滚珠丝杠螺母副的设计
目录
前言……………………………………………………………………………………滚珠丝杠螺母副的设计……………………………………………………轴承选择……………………………………………………………………………电机选择……………………………………………………………………………设计总结……………………………………………………………………………参考文献……………………………………………………………………………
前言
机电一体化是以机械技术和电子技术为主题，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。
随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高。产品的更新换代也不断加快。因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零件的变换，生产的需要促使了数控机床的产生。
数控机床是指机床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程序自动进行的机床。随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，有什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用的数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
此次“机电一体化课程设计”主要简单设计出数控机床系统，其实离实际真正工业用数控机床还有很大的距离。由于时间仓促和自己知识水平有限，在设计中难免会有些许瑕疵，恳请老师指正。
1 滚珠丝杠螺母副的设计1.1 确定滚珠丝杠副的导程
P
h =
V
max
in
max
=
10000
1×1200
=8.3mm
取P
h
=10mm
P
h
：滚珠丝杠副的导程mm
V
max
：工作台最高移动速度
n
max
：电机最高转速
i：传动比
因电机与丝杠直联，i=1
V
max =10m/min ，n
max
= 1200r/min
代入得， P
h
=8.3mm
查表，取P
h
=10mm
1.2 确定当量转速与当量载荷
1.2.1 各种切削方式下，丝杠转速
n
max =
V
max
P
h
=
3500
10
=350r/min
n
min =
V
min
P
h
=
1
10
=0.1r/min
F
max
=4500+0.01×833=4583.3N
F
min
=0.01×833=83.3N
1.2.3 当量转速
n
m =
n
max
+n
min
2
=
350+0.1
2
=175.05mm/min
1.2.4 当量载荷
F
m =
2F
max
+F
min
3
=
2×1583.3+83.3
3
=3083.3N
1.3 预期额定动载荷
1.3.1 按预期工作时间估算
C
am=3
60n
m
L
h
F
m
f
w
100f
a
f
c
C
am
：预期额定动载荷N
按表查得：轻微冲击取 f
w =1.3 f
a
=1 可靠性90%取f
c
=1
已知：L
h
=15000小时
代入得 C
am
=28362.6N
1.3.2 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载F
max
计算：
C
am =F
e
F
max
代入得C
am
=20624.85N
取以上两种结果的最大值 C
am
=28362.6N 1.4 确定允许的最小螺纹底径
1.4.1 估算丝杠允许的最大轴向变形量
①δ
m ≤（
1
3
～
1
4
）重复定位精度
②δ
m ≤（
1
4
～
1
5
）定位精度
δm : 最大轴向变形量μm
已知：重复定位精度6μm, 定位精度12μm
①δ
m =2 δ
m
=3 ②δ
m
=3
取两种结果的小值δ
m
=2μm
1.4.2 估算最小螺纹底径
丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式
d
2m =10
210F
L
пδm E
=0.039
2F
L
δm
d
2m
：最小螺纹底径mm
L≈ (1.1～1.2)行程+（10～14）P
h
=1.1×350+10×10=485mm
代入得d
2m =0.039
28.3×485
2
=1.7mm
1.5 确定滚珠丝杠副的规格代号
1.5.1 选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预形式
1.5.2 由计算出的P
h ,C
am
,d
2m
在样本中取相应规格的滚珠丝杠副FFZD4010-3
P
h =10mm , C
a
=30000>C
am
=28362N, d
2
=39.5mm>d
2m
=1.7mm
1.6 确定滚珠丝杠副预紧力
F
p =
1
3
F
max
=
1
3
×4583.3=1527.8N
1.7 行程补偿值与与拉伸力
1.7.1 行程补偿值
C=11.8△tL
u
×10-6
式中：L
u
=350+148+2×30=558mm △t取2.5°C
代入得C=17μm
1.7.2 预拉伸力
F
t =1.95△td
2
2=1.95×2.5×34.32=5735.4N
1.8 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格
1.8.1 轴承所承受的最大轴向载荷
F
Bmax =F
t
+F
max
=5735+4583.3≈10320N
1.8.2 轴承类型
两端固定的支承形式，选背对背60°角接触推力球轴承
1.8.3 轴承内径
d 略小于d
2
=34.3mm
F
BP =
1
3
F
Bmax
=3279N
取 d=30mm
1.8.4 轴承预紧力
预加负荷3300N≥F
BP
=1527.8N 1.8.5 按样本选轴承型号规格选760206TNI轴承
