滚珠丝杠课程设计
本科生专业课程设计
（届）
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目录
专业课程设计计算说明书 (3)
原始数据 (3)
一、系统总体方案设计 (3)
二、机械系统的设计计算 (4)
三、控制系统设计 (19)
专业课程设计计算说明书
原始数据
设计一台微机控制XY两坐标工作台，采用MCS-51单片机控制, 控制方式采用步进电机开环控制。其他参数如下：
一、系统总体方案设计
由设计任务书知，本次设计可采用如下方案：
（一）机械系统
1、传动机构采用滚珠丝杠副与齿轮或带减速。
2、导向机构采用滚动直线导轨。
3、执行机构采用步进电机。
（二）接口设计
1、人机接口
（1）采用键盘或BCD 码盘作为输入。 （2）采用LED 作为电源等指示标志。 （3）采用蜂鸣器或扬声器作为警报装置。 （4）采用数码管作为显示器。 2、机电接口
采用光电偶合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口，实现电气隔离。 （三）伺服系统设计
本次设计的系统精度要求不高，载荷不大，因此采用开环控制。 （四）控制系统设计
1、控制部分方案选择
控制方案不外乎三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。 上图为最简单的“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈控制部分，再经过比较放大的则为“半闭环控制”。如若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。
采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关
系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成
正比。因此通常在精确度要求不是很高时，采用步进电机是合理的。当然，由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。
二、机械系统的设计计算
（本次设计若未作特殊说明，其中的表与图均来自：由郑堤主编的《机电一体化设计基础》） （一）初选步进电动机
根据已知条件：X 、Y 方向的脉冲当量y x δδ、分别为：
开环控制流程图
开环控制原理图
step mm y x /005.0==δδ
即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。其特点是：步距角小，运行频率高，价格较低，但功耗较大。
结论：初选步进电机型号为：90BF5-1.5，其相关参数如下：
并采用单双相通电方式，因此步距角?=8.0α。 1、步进电动机的脉冲频率计算
典型工况下，步进电动机的脉冲频率y x f f 和分别为：
s
p f s p v f s p f s p v f y y
y y x x x x /12000/3.333310005
.0601
1060/12000/3.333310005.0601
1060max 33max 33=<=??=
?=
=<=??=?=δδ
2、步进电动机的驱动转矩计算
典型工况下，步进电动机的驱动转矩y x T T 和分别为：
按图5-7查得：m N T T y x ?==8.2
3、步进电动机的驱动力计算
典型工况下，步进电动机的驱动力y x F F 和分别为：
N F N Z S Z T F x x x x x 500648018
004.032
)83.0(8.22212=>=????==
进给抗力πηπ
N F N Z S Z T F y y y y y 500648018
004.032
)83.0(8.2221
2
=>=????=
=
进给抗力πηπ
驱动力远大于进给抗力，所以所选步进电动机满足使用要求。 （二）计算减速器传动比
减速器传动比：
p
p
i δα360=
()()
()m m m m p p 工作台运动的脉冲当量
丝杠导程步进电机步距角
--?-δα
初取滚珠丝杠：
此时：
78.19
16
005.036048.0360≈=??==
p p i δα
按图5-33，选一级齿轮传动。 （三）齿轮机构设计
传动链效率工作台移动速度工作台进给抗力传递功率/?=
机械传动效率概略值（供参考）
初选效率为0.8。
w 4.108.0/60
1
500=?
=传递功率
可见，系统传递的功率很小，在要求不高时，以后各步的计算可省略。并采用经验法来设计各元部件。但为练习计算过程，本次设计采用分析计算来设计。 1、齿轮传动机构的基本参数
其中小齿轮转速：
min /4449
164100011000r i p v n =??=?=工作台）
2、选择材料及确定许用应力
小齿轮材料选择45钢（表面淬火），硬度为45HRC 大齿轮材料为45钢（调质）硬度为220HBS
小齿轮的接触疲劳强度极限a H MP 11301lim =σ（淬火处理） 大齿轮的接触疲劳强度极限a H MP 5502lim =σ
安全系数H S 和F S
取安全系数1.1=H S
[][]a
H
H H a
H
H H MP S MP S 5001
.155027.10271
.111302
lim 21lim 1===
===σσσσ
小齿轮的弯曲疲劳强度极限a F MP 2401lim =σ 大齿轮的弯曲疲劳强度极限a F MP 1902lim =σ 取3.1=F S
[][]a
F
F F a
F
F F MP S MP S 15.1463
.119062.1843
.12402lim 21lim 1======σσσσ
3、按齿面接触强度设计
设齿轮按7级精度制造。取载荷系数1.1，齿宽系数3.0=a ψ，
m N n P T ?=??==-21.0416
1025.9955095503
()
[]m m u KT u a a
H 78.159
163.01000
21.01.1500335191633512
3
12
3
=????
?? ???
??
