日
课程设计任务书 学院机械学院专业机械设计制造及其自动化学生姓名李洋班级学号1001012116 课程设计题目数控车床伺服进给系统结构与控制设计(8) 实践教学要求与任务: 1、设计内容 (1)运动设计:确定最佳传动比,计算选择滚珠丝杠螺母副、伺服电动机、导轨及丝杠的支承; (2)结构设计:完成进给系统装配图设计(0#图1张); (3)验算:完成系统刚度计算,验算定位误差等; (4)设计单片机控制交流电机变频调速的原理图(多速开关); (5)按照加速-匀速1-减速-匀速2-减速停的速度曲线,设计单片机控制程序; (6)撰写设计计算说明书。 2、主要技术参数: X轴:进给行程 400 mm;进给速度 1-6000mm/min,快移速度 10m/min,;最大进给力:5500 N;定位精度:0.012mm/300mm, 定位精度:0.006mm,横向滑板上刀架重量: 80 Kg。 工作计划与进度安排:(共2周) (1)集中讲授设计内容、步骤及要求,下发设计题目及任务书,理解题目要求,查阅资料,确定结构设计方案(第16周的周一~周二) (2)指导学生进行设计计算及确定设计方案、装配图结构设计(第16周的周三~周五) (3)结构部分说明书撰写及答辩验收(第16周的周六~第17周的周一上午)(4)控制方案确定及原理图设计、控制程序设计(第17周的周一下午~周四)(5)控制部分说明书撰写及答辩验收(第17周的周四~周五) 指导教师: 201 年月日专业负责人: 201 年月日 学院教学副院长: 201 年月日
一、如图1所示滚珠丝杠的传动系统中,采用右旋丝杠,支承方式为双推-简支式,根据对刚度和失动量的要求,选用法兰式双螺母丝杠(FDG ),丝杠有效行程=800mm ,工作台最高移动速度V max =14(m/min ),寿命定为L h =24000工作小时,摩擦系数μ=0.1,电机最高转速n max =1800 (r/min ),最大行程内行程误差小于0.02mm ,300mm 行程内行程误差小于0.02mm ,工作台重量为600kg ,工件与卡具最大重量总合为500kg ,重力加速度g=9.8m/s 2,丝杠的平均转速为266r/min,刀具切削加工时的平均切削力的水平分力为2000N ,切削时的最大载荷下分力为N F x 400=,N F y 9000=。 图1 滚珠丝杠副简图 1、计算空载摩擦阻力f F 和切削加工时的摩擦阻力jf F 】【或Kg 110)(10788.91.01100)500600(N g F f =??=??+=μ 】【或Kg 1118)(11188.91.01500400)500600(N g F jf =??=?+??+=μμ 2、确定滚珠丝杠副的导程0l 。 根据题目给定条件,步进电机直接与滚珠丝杠副连接,其传动比为1。 所以则有:)(8.7)(00778.0180014max max 0mm m n V l ==== 根据国际标准ISO/DIS 3408-2-1991或GB/T17587.2-1998,确定丝杠的基本导程为大于8mm 。 3、根据平均负载计算滚珠丝杠副的最大动载荷Q F ,硬度系数取1.0。 设滚珠丝杠副在工作时的平均工作载荷为cp F 。 则)(181300021118N F F F gcp jf cp =+=+= 滚珠丝杠副的寿命系数万转)(04.38310266240006010606 6=??==h nL L 则有:)(07.40759~686.326073470 ]5.1~2.1[2.126.73118]5.1~2.1[2.104.383F L 3W 3N F f F cp H Q =???=???=???= 4、结合最大静载荷,从附表中选择丝杠并写出丝杠的参数:丝杠的型号,公称直径,丝杠底