d=30mm
1.9 滚珠丝杠副工作图设计
1.9.1丝杠螺纹长度L
s
：
由表查得余程Le=40
L
s =L
u
+2L
e
=560+2×40=640mm
1.9.2 两固定支承距离L
L
1
=640+135=775mm
丝杠全长L
L=775+85+85=945mm
1.9.3 行程起点离固定支承距离L
L
0=L
2
+B=15+15=30mm
2 电机选择2.1 参数计算
2.1.1 功率
P=Fv=4500×12
60
=900W
2.1.2 负载转动惯量J
L
（kg·m2）及传动系统转动惯量J（kg·m2）的计算
J
L =ΣJ
i
（
n
i
n
m
）2+Σm
j
(
v
j
2пn
m
)2
式中J
L ，n
i
为各旋转件的转动惯量（kg·m2）和转速（r/min）
m
j ,v
j
为各直线运动件的质量（kg）和速度（m/min）
J
m ,n
m
为电机的转动惯量（kg·m2）和转速（r/min）
J
L
=20kg·cm2
2.1.3 力矩计算
空载启动时，折算到电机轴上的加速力矩T
amax
T
amax =
J
L
n
max
9.6t
=
2×10-3×1500
9.6×2
=0.125N·M
折算到电动机上的摩擦力矩T
t
T
t =
F
P
h
2пηi
×10-3=
8.3×10
2×3.14×0.8×1
×10-3=0.0165N·m
由于丝杠预紧力引起和折算到电动机轴上的附加摩擦力矩T
T
0=
F
amax
×P
h
(1-η
2)
2пηi
×10-3=
8700×10×(1-0.92)
2×3.14×0.8×1
×10-3=3.29N·m
总力矩 T
m = T
amax
+ T
t
+ T
=3.43N·m
2.2 型号选择
根据转动惯量和力矩选择电机型号为120MB150B-001000 2.3 联轴器选择
根据电动机轴径，力矩等因素选择联轴器LK11-126K-2222
3 传动系统刚度
3.1 丝杠抗压刚度 3.1.1 丝杠最小抗压刚度 K smin =6.6d 22
L 1
×102
K smin ：最小抗压刚度N/μm d 2：丝杠底径 L 1：固定支承距离
代入得 K smin =6.6×34.32
775 ×102=1001.9N/μm
3.1.2 丝杠最大抗压刚度
K smax =6.6×d 22L 1
4L 0(L 1-L 0) ×102=6731.3N/μm
3.2 支承轴承组合刚度 3.2.1 一对预紧轴承的组合刚度 K BO =2×2.34×3
d Q Z 2F amax sin 5β K BO ：一对预紧轴承的组合刚度 N/μm d Q ：滚珠直径mm Z ：滚珠数
F
amax
：最大轴向工作载荷N β：轴承接触角
d
Q
=7.938,Z=19,β=60
代入得K
B0
=1076 N/μm
3.2.2 支承轴承组合刚度
由两端固定支承
K
b =2K
BO
=2×1076=3152 N/μm
3.2.3 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度
K
C =K
c
′
3F
P
0.1C
a
K
C
：滚珠和滚道的接触刚度N/μm
K
c
′：查样本上的刚度 N/μm
F
P
：滚珠丝杠副预紧力 N
C
a
：额定动载荷 N
由样本查得：K
c ′=973 N/μm；C
a
=30000N；
F
P
=1528N
代入得K
C
=777N/μm
3.3 刚度验算及精度选择3.3.1 验算传动系统刚度
1 K
min =
1
K
smin
+
1
K
b
+
1
K
c
=
1
101.9
+
1
2152
+
1
777
=2.7×10-3N/μm
K
min
=370
1 K
max =
1
K
smax
+
1
K
b
+
1
K
c
==1.9×10-3N/μm
K
max
=526
F
0=μw
1
=0.01×85×9.8=8.3N
K
min ≥
1.6F
0反向差值
已知反向差值或重复定位精度为10
K
min ≥
1.6×8.3
10
=1.328
3.3.2 传动系统刚度变化引起的定位误差
δk=F0（1
K min -
1
K
max
）=6.6×10-3μm
3.3.3 确定精度
V
300p
：任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言
V
300P ≤0.8×定位精度-δ
k
所以，丝杠精度选取3级
3.3.4 确定滚珠丝杠副的规格代号
已确定的型号FFZD
公称直径 40mm 导程 10mm 螺纹长度 640mm 丝杠全长 945mm P类3级精度
即 FFZD3210-3-P
3
/945×640
3.4 验算临界压缩载荷
丝杠所受最大轴向载荷小于丝杠预拉伸力F
t
不用验算
3.5 验算滚珠丝杠副的临界转速n
c
（r/min）
n
c =f
d
2
L
c2
2
×107
f:与支承形式有关的系数
d
2
：丝杠底径mm
L
c2
：临界转速计算长度mm 由表得 f=21.9
d
2
=34.3mm
L
c2=L
1
-L
=775-30=745mm
代入得 n
c =21.9×
34.3
7452
×107=13534>n
max
=1200r/min
3.6 验算D
n
D
pw =d
2
+D
w
=34.3+7.144=34.444mm
D
n =D
pw
·n
max
=34.444×1200=41332.8<70000
D
pw
:滚珠丝杠副的节圆直径mm
n
max
:滚珠丝杠副最高转速r/min
3.7 基本轴向额定静载荷C
oa
验算
f
s F
amax
≤C
oa
f
s
一般为1.5
C
oa
=50.2kN=66300N
F
amax
=870N/μm
1.5×8700=13050<66300 3.8 强度计算
[σ] 1
4
пd
2
2≥F
amax
d
2≥
24F
amax
п[σ]