??+=???? ??+≥ψσ 取181=z ；大齿轮齿数：32189
16
12=?=
=iz z 模数63.032
1878
.152221=+?=+=
z z a m ；取标准值 m=0.8
确定中心距
()()mm z z m
a 2032182
8.0221=+=+=
齿宽： b=mm a a 6203.0=?=ψ 取mm b mm b 10;
612==
4、验算轮齿弯曲强度
齿形系数 18.2;02.321==F F Y Y
[][]15
.14633.1002
.318.231.1462
.18431.1418
8.01002
.3100021.03.12221212
1212111=<=?===<=??????==F F F F F F F F MPa Y Y MPa z bm Y KT σσσσσ
校验结果：安全。
5、齿轮的圆周速度
s m s m n d v /10/31.01000
60416
188.014.31000
601
1<=????=
?=
π
选用7级精度是安全的。
为方便与电机轴的配合，对齿轮作如下修改：
取271=z ；大齿轮齿数：48279
16
12=?==iz z 中心距：
()()mm z z m
a 3048272
8.0221=+=+=
齿宽： b=mm a a 9303.0=?=ψ 取mm b mm b 14;
912==
（四）滚珠丝杠选择 1、滚珠丝杠工作长度计算
余量行程工作台l l l l ++=
X 方向丝杠工作长度：mm l X 44020320100=++= X 方向丝杠工作载荷：N F X 500=
Y 方向丝杠工作长度：mm l Y 39520225150=++= Y 方向丝杠工作载荷：N F Y 500=
令两方向丝杠的工况均为：每天开机6小时；每年300个工作日；工作8年以上。 丝杠材料：CrWMn 钢；滚道硬度为58~62HRC ；丝杠传动精度为mm 04.0±。
平均转速n=125r/min （min /1254
1000
5.01000r p v n =?=?=
工作台）
2、计算载荷C F 求解
N N F K K K F m A H F C 5505000.10.11.1=???==
查《机电一体化设计基础》表2-6；2-7；2-8的0.10.11.1===A H F K K K ；；，查表2-4取C 级精度。
表2-6 载荷系数
表2-7 硬度系数
表2-8 精度系数
3、额定动载荷计算a
C '计算 寿命：h L h 1440083006=??='
N N L n F C h m C a
31601067.1144002005501067.13434≈???? ?
????=?'=' 4、滚珠丝杠副选择
假设选用FC1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷a C 等于或稍大于a
C '的原则，选汉江机床厂出品的2004-2.5，N C a 5393=， 其参数如下：
5、稳定性验算
1） 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数
S ，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]（见表2-10）
丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷cr F （N ）按下式计算：
2
2)
(l EI F a
cr μπ= 式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GPa ；l 为丝杠工作长度（m ）；I a 为丝杠危险截面的轴惯性矩（m 4）；μ为长度系数，见表2-10。
依题意，()494
4
1107.464
59.017.014.364m d I a -?=?==π
取3/2=μ，则
N l EI F a Xcr
529922
21011.144.032107.41020614.3)(?=?
?
?
???????==-μπ N l EI F a Ycr 5
29922
21038.1395.032107.41020614.3)(?=?
?
?
???????==-μπ 安全系数
2225001011.15
=?==m cr X F F S
276500
1038.15
=?==m cr Y F F S
查表2-10，[S]=2.5~3.3。S>[S]，丝杠是安全的，不会失稳。
2） 高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速——cr n 。要
求丝杠的最大转速cr n n min /3124244.03201759 .0927.39910)(99102 2212r l d f n c cr =?? ? ?????==μ 该丝杠工作转速cr n r n <=min /125 3） 滚珠丝杠副还受 n D 0值的限制，通常要求 min /10740r mm n D ??< 40107250012520?<=?=n D 所以该丝杠副工作稳定。 6、刚度验算 滚珠丝杠在工作负载F （N ）和转矩()m N T ?共同作用下引起每个导程的变形量()m L 0?为 c GJ T p EA pF L π220± ±=? 式中，A 为丝杠截面积，() 22141m d A π= ；c J 为丝杠的极惯性矩，() 44132 m d J c π =；G 为丝杠切变模量，对钢GPa G 3.83=；()m N T ?为转矩。 ()ρλ+=tan 2 D F T m 式中，ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；m F 为平均工作负载。本题取摩擦系数为0025.0tan =ρ,则048'''=ρ。 ()m N m N T ?≈?'''+???? =-33.0048'383tan 102 20 5003 按最不利的情况取（其中m F F =） () m Gd T p Ed pF GJ T p EA pF L c 84922 32934 122212010997.301759.0103.8314.333.010********.01020614.350010441642---?≈??????+??????=+ =+=?πππ 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 m m p L l L μμ40.410 410997.344.03 2 0=???