[σ]许用应力（N/mm2）取[σ]=726N/mm2
d
2≥
24×8700
3.14×726
=3.91mm 验算合格
4控制系统的设计
4.1控制系统PLC与变频器，编码器，交流电机连线图的设计
4.1.1硬件的选择
3G3MZ系列变频器乃针对各种变频调速应用而开发：人性化的设计和先进的制造管理技术以及欧姆龙一贯的造型简约、功能丰富的风格，结合最新的用户的技术需求，使其具备了高贵的血统和最贴近市场的元素。涵盖了风机泵类专用功能，开环矢量功能，内置噪声滤波器以及多种网络总线功能，3G3MZ将是最节约而最完美的选择。
图4.1变频器多速开关控制接线图
交流电机选型要根据功率、转速、电压等级、应用场合、放水标准等条件选择，
交流电机控制非常简单，运用变频器，软启动器或直接启动都可以控制，直流电机控
制现在也不是很复杂，只是直流电机不能做到交流电机的免维护，故障率稍高，如果
工作条件差还是建议使用交流电机。一般直流电机比交流电机造价高，但直流电机机
械特性要稍好于交流电机。不过现在采用矢量变频控制技术的交流电机已经和直流电
机特性已经非常接近。单相300VAC和3相400VAC机种内置有噪音滤波器，因此无需
外部配线。
图4.2交流电机接线示意图
图4.3控制回路端子连接示意图
交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大.交流电机按其功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相机几大类。由于电机工作状态的可逆性，同一台电机既可作发电机又可作电动机。把电机分为发电机与电动机并不很确切，只是有些电机主要作发电机运行，有些电机主要作电动机运行。
4.1.2系统硬件接线图
图4.4系统硬件接线图
4.2 PLC控制梯形图设计
4.2.1软件流程图
课程设计的要求是加速-匀速1-减速-匀速2-减速停的速度曲线，并可以正反转得软件流程图。
图4.5软件流程图
4.2.2 PLC程序计算
假设电机5段的脉冲总数为4000，启动和停止时的脉冲频率为2kHZ,最大脉冲频率为10kHZ即起始和停止时的周期为500sμ，最高频率的周期为100sμ，第一段加速脉冲400个，第二段匀速脉冲2000个，第三段减速脉冲200个，第四段匀速脉冲1200个，第
五段减速脉冲200个。
图4.6 步进电机的频率曲线
期增量由公式： ()Q ICT ECT /-=周期增量,第一段的周期增s μμ1400
5001001-=-=，第
二段的周期增量为02=μ，假设第四段的开始周期为300s μ则第三段的周期增量为
s μμ12001003003=-=
，第四段周期增量为04=μ，第五段周期增量为s μμ1200
3005005=-= 。 根据步进电机的频率曲线绘制多段PTO 包络表2.2.1如下：
表4.1多段PTO 包络表
V 存储器地址 数据 VB500 5(段）
VW501 500（初始周期）
VW503 -1（第一段周期增量） VD505 400（第一段脉冲数) VW509 100(第二段初始周期） VW511 0（第二段周期增量) VD513 2000(第二段脉冲数） VW517 100（第三段初始周期） VW519 1(第三段周期增量） VD521 200（第三段脉冲数） VW525 300（第四段初始周期） VW527 0（第四段周期增量） VD529 1200（第四段脉冲数） VW533 300（第五段初始周期） VW535 1（第五段周期增量） VW537
200（第五段脉冲数）
滚珠丝杠副参数计算与选用
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）
(完整版)机械设计中丝杠螺母副计算校核
1、螺纹副耐磨性计算 《机械设计（第四版）》公式（6.20），螺纹中径计算公式： ] [2P h Fp d φπ≥ 式中， N F 轴向力，- 2.1=-φφ整体式螺母取 1.3,81][表许用压强MPa P - 6m m 螺距， -p mm p h h 365.05.0=?==-螺纹工作高度， 螺母为整体式并且磨损后间隙不能调整，2.1,5.22.1=-=φφ取；该螺旋机构为人力驱动，因此][P 提高20%，MPa P 6.212.118][=?=。 mm P h FP d 3.296 .212.1314.36 49153][2=????=≥ φπ 6 12 6 12 注：当ф＜2.5或人力驱动时，[p]值可提高20％；若为剖分螺母时则[p]值应降低15～20％。
图3.？ 螺旋副受力图 牙型角α=30°，螺距P 由螺纹标准选择P=6mm 牙顶间隙ac ;25.0,55.1=-=ac p ;5.0,126=-=ac p ;1,4414=-=ac p 外螺纹 大径(公称直径)，根据各企业自行制定的行业标准（或自行设计加工)取d=44mm 中径mm p d d 415.02=-= 小径mm h d d 37231=-= 牙高mm ac p h 5.35.03=+= 内螺纹 大径mm ac d D 452=+= 中径mm d D 1422== 小径mm p d D 381=-= 牙高mm h H 5.334== 牙顶宽mm p f 196.2366.0==
牙槽底宽mm ac p w9145 .1 0563 . 366 .0= - = 螺纹升角447 0.0 tan 2 = = d np π ψ 因此选用6 44? T的螺杆，其参数为： 公称直径（mm） d 螺距（mm） P 中径（mm） 2 2 D d= 大径（mm） D 小径（mm） 1 d 1 D 44 6 41 45 37 38 2、螺纹牙强度计算 螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。 螺纹牙底宽mm p t8.3 6 634 .0 634 .0 1 = ? = = 螺母旋合长度94.3 1 4 3.2 2 '= ? = =d Hφ 相旋合螺纹圈数16 6 94.3 ≈ = ' = P H z 剪切强度条件 MPa z Dt F 4.06 8.3 61 45 14 .3 34912.5 1 = ? ? ? = π MPa 40 30 ] [- = ≤τ 弯曲强度条件 MPa MPa z Dt Fh b 60 40 ] [ 9.62 61 8.3 45 14 .3 3 34912.5 3 3 2 2 1 - = ≤ = ? ? ? ? ? =σ π
滚珠丝杠螺母副的支承方式
滚珠丝杠螺母副的支承方式 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母副本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚度也是不可忽视的因素：滚珠丝杠常用推力轴承支座，以提高轴向刚度(当滚珠丝杠的轴向负载很小时，也可用角接触球轴承支座)，滚珠丝杠在数控机床上的安装支承方式有以下几种。 (1)一端装推力轴承(固定一自由式)。 如图3-15所示，这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，只适用于短丝杠，一般用于数控机床的调节或升降台式数控铣床的立向(垂直)坐标中。 (2)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承(固定一支承式)。 如图3-16所示，这种方式可用于丝杠较长的情况。应将推力轴承远离液压马达等热源及丝杠上的常用段，以减少丝杠热变形的影响。 (3)两端装推力轴承(单推一单推式或双推一单推式)。 如图3—17所示，把推力轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，这样有助于提高刚度，但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感，轴承的寿命较两端装推力轴承及向心球轴承方式低。 (4)两端装推力轴承及深沟球轴承(固定一固定式)。 如图3-18所示，为使丝杠具有最大的刚度，它的两端可用双重支承，即推力轴承加深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式不能精确地预先测定预紧力，预紧力的大小是由丝杠的温度变形转化而产生的。但设计时要求提高推力轴承的承载能力和支架刚度。 近年来出现一种滚珠丝杠轴承，其结构如图3-19所示。这是一种能够承受很大轴向力的特殊角接触球轴承，与一般角接触球轴承相比，接触角增大到60。，增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高两倍以上，使用极为方便。产品成对出售，而且在出厂时已经选配好内
滚珠丝杠的设计教学内容
滚珠丝杠的设计
滚珠丝杠的设计计算与选用 滚珠丝杠 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。 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。 1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 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1/3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1/3。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)。
滚珠丝杠副特性 ?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
滚珠丝杠设计计算
HJG-S系列滚珠丝杠副的主要性能选择 1 、轴向载荷、寿命 （1）、额定动载荷 Ca 一批相同的滚珠丝杠副 , 在轴向载荷 Fa 的作用力以较高的速度运转 10 ° 转 , 其 90% 的滚珠丝杠副不产生疲劳剥伤 , 此时的轴向载荷 Fa 称为该规格的额定动载荷 (Ca), 此值可在 HJG-S 具体尺寸规格表中查得。 （2）、额定静载荷 Cao Cao 系指滚珠丝杠副在静止（或转速较低）状态下，承受最大接触应力的滚珠和滚道接触面的塑性变形量之和为钢球直径的万分之一时的轴向载荷，此值可在 HJG-S 具体尺寸规格表中查得。 （3）、回转寿命 L 式中： L---- 加转命令： Ca---- 额定动载荷（ N ）： Fa---- 轴向载荷（ N ）： Fw---- 载荷系数。 无冲击载荷平滑运动时 Fw=1.0-1.2 普通运动时 Fw=1.2-1.5 冲击振动时 Fw=1.-2.5 (4) 、时间寿命 Lh 式中： Lh---- 时间寿命； L---- 回转寿命； n---- 转速（转 / 分） 2 、按预期工作时间确定预期额定动载荷 Cam 式中： Lh---- 预期工作时间（小时）见表 a ； fa---- 精度系数见表 b ； fc---- 可靠性系数一般 fc=1 ； fw---- 负荷系数见表 c 。 ---- 当量转速（转 / 分） Fm---- 表示当量载荷（ N ） 表 a 各类机械预期工作时间 Lh （小时）