=?=?-- 通常要求丝杠的导程误差L ?应小于其传动精度的1/2，即 m mm L μσ2002.004.02 1 21][==?==? []L L ? 7、效率验算 滚珠丝杠副的传动效率η为 96) 048'383tan(' 383tan )tan(tan ='''+??=+= ρλλη% η要求在90%~95%之间，所以该丝杠副合格。 （五）滚动直线导轨选择 1、已知参数 N mg F 4418.945=?==∑ 2、导轨额定寿命计算 h T h 900053006=??= 由公式2-10： n L T T s s h 2103 ?= ） 每小时往复次数（次）工作单形成长度（）（导轨额定行程长度寿命h n m L km T s s /--- 得：km n l T T s h s 8.190010/60444.09000210/233=????== 因滑座数M=2，所以每根导轨上使用1个滑座，由表2~15-2~18确定 5 .11181.0====w T H c f f f f 负荷系数：温度系数：硬度系数：接触系数： 由式2-9： 3 ??? ? ??=F C f f f f K T a w c T H s N C N F km K a 额定动载荷滑座工作载荷寿命系数，一般取---50 得： N f f f f K T F C C T H w s a 137381 .0115.150/8.19005.220/33=????== N M F F 5.2202 441=== ∑ 查《机械电子工程专业课程设计指导书》表3-19，选L Y25AL ，其基本额定载荷为： N C a 1740=，能满足使用要求。 （六）计算系统转动惯量 1、电动机轴上总当量负载转动惯量计算 小齿轮转动惯量2743411029.332 010 .00144.0108.732 m kg l d J z ??=????= = -ππρ 大齿轮转动惯量2643421097.132 006 .00256.0108.732 m kg l d J z ??=????= = -ππρ 丝杠转动惯量254341095.332 44 .00185.0108.732 m kg l d J s ??=????= = -ππρ 将各传动件转动惯量及工作台质量折算到电动机轴上，得总当量负载转动惯量： ()() 2 62 2 6 72 22 11073.6459162004.091611097.11029.321m kg m i p i J J J J s z z d ??=????? ?? ???+?? ? ???+?=?? ? ??+++=---ππ 2、惯量匹配验算 38.010 764.11073.656 =??=--m d J J 满足 141≤≤m d J J 的要求，惯量匹配比较合理。 3、步进电动机负载能力校验 （1）步进电动机轴上的总惯量 25651044.21073.610764.1m kg J J J d m ??=?+?=+=--- （2）空载启动时，电动机轴上的惯性转矩 m N t v p i J t J J T J ?=???? ??=?=?==--045.060 110251004.0916 21044.2235max max ππωε （3）电动机轴上的当量摩擦转矩 m N mg i p F i p T ?=???? ?= = = 04.02.08.9459 16 8.02004.022πμπηπημμ 其中伺服进给传动链的总效率取为8.0=η （4）设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起的折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为 () ()() m N F i p F i p T w ?=-????=-= -= 014.09.0135009 8.02004.01321222 0max 2 000πηπηηπη（5）工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为 m N F i p T w w ?=?? ?= = 18.05009 16 8.02004.02max ππη （6）空载启动时电动机轴上的总负载转矩为 m N T T T T J q ?=++=++=099.0014.004.0045.00μ （7）在最大工作载荷下电动机轴上的总负载转矩为 m N T T T T w ?=++=++=234.0014.004.018.001μ （8）按表5-5查得空载启动时所需电动机最大静转矩为 m N T T q s ?== = 12.0809 .0099 .0809 .01 （9）按式5-39可求得在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩为 m N T T s ?===78.0~468.05.0~3.0234 .05.0~3.012） （）（ 结论： 所选步进电动机启动转矩m 1.96N ?=s T 远大于所需要的启动转矩1s T ，因此选择的步进电机的功能不能充分发挥。（为提高经济性，可重新选择。） 4、系统刚度计算 （1）按表5-8所列公式可求得丝杠最大、最小拉压刚度为 m N l E d K L /104.9060 .04101.20185.04811 2min 2max ?=????= = ππ m N l E d K L /105.138 .04101.20185.04811 2max 2min ?=????= = ππ （2）假定丝杠轴向支承轴承经过预紧并忽略轴承座和螺母座刚度的影响，按表5-9所列公式可求得丝杠螺母机构的综合拉压刚度 N m K K K K N L B ??=?+?+??=++= -8 9 88min min 01002.110 02.11105.111096.12111211 m N K ??=7min 0108.9 N m K K K K N L B ??=?+?+??=++= -8 9 88max max 010373.010 02.11104.911096.12111211m N K ??=8max 01068.2 （3）按式5-45可计算出丝杠最低扭转刚度为 rad m N l G d K T /245038 .032101.80185.03210 4max 4min ?=????= = ππ 5、固有频率计算 （1）丝杠质量为 kg L d m s 92.0108.7440.00185.04 1 41322=????==πρπ （2）丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为 s rad m m K s nc /7.147092 .03 145108.9317 min 0=?+?=+=ω （3）折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为 252 5 2 .1071.79161044.2m kg Ji J sd --?=?? ? ????== （4）如果忽略电动机轴及减速器中的扭转变形，则系统的最低扭振固有频率为 s rad J K sd T nt /1.56371071.72450 5 min =?== -ω 特性好。均较高，说明系统动态与nt nc ωω 6、死区误差计算 设齿轮传动和丝杠螺母机构分别采取了消隙和预紧措施，则按式（5-59）可求得由摩擦 力引起的最大反向死区误差为： mm K mg 0018.01010 8.92 .08.945210237 3min 0max =?????=?= ?μ 脉冲当量 7、由系统的刚度变化引起的定位误差计算 按式（5-60）可求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差。 m m K K m g K K F K 00057.0101068.21108.912.08.9451011101 1 3873 max 0min 03max 0min 0max =??? ? ???-????=?? ??? ??-=????? ?? - =μδμ 由于系统要求的定位精度为mm 04.0±，即允许定位误差为mm 08.0=δ mm K 016.05 100057.0max =<=δδ因而，系统刚度满足定位精度要求。 三、控制系统设计 （一）微处理器的选择 根据设计要求，系统控制的主要功能是对步进电机的脉冲频率及其分配的控制。同时在 实现这一主功能的基础上，附带若干协助功能，如显示、预置、时间、键盘等。 结论： 1、系统对内存要求不高。 2、系统处理的运算不是很复杂，对CPU 的计算速度要求不高。 3、为扩展键盘、显示、掉电保护等功能，要求系统提供较多的口线和完善的中断系统。 考虑到上面的原因，这里可以采用市面供应充分，性能价格比较好的A T89C52作为系统的微处理器。其参数见下表： AT89C52参数表 （二）系统扩展 系统中采用键盘实现输入，并采用LED 显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统是需要进行系统扩展的。 可编程并行接口8255A 是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个 8位并行口PA 、PB 、PC 由此提供了24条口线。 （三）键盘连接 键盘采用机械式按键组成。它属于常开类型，按图（3-2）的接线，当键K 按下时P 口电位拉低。相反，K 未按时，P 口一直保持高电位。其中电路中电阻起限流作用，避免CPU 被过大的电流烧毁。键盘采用软件消抖。 （四）时钟芯片的选择 为了实现时间的显示，这里引入了时钟芯片DS12C887。 （五）可靠性设计 为提高系统的可靠性，在这里采用了MAX813L 。这是因为AT89C52芯片内部未带WATCHDOG （系统正常工作监视器），因此若不加外部 WATCHDOG ，便会造成在工作电压过低时，系统出现不 正常运行，产生不良的现实后果。 （六）掉电保护设计 掉电保护设计的目的是在断电或复位后，待系统恢复正常时，系统能够恢复到原先状态，实现继续运转的功能。这样就要求将运行时的重要参数得到保存。保存的数据包 图3-1扩展连线 图3-2 单键接线图 SPK 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≤7000。0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。 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， 滚珠丝杠的安装（支撑）方式 滚珠丝杠的安装（支撑）方式2015-06-12引言滚珠丝杠是工具机械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复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。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。 滚珠丝杠副作为关键的滚动传动元件，被广泛应用于各种需要定位或传动的机构中，对机构的性能举足轻重。在实际应用中，滚珠丝杠副的安装方式的选择会影响整个机构的工作效果，根据具体应用情况的不同，滚珠丝杠副的安装可以有多种不同的方式。不同的安装方式（即支承形式）都有其各自的特点，选取时，既要考虑实际工作要求（定位精度、传动速度、扭矩和推力情况等），又要结合滚珠丝杠副型号规格的选择，只有两者综合考虑合理搭配，才能实现最佳效果，发挥滚珠丝杠副的最大价值。 滚珠丝杠副的安装方式一般叫做滚珠丝杠副的支承形式，通常有两大类（丝杠旋转类和螺母旋转类）共五种典型的支承形式，支承形式不同，所容许的轴向载荷和容许的回转转速也有所不同，应根据工况适当选择。具体如下文所述： 为便于评估，丝杠旋转类每种支承形式后面给出表征其稳 定性的“稳定性系数K2”，K2越大表示该形式越稳定，螺母 旋转类因受力模型不同，校验体系也不同，不能模型化比较。 一、丝杠旋转类 1、“固定—固定”型：K2=4 适用于高转速、高精度的场合。该形式两端分别分别由一 对轴承约束轴向和径向自由度，负荷由两组轴承副共同承担。也可以使两端的轴承副承受反向预拉伸力，从而提高传动刚度。在定位要求很高的场合，甚至可以根据受力情况和丝杠热变形趋势精确设定目标行程补偿量，进一步提高定位精度。“固定—固定”型有时也被片面地叫做“双推－双推”型，实际上由于径向力的存在几乎很少能用两个推力轴承作为固定端。由于此形式结构较复杂，调整较难，因此一般仅在定位要求很高时采用。2、“固定—游动”型：K2=2 适用于中转速、高精度的场合。该形式一端由一对轴承约 束轴向和径向自由度，另一端由单个轴承约束径向自由度，负荷由一对轴承副承担，游动的单个轴承能防止悬臂挠度，并消化由热变形产生的应力。