机械类型 工作时间 普通机床 5000—10000 普通机床 10000—15000 数控机床 20000 精密机床 20000 测试机床 15000 航空机械 1000 表b 精度系数 1.2.3 4.5 7 10 fa 1.0 0.9 0.8 0.8 表c 负荷系数 无冲击、平稳 轻微冲击 伴有冲击、振动 fw 1—1.2 1.2—1.5 1.5—2 3、滚珠丝杠副的预加负荷 （1）、滚珠丝杠、螺母间的预加负荷FP 为了消除轴向间隙，增加滚珠丝杠副的刚性和定位精度，在丝杠螺母间加以预加负荷FP。过大的FP值将引起滚珠丝杠副寿命下降及摩擦力矩增大，而FP过小，会出现轴向间隙，影响定位精度，因此在一般情况下： 取 Fp=Fm/3 试中:Fp---预加载荷；Fm---当量载荷（N）；当轴向载荷不能确定时取Fp=Ca/(8-10) （2）、对预拉但滚珠丝杠副的行程补偿值C和预拉伸力FPL 为补偿因工作温度升高而引起的丝杠伸长，保证滚珠丝杠在正常使用时的定位精度和滚珠丝杠的系统刚度要求较高的高精度滚珠丝杠副，其丝杠轴需进行预加负荷拉伸。一般下列方法实现。 1 ）、滚珠丝杠轴在制造时，可提出目标行程的行程补偿值 C C=a. △ t.Lu=11.8 △ tLu. 式中： C ---- 行程补尝值（ um ）；△ t ---- 温度变化值。一般取 2 ℃—3℃；Lu----滚珠丝杠副的有效行程（mm）; a----丝杠的线膨胀系数11.8× /度 2）、滚珠丝杠副安装时丝杠的拉伸力Fpl 式中：Fpl----预拉伸力（N）；△ t ----滚珠丝杠的温升，一般为2-3；d2----滚珠丝杠螺纹底径（mm）； E----杨氏弹性模量:2.1x105N/mm2 4、滚珠丝杠副的极限转速与允许转速 滚珠丝杠副的极限转速主要是指滚珠丝杠副在高速运转时，避免产生共振现象，使滚珠丝杠副正常运转。 式中：----极限转速（转速/分）；K----安全系数，一般取0.8；Lb----安装间距；
滚珠丝杠螺母副的结构简图
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。
TBI滚珠丝杠选型计算举例
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。
滚珠丝杠螺母工作原理
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。
滚珠丝杠螺母副的设计
目录 前言……………………………………………………………………………………滚珠丝杠螺母副的设计……………………………………………………轴承选择……………………………………………………………………………电机选择……………………………………………………………………………设计总结……………………………………………………………………………参考文献……………………………………………………………………………
前言 机电一体化是以机械技术和电子技术为主题，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高。产品的更新换代也不断加快。因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零件的变换，生产的需要促使了数控机床的产生。 数控机床是指机床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程序自动进行的机床。随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，有什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用的数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 此次“机电一体化课程设计”主要简单设计出数控机床系统，其实离实际真正工业用数控机床还有很大的距离。由于时间仓促和自己知识水平有限，在设计中难免会有些许瑕疵，恳请老师指正。
丝杆螺母的选择
滑动螺旋工作时，主要承受转矩及轴向拉力（或者压力）的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动，其失效形式主要是螺纹磨损，因此，滑动螺旋的基本尺寸，通常的根据耐磨性条件确定。下面计算丝杆的耐磨性。 已知：F=41048（N ） 查《机械设计》有： d 2≥] [P h p F φπ??? 对于梯形螺纹有h=0.5P ，《查机械设计》有[]p =22MP 则[] p F d φ8.02≥ 式中：φ在传动精度较高，载荷较大，寿命长时，取4=φ ][P 为材料的许用压力，查《机械设计》[]1可得][P =22Mpa [] p F d φ8.02≥=17.28mm 可以取d 2=50.5mm ，满足d 2的要求。 其公称直径d=55mm 外螺纹mm d 453= 内螺纹mm D mm D 465614== 螺距p=9mm
螺母高度 H=202mm （3）丝杆强度计算 由扭矩 T=F 0tan （V ??+）2 2d 查《机械设计》[]1得，对于M10~M16普通螺纹取tan v ?=0.17 cos ?= D d D 2- 已知D=100mm t=25mm cos ?= D d D 2-=0.5 所以 tan ?=1.732 T=F 0tan （V ??+）22d =41048?25.50732.117.01732.117.0??-+=(Pa) 危险截面 ca σ=212)4(31d T F A +][σ≤=4 s σ 式中：A---是丝杆的最小截面积 A=214d π ca σ=21 2)4(31d T F A +MPa 26≈ 查《机械设计》[]1得，s σ=320~360Mpa 所以ca σ][σ≤ 结论是之前取的丝杆数据符合强度要求 （4）螺母强度计算
滚珠丝杠设计说明书
xxxx大学 题目：《滚珠丝杠结构设计》 学院：职业技术教育学院 专业：机械工程 班级：机械Z125班 学号： 姓名： 指导教师： 2015年1月14日
摘要：螺旋传动是应用非常广泛的机械传动之一，最常见的一种是滑动螺旋传动。但是，由于滑动螺旋传动的接触螺旋面间存在着比较大的滑动摩擦阻力，故其传动效率低、磨损快、使用寿命短，已不能完全适应现代机械传动在高速度、高效率、高精度等方面的发展要求。 为了减小丝杠传动副的摩擦和提高传动效率，国内外已普遍采用以滚动摩擦代替滑动摩擦原理，简称“滚化”原理，创造了滚珠丝杠副这种先进的新型传动机构。 对于滚珠丝杠副，其结构上的明显特征是： 构件间的可动连接通常不是借助于运动副本身，而是在丝杠和螺母两构件之间利用中间元件（滚珠）来实现的。滚珠丝杠副是在丝杠与螺母旋合螺旋槽之间放置适量滚珠作为中间传动体，借助滚珠返回通道，构成滚珠在闭合回路中循环的螺旋传动机构。如图：1-1 图：1-1 根据课题要求，我们对滚珠丝杠进行了以下设计： 有效导程1000，丝杠直径50mm