“固定—游动”型有时也被片面 地叫做“双推－支承”。此形式结构较简单，效果良好，应用 广泛。3、“支承—支承”型：K2=1 适用于中转速，中精度的场合。该形式两端分别设一个轴承，分别承受径向力和单方向的轴向力，随负荷方向的变化，分别由两个轴承单独承担某一方向的力。由于支承点随受 ---公称直径。即丝杠的外径，常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120，不过请注意，这些规格中，各厂家一般只备16~50的货，也就是说，其他直径大部分都是期货（见单生产，货期大约在30~60天之间，日系产品大约是2~2.5个月，欧美产品大约是3~4个月）。公称直径和负载基本成正比，直径越大的负载越大，具体数值可以查阅厂家产品样本。这里只说明两个概念：动额定负荷与静额定负荷，前者指运动状态下的额定轴向负载，后者是指静止状态下的额定轴向负载。设计时参考前者即可。需要注意的是，额定负荷并非最大负荷，实际负荷与额定负荷的比值越小，丝杠的理论寿命越高。推荐：直径尽量选16~63。 2---导程。也称螺距，即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离，常见导程有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40，中小导程现货产品一般只有5、10，大导程一般有1616、2020、2525、3232、4040（4位数前两位指直径，后两位指导程），其他规格多数厂家见单生产。导程与直线速度有关，在输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。推荐：导程尽量选5和10。 3---长度。长度有两个概念，一个是全长，另一个是螺纹长度。有些厂家只计算全长，但有些厂家需要提供螺纹长度。螺纹长度中也有两个部分，一个是螺纹全长，一个是有效行程。前者是指螺纹部分的总长度，后者是指螺母直线移动的理论最大长度，螺纹长度=有效行程+螺母长度+设计裕量（如果需要安装防护罩，还要考虑防护罩压缩后的长度，一般按防护罩最大长度的1／8计算）。在设计绘图时，丝杠的全长大致可以按照一下参数累加：丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）。特别需要注意的是，如果你的长度超长（大于3米）或长径比很大（大于70），最好事先咨询厂家销售人员可否生产，总体的情况是，国内厂家常规品最大长度3米，特殊品16米，国外厂家常规品6米，特殊品22米。当然不是说国内厂家就不能生产更长的，只是定制品的价格比较离谱。推荐：长度尽量选6米以下，超过的用齿轮齿条更划算了。 4---螺母形式。各厂家的产品样本上都会有很多种螺母形式，一般型号中的前几个字母即表示螺母形式。按法兰形式分大约有圆法兰、单切边法兰、双切边法兰和无法兰几种。按螺母长度分有单螺母和双螺母（注意，单螺母和双螺母没有负载和刚性差异，这一点不要听从厂家销售人员的演说，单螺母和双螺母的主要差异是后者可以调整预压而前者不能，另外后者的价格和长度大致均是前者的2倍）。在安装尺寸和性能允许的情况下，设计者在选用时应尽量选择常规形式，以避免维护时备件的货期问题。推荐：频繁动作、高精度维持场合选双螺母，其他场合选双且边单螺母。推荐：螺母形式尽量选内循环双切边法兰单螺母。 5---精度。滚珠丝杠按GB分类有P类和T类，即传动类和定位类，精度等级有1、2、3、4.....几种，国外产品一般不分传动还是定位，一律以C0~C10或具体数值表示，一般来说，通用机械或普通数控机械选C7（任意300行程内定位误差±0.05）或以下，高精度数控机械选C5（±0.018）以上C3（±0.008）以下，光学或检测机械选C3以上。特别需要注意的是，精度和价格关联性很大，并且，精度的概念是组合和维持，也就是说，螺杆的导程误差不能说明整套丝杠的误差，出厂精度合格不能说明额定使用寿命内都维持这个精度。这是个可靠性的问题，与生产商的生产工艺有关。推荐：精度尽量选C7。 以上说的都是主要参数，在选用型号时还得用到以下参数：珠卷数，珠径，制造方式代码， 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 滚珠丝杠精度等级标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N] 国内的等级精度分为P1，P2，P3，P4，P5，P7，P10这7个等级，JIS等级精度分为 C0，C1，C3，C5，C7，C10这6种精度， 各种螺杆长度之导程误差(单位为um)如下表所示: 另外螺杆也有标示任意300mm长的精度 , 意即就是不论你的滚珠螺杆有多长 , 任取一段300mm内之的精度皆为规格中保证之精度以内,如下表所示: 【机床定位精度要求与丝杠精度】 的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度。普通精度的数控机床，一般可选用D 级，精密级数控机床选用C级。 精度中的导程误差对机床定位精度影响最明显。而丝杠在运转中由于温升引起的丝杠伸长，将直接影响机床的定位精度。当L为丝杠螺纹有效长度时，L即为方向目标值T，在丝杠图纸上标示为负值。用户在定购滚珠丝杠时，必须提出滚珠丝杠的方向目标值。 【提高传动的精度和刚度】 主要是提高进给系统中传动零件的精度和支承刚度。首先是保证各个零件的加工精度，尤其是提高滚珠丝杠螺母副(直线进给系统)、蜗杆副(圆周进给系统)的传动精度。另外，在进给传动链中加人减速齿轮传动副，对滚珠丝杠和轴承进行预紧，消除齿轮、蜗杆等传动件的间隙，从而提高进给系统的精度和刚度。 对梯形丝杠的精度要求】 1．螺旋线公差 螺旋线误差是指在中径线上，实际螺旋线相对于理论螺旋线偏离的最大代数差。又分为： (1)丝杠一转内螺旋线误差； (2)丝杠在指定长度上(25 mrn、100 mm或200 mm)的螺旋线误差： (3)丝杠全长的螺旋线误差。 螺旋线误差较全面地反映了丝杠的位移精度，但由于测量螺旋线误差的动态测量仪器尚未普及，国家标准中只对3、4、5、6级的丝杠规定了螺旋线公差。 2．螺距公差 标准中规定了各级精度丝杠的螺距公差。 【丝杠的精度等级与公差】 根据机械工业部颁布的JB2886–81《机床和螺母的精度》规定，及其螺母分为6个等级，即4、5、6、7、8和9级，4级精度最高，9级精度最低，适用情况如下： 4级用于精度特别高的地方，如加工中心、螺纹磨床等。 5级和6级用作高精度的传动丝杠，如用于坐标镗床、齿轮磨床、不带校正装置的分度机构和测量仪器。 7级用作精确传动丝杠，如用于精密螺丝车床，镗床以及精密的齿轮加工机床。 8级用作一般传动丝杠，如用于普通螺丝车床、螺丝铣床等。 9级用作低精度传动丝杠，如没有分度盘的进给机构。 【丝杠精度的测量】 以丝杠精度为主要精度的机床，在机床大修前，都要对丝杠精度作一检查，以确定丝杠的修理措施，或修复，或更换.丝杠的检查分为综合检查和丝杠自身精度检查两种方法。具体测量方法如下: 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， 滚珠丝杠精度等级 Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】 国内的等级精度分为P1，P2，P3，P4，P5，P7，P10这7个等级，JIS等级精度分为C0， C1，C3，C5，C7，C10这6种精度， 各种螺杆长度之导程误差(单位为um)如下表所示: 另外螺杆也有标示任意300mm长的精度 , 意即就是不论你的滚珠螺杆有多长 , 任取 一段300mm内之的精度皆为规格中保证之精度以内,如下表所示: 【机床定位精度要求与丝杠精度】 的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度。普通精度的数控机床，一般可选用D级，精密级数控机床选用C级。 精度中的导程误差对机床定位精度影响最明显。而丝杠在运转中由于温升引起的丝杠伸长，将直接影响机床的定位精度。当L为丝杠螺纹有效长度时，L即为方向目标值T，在丝杠图纸上标示为负值。用户在定购滚珠丝杠时，必须提出滚珠丝杠的方向目标值。 【提高传动的精度和刚度】 主要是提高进给系统中传动零件的精度和支承刚度。首先是保证各个零件的加工精度，尤其是提高滚珠丝杠螺母副(直线进给系统)、蜗杆副(圆周进给系统)的传动精度。另外，在进给传动链中加人减速齿轮传动副，对滚珠丝杠和轴承进行预紧，消除齿轮、蜗杆等传动件的间隙，从而提高进给系统的精度和刚度。 对梯形丝杠的精度要求】 1．螺旋线公差 螺旋线误差是指在中径线上，实际螺旋线相对于理论螺旋线偏离的最大代数差。又分为： (1)丝杠一转内螺旋线误差； (2)丝杠在指定长度上(25 mrn、100 mm或200 mm)的螺旋线误差： (3)丝杠全长的螺旋线误差。 螺旋线误差较全面地反映了丝杠的位移精度，但由于测量螺旋线误差的动态测量仪器尚未普及，国家标准中只对3、4、5、6级的丝杠规定了螺旋线公差。 2．螺距公差 滚珠丝杠副的安装与使用 一、润滑 为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要有以下两种： 润滑脂 润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，我厂滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已加注GB7324-94 2#锂基润滑脂； 润滑油 润滑油的给油量标准如表16所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。 表16 润滑油的给油量标准（间隔3分钟） 轴颈(mm) 给油量(cc) 4～8 0.03 10～14 0.05 15～18 0.07 20～25 0.10 28～32 0.15 36～40 0.25 45～50 0.30 55～63 0.40 70～100 0.50 100～160 0.60 二、防尘 滚珠丝杠副与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨耗，成为破损的原因。因此，考虑有污物异物（切削碎削）进入时，必须采用防尘装置（折皱保护罩、丝杠护套等）， 将丝杠轴完全保护起来。 另外，如没有异物，但有浮尘时可在滚珠螺母两端增加防尘圈，请用户根据需要按编号规则选定合适规格型号。 三、使用 滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项： 滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时要在行程两端配置限位，以避免螺母越程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。如螺母脱离丝杠轴或滚珠脱落，请与我厂联络。 滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动时，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。防逆传动方法可用蜗轮蜗杆传动、液压式电器制动器及超越离合器等。如需超越离合器，我厂可为用户设计并生产制造。 四、安装 滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项： 滚珠丝杠副仅用于承受轴向负荷。径向力、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等不良负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时应注意： ·丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线。 ·安装螺母时，尽量靠近支撑轴承； ·同样安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。 滚珠丝杠副安装到机床时，请不要把螺母从丝杠轴上卸下来。如必须卸下来时，要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意下列几点： ·辅助套外径应小于丝杠底径0.1～0.2mm. ·辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩。 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。 