滚珠丝杠结构设计说明书 一、滚珠丝杠的预拉伸结构设计 丝杠又称丝杆．它是机械传动上最常使用的传动元件．其主要功能是将旋转运动转换成直线运动．既可以使用较小的转矩得到很大的推力，又可以作为减速装置，得到很大的减速比；也有将直线运动变成旋转运动的。丝杠作为高精度的动力驱动装置，应用越来越广泛。采用丝杠两端固定的安装方式，需要作预拉伸处理。目的是减小丝杠工作中因热膨胀、自重引起的弹性变形从而加大导程，影响传动比和传动精度。对要求精密的传动丝杠，需要热膨胀补偿。而丝杠预拉伸就是常用的补偿方式。 在丝杠制造时，使丝杠螺纹部分的长度小于公称长度一个预拉伸量，预拉伸量略大于热膨胀量。装配时，通过一定拉伸结构，将丝杠拉长一个预拉伸量，使丝杠螺纹部分达到公称长度。工作时，热膨胀量抵消部分预拉伸量，丝杠拉应力下降，但长度不变。从而保证螺距精度不受热膨胀的影响。 二、丝杠两端采用双螺母防松设计 依其可靠性和拆装的方便，在机械装备中的螺栓联接多采用双螺母防松。众所周知，螺栓联接采用双螺母防松与单螺母防松的原理是一致的，即“自锁”所不同之处在于双螺母防松效果远高于单螺母防松。究其原因是２个对顶螺母拧紧后，在２个螺母与螺栓组成的螺纹副中螺牙侧面受到的轴线方向的压力方向相反，从而当外力使螺纹副中螺牙上的压力减少成为不可能。外力使一方压力减少，而另一方压力必然上升，从而保证了在螺纹副中螺牙上的总压力不变，也即防松总阻力矩不变。“自锁”会得以保证。 圆螺母用止动垫圈又称止退垫圈，俗名王八垫，是一种防止圆螺母松动的垫圈。，垫圈和圆螺母配套使用，使用时垫圈装在螺母开槽的那一侧，紧固后将内外止动耳折弯放到槽里。圆螺母紧固后，分别将内外耳朵扳成轴向，分别卡在轴上的键槽和圆螺母的开口处，这样，圆螺母就不会由于轴的转动而松脱。 三、丝杠螺母副的选择 根据一、二两点的设计及课题要求的滚珠丝杠有效导程1000，丝杠直径50mm，选择的丝杠螺母副的型号：HJG-S FYND 5010-3 。
滚珠丝杠副传动系统
滚珠丝杠副传动系统 滚珠丝杠螺母副的特点 滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构。滚珠丝杠螺母副其它特点如下: 1.运动极灵敏，低速时不会出现爬行； 2.可以完全消除间隙并可预紧，故有较高的轴向刚度，反向定位精度高； 3.滚珠丝杠螺母副摩擦系数小，无自锁，能实现可逆传动； 4.滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分外循环和内循环两种，如图7.3所示。 预紧是指它在过盈的条件下工作，把弹性变形量控制在最小限度。滚珠丝杠多采用双螺母调隙结构。用双螺母加预紧力消除轴向间隙时，必须注意：预紧力不宜过大或过小，要特别减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。 双螺母调隙结构分为螺纹式、垫片式和齿差式等，如图7.4所示。 內絹环方式 图7.3滚珠丝杠螺母副 （分别点击图片进入仿真页 a.螺纹式 b.垫片式
c.齿差式 图7.4双螺母调隙结构 滚珠丝杠的主要技术参数 滚珠丝杠的主要技术参数如图7.5所示。 1）名义直径DO 滚珠丝杠的名义直径DO是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。它是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。名义直径与承载能力有直接关系，DO越大，承载能力和刚度越大。 2）基本导程Ph 导程是丝杠相对于螺母旋转一圈时，螺母上基准点的轴向位移。导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。导程过小势必使滚珠直径变小，滚珠丝杠螺母副的承载能力亦随之减小。 3）滚珠直径dO 一般取d0=0.6Ph 4）滚珠的工作圈数j和工作滚珠总数N 工作圈数j 一般取2.5?3.5圈，而工作滚珠总数N以不大于150个为宜。 5）列数K 要求工作圈数较多的场合，可采用双列或多列式螺母的结构形式
丝杆设计计算
数控滑台进给用滚珠丝杠副的设计计算: 横向与纵向滑台的总重量 W 1=3000N 立柱最大重量W 2 =5000N 工作台最 大行程 L K =1000mm 工作台导轨的摩擦系数:动摩擦系数μ=0.1 静摩擦 系数μ 0=0.2 快速进给速度 V max =8m/min 定位精度20 μm/300mm 全行程25μm重复定位精度10μm要求寿命20000小时(两班制工作十年)。 1)确定滚珠丝杠副的导程 因伺服电机与丝杠直联，i=1 由表1查得 V m ax =8m/min n m ax =1440r/min 代入得，
P h ≈5.56mm 由于计算出的P h 值应取较大值圆整，因此 P h =6mm 2）确定当量转速与当量载荷 （1）各种切削方式下，丝杠转速 由表1查得 V 1=0.6 V 2 =0.8 V 3 =1 V 4 =8 代入得 n 1=100 n 2 =133 n3=167 n 4 =1333 （1）各种切削方式下，丝杠轴向载荷 由表1查得 已知W 1=3000N W 2 =5000N
代入得 （3）当量转速 由表1查得 代入得 ≈267r/min n m （2）当量载荷 代入得 F =1380N m 3）预期额定动载荷 （1）按预期工作时间估算