滚珠丝杠精度等级 国内的等级精度分为P1，P2，P3，P4，P5，P7，P10这7个等级，JIS等级精度分为C0，C1，C3，C5，C7，C10这6种精度， 各种螺杆长度之导程误差(单位为um)如下表所示: 另外螺杆也有标示任意300mm长的精度, 意即就是不论你的滾珠螺杆有多长, 任取一段300mm內之的精度皆为规格中保证之精度以內,如下表所示: 【机床定位精度要求与丝杠精度】 滚珠丝杠的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度。普通精度的数控机床，一般可选用D级，精密级数控机床选用C级精度滚珠丝杆。 丝杠精度中的导程误差对机床定位精度影响最明显。而丝杠在运转中由于温升引起的丝杠伸长，将直接影响机床的定位精度。当L为丝杠螺纹有效长度时，L即为方向目标值T，在丝杠图纸上标示为负值。用户在定购滚珠丝杠时，必须提出滚珠丝杠的方向目标值。 【提高传动的精度和刚度】 主要是提高进给系统中传动零件的精度和支承刚度。首先是保证各个零件的加工精度，尤其是提高滚珠丝杠螺母副(直线进给系统)、蜗杆副(圆周进给系统)的传动精度。另外，在进给传动链中加人减速齿轮传动副，对滚珠丝杠和轴承进行预紧，消除齿轮、蜗杆等传动件的间隙，从而提高进给系统的精度和刚度。 对梯形丝杠的精度要求】 1．螺旋线公差 螺旋线误差是指在中径线上，实际螺旋线相对于理论螺旋线偏离的最大代数差。又分为： (1)丝杠一转内螺旋线误差； (2)丝杠在指定长度上(25 mrn、100 mm或200 mm)的螺旋线误差： (3)丝杠全长的螺旋线误差。 螺旋线误差较全面地反映了丝杠的位移精度，但由于测量螺旋线误差的动态测量仪器尚未普及，国家标准中只对3、4、5、6级的丝杠规定了螺旋线公差。 2．螺距公差 标准中规定了各级精度丝杠的螺距公差。 【丝杠的精度等级与公差】 根据机械工业部颁布的JB2886–81《机床梯形丝杠和螺母的精度》规定，机床丝杆及其螺母分为6个等级，即4、5、6、7、8和9级，4级精度最高，9级精度最低，适用情况如下： 4级用于精度特别高的地方，如加工中心、螺纹磨床等。 5级和6级用作高精度的传动丝杠，如用于坐标镗床、齿轮磨床、不带校正装置的分度机构和测量仪器。 7级用作精确传动丝杠，如用于精密螺丝车床，镗床以及精密的齿轮加工机床。 8级用作一般传动丝杠，如用于普通螺丝车床、螺丝铣床等。 9级用作低精度传动丝杠，如没有分度盘的进给机构。 【丝杠精度的测量】 以丝杠精度为主要精度的机床，在机床大修前，都要对丝杠精度作一检查，以确定丝杠的修理措施，或修复，或更换.丝杠的检查分为综合检查和丝杠自身精度检查两种方法。具体测量方法如下: (1)按照正常工艺制造的丝杠（分冷轧滚珠丝杠和研磨滚珠丝杆）。最后螺纹加工由螺纹车床或螺纹磨床完成。完工后由检查单位在丝杠检查仪上检查精度并出具报告，作为修理的依据。 (2)在机床上安置标准线纹尺.读数显微镜，丝杠转动一个螺距或数个螺距，检查丝杠的运动精度，对于机修钳工来说，此测量方法是必须掌握的。修复后的丝杠运动精度及校正尺修正时的测量均需自己动手进行测量，进行计算，以确定机床的精度。 (3)拆下丝杠，进行清洗，首先观察丝杠的磨损情况，对丝杠的弯曲度进行检查，用齿轮卡尺测量齿厚，确定丝杠磨损程度，决定丝杠有无修复价值。一般说来，丝杠是作为丝杠副进行加工和供应的，一旦确定了丝杠的修复或更换，那么螺母就随着丝杠的修理渠道配作了。 根据不同的需求，各轴承生产厂家都有提供不同精度要求的产品，下面将是一些有关轴承的精度等级介绍 滚动轴承的精度主要分为：尺寸精度和旋转精度。 轴承精度等级标准为，分为0级、6X级、6级、5级、4级、2级六个等级。 轴承精度从0级起依次提高，对于一般用途0级已足够，但在用于表1所示条件或场合时，需要5级或更高的精度。 以上的精度等级虽然是以ISO标准为基准制定的，但其称呼在各国标准中有所不同> 轴承的尺寸精度（与轴及外壳安装有关的项目） 1、内径、外径、宽度及装配宽度的允许偏差 2、滚子组内复圆直径及外复圆直径的允许偏差 3、倒角尺寸的允许界限值 4、宽度的允许变动量 轴承的旋转精度（与旋转体跳动有关的项目） 1、内圈及外圈的允许径向跳动和轴向跳动 2、内圈的允许横向跳动 3、外径面倾斜度的允许变动量 4、推力轴承滚道厚度的允许变动量 5、圆锥孔的允许偏差和允许变动量 轴承类型与适用精度等级 GB/T30794标准将轴承等级划分为G E D C B。ISO、JIS等标准对照如下： 精度的选定 简单地说精度分级是:0,1,2,3,5,7,10共7级, 日系如日本,韩国,台湾一般称C0,C1....C10 德系如德国,西班牙一般称IT0,IT1....IT10 国内厂家两中叫法都有采用的. 表示精度的参数主要是2个: 1:任意300毫米长的导程误差; 2:有效螺纹长度的累积导程误差. 你说的0.1微米误差就丝杠本身来说即使是C0级也不能达到(0级误差E=0.003),一般机械采用C7,C10级,数控设备一般采用C5,C3级(C5较多,国内大部分数控机床都是C5级),,航空制造设备,精密投影及三坐标测量设备等一般采用C3,C2精度(据我所知,国内民品市场买不到C3以上的滚珠丝杠) 另外,C7,C10级一般采用滚轧方法制造,C5级及以上采用研磨方法制造. ?导程精度.滚珠丝杆副的导程精度,一ISO 3408-4为基准,根据使用范围及要求将滚珠丝杆副分为定位滚珠丝杆副(P),传动滚珠丝杆副(T),精度分为1,2,3,4,5,7,10共七个等级,1级为最高,依次逐渐降低. ?任意300mm行程内和2 π弧度行程内的行程变动量.数据如下表所示. ?轴方向间隙.COMTOP精密滚珠丝杆之轴方向间隙预压等级,如下表所示. 等级P0 P1 P2 P3 P4 间隙有无无无无 预压无无轻中重 ?选定精度,间隙,预压等级及螺帽之参考值 精度预压及间隙螺帽形式螺杆形式 C10 (P0)有间隙单螺帽转造级螺杆 C7 P1或P0(标准) 依COMTOP目录转造或研磨级 C5 P1或P2(标准) 依COMTOP目录研磨级附导测表 C3 P1或P2(标准)或P3 依COMTOP目录研磨级附导测表 ?间隙(P0) 转造级及研磨级滚珠丝杆(P0)最大轴向间隙单位:mm 6.常用之预压(P2)参考值 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 ） 滚珠丝杆安装方式 伺服或步进电机连接滚珠丝杆，这在自动化机器里面是常见的一种结构，运动方式是将圆周转动变为直线运动。一般CNC拖板和一些精密直工作台大都是由伺服或步进电机驱动。但是这个简单的驱动，机构非常简单，主要部件为：电机、丝杆、丝杆锁紧螺母轴承座、轴承等等。但是一般丝杆均为往复式工作，要求精度非常高，有的重复精度高达0.001mm. 高精度的机构，同样要有合理的结构设计，我在这里分享一下本人的一部分经验。 一个垂直高速往复动作的钻主轴拖板，积算式运动方式。要求深度精度为0.005mm. 零件选用：P4级2504滚珠丝杆、7003C/DB角接触轴承、弹性连轴器、步进电机。 关键的这里有一个超级贵的零件------7003C/DB角接触轴承。本轴承尺寸17*35*20（单个为10），成对安装，价格为800元1对。 背靠背角接触轴承能够承受来自二个轴向方向的力，同时能够承受高速旋转和一定的径向力，因此在滚珠丝杆上是很常见一种轴承。角接触轴承的安装方式是很讲究的，不同的安装方向，所承受的力和刚性也不一样的。因此这在设计选型和安装时要特别注意。关于角接触轴承的安装和注意事项，可以上网查找一下轴承厂家的资料。 下图是基本结构: 此主题相关图片如下，点击图片看大图： 7003C/DB角接触轴承是可以调的，精度可以达到0.001mm.精度等级大于P4级。 背靠背安装方式，丝杆的另一端为悬空，如果要另一端装轴承，那么就应该安装7003CT 的轴承，CT尾号表示为串联装。串联装轴承只能承受一个方向的力。 我上述的机器为钻孔机。垂直下降，钻不锈钢，加工精度深度要求为0.01，而本机的实际精度为0.005。丝杆行程100mm，步进电机速度400转左右。 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 滚珠丝杠的安装及空隙 调节方法 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58- 【文章摘自：机械设备论坛】滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件，它是一种精密、高效率、高刚度、高寿命且节能省电的先进传动元件，可将电动机的旋转运动转化为工作台的直线运动,因此广泛应用在机械制造，特别是数控机床及加工中心上，为主机的高效高速化提供了良好的条件。 随着数控机床和加工中心工作精度要求的日益提高，滚珠丝杠副的高精度化成为发展的必然趋势，在主机上的安装精度也逐渐成为装配中的突出问题，为了达到机床坐标位置精度的要求，减少丝杠绕度，防止径向和偏置载荷，减少丝杠轴系各环节的升温与热变形，最大限度的减轻伺服电机的传动扭矩并提高机床连续工作的可靠性，就必须提高滚珠丝杠副在机床上的安装精度。 滚珠丝杠副常用的安装方式通常有以下几种：双推-自由方式；双推-支承方式；双推-双推方式。 大型卧式加工中心，是具有高性能、高刚性和高精度的机电一体化的高效加工设备，是加工各类高精度传动箱体零件及其他大型模具的理想加工设备。它的三个坐标方向均采用伺服电机带动滚动丝杠传动，三个坐标方向，即X、Y、Z的工作行程较大。 由于滚珠丝杠副的结构特点，使主机上三个方向的滚珠丝杠副的安装变得特别关键。 按照传统的工艺方法，安装滚珠丝杠一直沿用芯棒和定位套将两端支承轴承座及中间丝母座连接在一起校正、用百分表将芯棒轴线与机床导轨找正平行并令芯棒传动自如轻快的方法。 这种安装方法在三个坐标方向行程较小的小型数控机床和加工中心上应用较方便。 由于芯棒与定位套、定位套与两端支承的轴承孔以及中间的丝母座孔存在着配合间隙，往往使安装后的支承轴承孔和丝母座孔的同轴度误差较大，造成丝杠绕度增大、径向偏置载荷增加、引起丝杠轴系各环节的温度升高、热变形变大和传动扭矩增大等一系列严重后果，导致伺服电机超载、过热，伺服系统报警，影响机床的正常运行。 另外，两端轴承孔与中间丝母座孔的实际差值无法准确测量，从而影响进一步的精确调整。对于三个坐标方向行程较大的数控机床和加工中心，由于所需芯棒多在1500mm以上，加工困难，不易保证精度，因此无法采用芯棒与定位套配合的找正方法进行滚珠丝杠副的安装。 在生产某型卧式加工中心时，由于机床的三个坐标行程较大，采用传统工艺方法安装的过程中，由于两端轴承孔与中间丝母座孔同轴度超差，造成滚珠丝杠径向和偏置载荷增加，经常出现伺服电机超载、过热，伺服系统报警等现象，使机床无法连续运行，同时严重影响滚珠丝杆的使用寿命和传动精度，缩短了主机的维修周期。 利用其他装配方法，如采用移动滑鞍，缩短丝母座与轴承座的距离，将丝母座与两端轴承座分别找正的方法，由于需要两段分别找正，加上检棒和检套的配合间隙，实际应用效果也不理想，同样存在上述问题。 通过对该产品的现场技术攻关，经过多次反复的摸索与生产验证，总结出一条比较可靠的装配工艺方法。 滚珠丝杠基础知识(上) 来源: 微小型轴承网 2006-4-19 8:52:00 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、5、6、7、10级，1级精度最高，依次降低。 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 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 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℃) Lu-有效行程(Lu=Lx+2La+Ln)或Lu=L1-2Le L1-螺纹全长Le-余程Le见表6 6.2 目标行程Phs 为了补偿由于热膨胀或弹性变形引起的丝杠长度变化，将滚珠丝杠的导程制造得稍大于或小于公称导程，着根据实际需要提出得含有方向目标要求的导程叫目标导程。目标导程乘以丝杠上的有效圈数叫目标行程。 6.3 目标偏差C 目标行程和公称行程之差叫行程偏差C，为了补偿热变形的影响，行程偏差C=δt(δt见公式1)并为负值。 6.4 丝杠的预拉伸力 规定了行程偏差C的滚珠丝杠副，在采用固定-固定安装方式时，还可以采用丝杠预拉伸的方法来进一步补偿热变形，预拉伸力Ft: Ft=δt*A*E/ Lu=α*△t*E*(πd22/4)(公式2) E-弹性模量2.1×105Mpa(即2.1×105N/mm2) d2-丝杠底径(mm) △t-温升(一般取2-4℃) 7 基本额定载荷及寿命 7.1 轴向基本额定静载荷Coa 滚珠丝杠副在承受最大接触应力处产生不大于0.0001倍的钢球直径的永久变形时，所能承受的最大轴向载荷。 7.2 轴向基本额定载荷Ca：一组(相当数量)相同参数的滚珠丝杠副，在相同的条件下，运转106转时，90%的滚珠丝杠副的螺纹滚道的表面或钢球的表面不发生疲劳点蚀所能承受的最大轴向载荷。滚珠丝杠
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