按表9查得：轻微冲击取 f =1.3 w 按表7查得：1～3取 =0.44 按表8查得：可靠性97%取f c =20000小时 已知：L h 代入得 C =27899N m 计算：（2）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载F max =4.5 按表10查得：中预载取 F e 代入得 取以上两种结果的最大值 =27899N C m 4）确定允许的最小螺纹底径 （1）估算丝杠允许的最大轴向变形量 ① ≤（1/3～1/4）重复定位精度 ② ≤（1/4～1/5）定位精度 : 最大轴向变形量μm
滚珠丝杠副的载荷计算
1滚珠丝杠副的载荷计算 ⑴工作载荷F 工作载荷F是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力，其数值可用下列进给作 用力的实验公式计算： 对于燕尾形导轨机床 F=kFx+f(Fz+2Fy+W)(1) 对于矩形导轨机床 F=kFx+f(Fz+Fy+W) (2) 对于三角形或组合导轨机床 F=kFx+f(Fz+W)(3) 对于钻镗主轴圆导轨机床 对于滚动导轨机床 F=Fx+f(Fz+W)+Fr(5) 式(1)?(5)中：Fx、Fy、Fz—x、y、z方向上的切削分力，N; Fr —密封阻力，N; V—移动部件的重量，N; M—主轴上的扭矩，N- m dz—主轴直径, mm 表 1 f'—导轨摩擦系数；f —轴套和轴架以及主轴的键的摩擦系数；k—考虑颠覆力矩影响的实验系数。正常情况下，k、f与f可取表1数值。 (2)最小载荷Fmin 最小载荷F?min为数控机床空载时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。此时， Fx=Fy=Fz=Q (3)最大工作载荷F?max 最大载荷F?max为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。
(4)平均工作载荷Fm与平均转速nm 当机床工作载荷随时间变化且此间转速不同时， 式中：1,t2,…，tn分别为滚珠丝杠在转速n1,n2,…，nn下，所受轴向载荷分别是F1,F2,…, Fn 时的工作时间(min) 当工作载荷与转速接近正比变化且各种转速使用机会均等时，可用下式求得Fm和nm Fm=(2Fmax+Fmin y 3(8) nm=(nm ax+nmin)/2(9) 2滚珠丝杠副主要技术参数的确定 (1)导程Ph 根据机床传动要求，负载大小和传动效率等因素综合考虑确定。一般选择时，先按机床传 动要求确定，其公式为：Ph> vmax/nm ax(10) 式中：vmax—机床工作台最快进给速度， mm/mir; nmax-驱动电机最高转速，r/min。在满足控制系统分辨率要求的前提下，Ph应取较大的数值。 (2)螺母选择 由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高要求，故选择螺母时要注重其刚度的保证。推荐按高刚度要求选择预载的螺母型式。其中插管式外循环的端法兰双螺母应用最为广泛。它适用重载荷传动、高速驱动及精密定位系统。并在大导程、小导程和多头螺纹中具有独特优点，且较为经济。 ①滚珠的工作圈数i和列数j。根据所要求性能、工作寿命，推荐按表 2选取。 表2 ②法兰形状。按安装空间由标准形状选择，亦可根据需要制成特殊法兰形状。 (3)导程精度选择 根据机床定位精度，确定滚珠丝杠副导程的精度等级。一般情况下，推荐按下式估算: 式中：E――累计代表导程偏差，卩m;
丝杠螺母机构的选择与计算
丝杠螺母机构的选择与计算 5.2.1 确定滚珠丝杠副的导程 滚珠丝杠副的导程按下式计算： (5-1) 式中 h P —滚珠丝杠副的导程，（mm ）； Vmax —工作台最高移动速度，（min /m ）； max n —电机最高转速，（min /r ）； 由进给系统设计要求知： Vmax=2.5min /m 查阅《机械设计手册》[13]得： 步进电机110BF003的最高转速n max =500min /r 。 将数值代入上式(5-1)可得：P h ≥5mm 。 故取P h =S=6mm 。 5.2.2 强度计算 动载强度计算 1）对于燕尾型导轨的牵引力计算 F m =KF X +f(F z +2F Y +G) (5-2) 取 K=1.4 f=0.2 考虑工作台在移动过程中只受G 影响 故 F 1m =fG (5-3) =0.2×30×9.8 =58.8(N ) 考虑工作台在加工时静止只受F X 影响 故 F 2m = KF X (5-4) =1.4×9.8×130 max max n V P h
=1783.6(N ) 故F m = F 1m ＋ F 2m =58.8N ＋1783.6N =1842.4N 2）.计算最大动载荷 C 当转速 min 10r n ≥时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲 劳点蚀，因此要进行动载强度计算，其计算动载荷)(N c C 应小于或等于滚珠丝杠螺母副的额定动载荷，即 r eq H d c F F f f T C ≤=3' (5-5) 式中 d f —动载荷系数； H f —硬度影响系数； eq F —当量动载荷，N ； r F —滚珠丝杠螺母副的额定动载荷，N ； 'T —寿命，以r 610为一个单位。 (5-6) 式中 T —使用寿命，h ； N —循环次数； eq n —滚珠丝杠的当量转速，min r 。 取 T=15000h min 667.4166 1000 5.2max r s v n eq =?== (5-7) 代入数据可得： 取2.1=d f 取f H =1.0 当工作载荷单调连续或周期性单调连续变化时，则 N T n T eq 661010 60'-==
滚珠丝杠螺母副的设计要点
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
滚珠丝杠螺母副的计算和选型
Δ3 一、进给传动部件的计算和选型 进给传动部件的计算和选型主要包括:确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、计算减速器、选择步进电机等。 1、脉冲当量的确定 根据设计任务的要求，X方向的脉冲当量为δx=0.005mm/脉冲，Z 方向为δz=0.01mm/脉冲。 2、切削力的计算 切削力的分析和计算过程如下： 设工件材料为碳素结构钢，σb=650Mpa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角κr=60°，前角γo=10°，刃倾角λs=-5°；切削用量为：背吃刀量a p=3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度vc=105m/min。 查表得：C Fc=2795，x Fc=1.0，y Fc=0.75，n Fc=-0.15。 =0.94；刃倾角、前角和刀尖圆查表得：主偏角κr的修正系数k κrFc 弧半径的修正系数均为1.0。 由经验公式（3—2）,算得主切削力F c=2673.4N。由经验公式F c：F f： F p=1：0.35：0.4，算得进给切削力F f=935.69N，背向力F p=1069.36N。 3、滚珠丝杠螺母副的计算和选型 （1）工作载荷F m的计算 已知移动部件总重G=1300N；车削力F c=2673.4N，F p=1069.36N，F f=935.69N。根据F z=F c，F y=F p，F x=F f的对应关系，可得：F z=2673.4N，F y=1069.36N，F x=935.69N。 选用矩形—三角形组合滑动导轨，查表，取K=1.15，μ=0.16，代入F m=KF x+μ（F z+G），得工作载荷F m=1712N。 （2）最大动载荷F Q的计算 设本车床Z向在最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8m/min，初选丝杠基本导程P h=6mm，则此时丝杠转速n=1000v/P h=133r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠系数
丝杠螺母 校核
螺纹中径d2≥0.8×(66.43×103/2/20) 1／2=32mm， 故本滑动螺旋的规格取Tr65×12，螺母高度132mm，螺旋升角λ为3°42′，小于自锁条件角4°30′，自锁可靠，当电机的电磁制动失效时也能稳定地保持荷重。 2.4.5进行如下强度校核： a．丝杠的耐磨性计算 根据耐磨性计算公式：P=F/πd2H1n 已知式中d2=59 H1=0.5p=0.5X12=6 n=H/p=132/12=11 F=66430N 因此P=66430/π/59/6/11=5.4N/mm2 已知钢对铜的许用压强Pp为18~25 N/mm2 可见P＜Pp，丝杠螺纹强度足够 b．螺母的强度计算 根据剪切强度公式：τ= F/πD4bn 已知式中D4=66 b=0.65p=0.65X12=7.8 n=H/p=132/12=11 F=66430N 因此τ=66430/π/ 66 / 7.8 / 11=3.4N/mm2 根据弯曲强度公式：σb=3 FH1/πD4b2n 因此σb=3×66430×6/π/66/7.82 /11=8.5 N/mm2 由螺母的材料取τp=35 N/mm2 σbp=50 N/mm2 可见τ＜τp σb＜σbp ，螺母螺纹强度足够 c. 丝杠螺纹的拉伸强度计算： 丝杠螺纹小径为d=52mm， 根据拉伸强度计算公式：σbp=4F/πd2F=66430N
那么σbp=4×66430/π×522=31.2MPa远小于[σb]=630 MPa 可见丝杠的拉伸强度满足使用要求。 d. 丝杠轴端的焊接扭转强度计算： 选用下表牌号焊条焊接 根据减速电机对丝杠的输出转矩Ma=725Nm计算 由公式τ=4M（R+a）/π［（R+a）4- R4］ 其中R=65/2=32.5、a=4.6 则τ=4×725×103×(32.5+4.6）/π［（32.5+4.6）4- 32.54］=44 MPa ［τ］=167 MPa 可见τ＜［τ］ 结论：丝杠、螺母的设计完全满足转向架架车机的负荷要求。
丝杠螺母副计算校核2
丝杠螺母副设计计算及校核 每个轴承座单边采用两个丝杠进行锁紧，故每根丝杠承受 KN F F 915.432 3 5== 2、螺纹副耐磨性计算 《机械设计（第四版）》公式（6.20），螺纹中径计算公式： ] [2P h Fp d φπ≥ 式中， N F 轴向力，- 2.1=-φφ整体式螺母取 1.3,81][表许用压强MPa P - 6mm 螺距，-p mm p h h 365.05.0=?==-螺纹工作高度， 螺母为整体式并且磨损后间隙不能调整，2.1,5.22.1=-=φφ取；该螺旋机构为人力驱动，因此][P 提高20%，MPa P 6.212.118][=?=。 mm P h FP d 3.296 .212.1314.36 49153][2=????=≥ φπ 表3.1 滑动螺旋副材料的许用压力[ P] 螺杆—螺母的材料 滑动速度 许用压力 钢—青铜 低速 18-25 ≤3.0 11-18 6 12 7-10 >15 1-2 钢—钢 低速 10-13 钢—铸铁 <2.4 13-18 6 12 4-7 注：当ф＜2.5或人力驱动时，[p]值可提高20％；若为剖分螺母时则[p]值应降低15～20％。
图3.？ 螺旋副受力图 牙型角α=30°，螺距P 由螺纹标准选择P=6mm 牙顶间隙ac ;25.0,55.1=-=ac p ;5.0,126=-=ac p ;1,4414=-=ac p 外螺纹 大径(公称直径)，根据各企业自行制定的行业标准（或自行设计加工)取d=44mm 中径mm p d d 415.02=-= 小径mm h d d 37231=-= 牙高mm ac p h 5.35.03=+= 内螺纹 大径mm ac d D 452=+= 中径mm d D 1422== 小径mm p d D 381=-= 牙高mm h H 5.334== 牙顶宽mm p f 196.2366.0==