滚珠丝杠副的验算

2020/4/51第四章数控机床的进给传动系统2020/4/52第四章数控机床的进给传动系统•4.1概述•4.2滚珠丝杠螺母副•4.3导轨滑块副•4.4静压蜗杆—蜗轮条传动•4.5直线电动机传动•4.6进给传动系统常见故障诊断及维修为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，对机械传动装置提出如下要求：(1)减少摩擦阻力；(2)减少运动惯量；(3)高的传动精度与定位精度；(4)宽的进给调速范围；(5)无间隙传动；(6)响应速度要快;(7)稳定性好、寿命长;(8)使用维护方便。4.1概述2020/4/544.2滚珠丝杠螺母副一、滚珠丝杠螺母副概述滚珠丝杠螺母副（简称滚珠丝杠副）是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间传动元件的丝杠副，是直线运动与回转运动能相互转换的传动装置。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母(或丝杠)轴向移动。与传统丝杠相比，滚珠丝杠螺母副具有高传动精度、高效率、高刚度、可预紧、运动平稳、寿命长、低噪音等优点。2020/4/55二、滚珠丝杠副的循环方式常用的循环方式有外循环与内循环两种。（1）外循环滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环。（2）内循环滚珠在循环过程中，始终与丝杠保持接触的称为内循环2020/4/56三、滚珠丝杠副的预紧滚珠丝杠副预紧的目的是为了消除丝杠与螺母之间的间隙和施加预紧力，以保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度。在数控机床进给系统中使用的滚珠丝杠螺母副的预紧方法有修磨垫片厚度、锁紧双螺母消隙、齿差式调整方法等。广泛采用的是双螺母结构消隙。2020/4/57（1）修磨垫片消隙式通过调整垫片厚度使左右两螺母产生轴向位移，即可消除丝杠螺母间的间隙并产生预紧力。（2）锁紧双螺母消隙式用两个锁紧螺母调整丝杠螺母的预紧量。2020/4/58（3）齿差消隙式在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与紧固在螺母座两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为和，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于螺母座同方向转动一个齿（则螺母1沿轴向移动，螺母2移动），然后插上内齿轮，再将内齿轮紧固，则两个螺母便产生相对轴向位移，位移量为（为丝杠导程）。2020/4/59四、滚珠丝杠副的应用（一）滚珠丝杠副的支承常见安装方式有以下四种情况:(1)固定—自由适用于低转速，中精度，短轴向丝杠。(2)支承—支承适用于中等转速，中精度。(3)固定—支承适用于中等转速、高精度。(4)固定—固定适用于高转速、高精度。2020/4/510（二）滚珠丝杠副的选择方法选用要点：应该根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠副的精度，根据机床的载荷来选定丝杠的直径，并且要验算丝杠扭转刚度、压曲刚度、临界转速与工作寿命等。精度等级的选择：滚珠丝杠副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级精度的滚珠丝杠副。2020/4/511（三）滚珠丝杠副的验算（1）刚度验算刚度验算就是校验丝杠在额定轴向(扭转)载荷作用下，执行件的失动量。（2）临界转速验算应校核丝杠轴的转速与丝杠自身的自振频率是否接近，如果很接近，会导致强迫共振，影响机床正常工作。应根据有关计算公式进行的校核。（3）寿命验算滚珠丝杠副的寿命，主要是指疲劳寿命。2020/4/512（四）制动装置目前常见的有机械式和电气式两种。电气方式制动是采用电磁制动器，而且这种制动器就做在电机内部。FANUC公司伺服电机带制动器的示意图。机床工作时，在制动器线圈7电磁力的作用下，使齿轮8与内齿轮9脱开，弹簧受压缩，当停机或停电时，电磁铁失电，在弹簧恢复力作用下，齿轮8、9啮合，齿轮9与电机端盖为一体，故与电机轴联接的丝杠得到制动，这种电磁制动器装在电机壳内，与电机形成一体化的结构。2020/4/513（五）滚珠丝杠副的润滑及防护装置润滑方式主要有以下两种：润滑脂、润滑油。润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，某些生产厂家在装配时螺母内部已加注润滑脂。而润滑油的给油量随行程、润滑油的种类、使用条件等的不同而不同。2020/4/514五、滚珠丝杠副的发展趋势高速加工用的进给滚珠丝杠要采取改进措施，如加大丝杠的导程和增加螺纹的头数，前者为提高丝杠每转的进给量(即进给速度)，后者则为弥补丝杠导程增大后所带来的轴向刚度和承载能力的下降;将实心丝杠改为空心的;改进回珠器和滚道的设计制造质量，使滚珠的循环更流畅，摩擦损耗更少;采用滚珠丝杠固定等.2020/4/515一、数控机床对导轨滑块副的要求(1)导向精度高(2)耐磨性好(3)刚度大(4)良好的磨擦特性4.3导轨滑块副2020/4/516二、导轨副的分类导轨副按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、静压导轨和滚动导轨。(1)滑动导轨特点:摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、工艺性好、速度较低.滑动导轨分为金属对金属的一般类型的导轨和金属对塑料的塑料导轨两类。2020/4/5172、静压导轨液体静压导轨指压力油通过节流器进入两相对运动的导轨面，所形成的油膜使两导轨面分开，保证导轨面在液体摩擦状态下工作。3、滚动导轨摩擦系数小、运动轻便、位移精度和定位精度高、耐磨性好、抗震性较差、结构复杂、防护要求较高。2020/4/518三、滚动导轨的结构(1)滚动导轨的结构滚动直线导轨副为四方向等载荷带球保持器型滚动直线导轨，是较常见的一种导轨副。图中1是支承导轨，上面装有滑块8，在滑块8中装有4组滚珠，在支承导轨和滑块间的直线滚道内滚动。当滚珠3滚动到滑块的端面时，经挡板6由回珠孔返回另一端，从而循环工作。其中4为保持架，2为侧面密封垫。密封垫5是用来防止灰尘进入导轨。9为润滑油嘴，可从此注入润滑油。滚珠3之间用保持器7分开，滚珠之间不发生碰撞，降低了导轨副中在运动中产生的噪音，称之为低噪音型滚动直线导轨。2020/4/519四、滚动导轨的载荷、寿命计算（一）载荷计算滚动导轨所承受的载荷，受到很多因素的影响，如配置形式（水平、垂直或斜置等）、移动的重心和受力点的位置、移动导轨牵引力的作用点、起动及停止时的惯性力，以及切削阻力作用等。2020/4/520（二）寿命计算滚动直线导轨副的寿命计算公式为：350htcawffffCfFLL—额定寿命（km）C—额定动载荷F—工作载荷—硬度系数—温度系数—接触系数—精度系数—载荷系数hftfcfafwf2020/4/521滚动导轨块寿命计算的公式为：如果寿命以h计算，式中——行程长度（m）——每分钟往复次数如已选定滚动导轨的型号，即已知C，可据此计算预期寿命；如给定预期寿命，可由Lh计算L，再计算额定动载荷C，据此选定导轨的型号。103100htcawffffCfFL310260LhnlLln2020/4/522五、滚动导轨的安装、预紧滚动直线导轨副的安装固定方式主要有螺栓固定、压板固定、定位销固定和斜楔块固定。在实际使用中，通常是两根导轨成队使用，其中一条为基准导轨，通过对基准导轨的正确安装，以保证运动部件相对于支承元件的正确导向。预紧是为了提高滚动导轨的刚度。预紧可提高接触刚度和消除间隙；在立式导轨上，预紧可防止滚动体脱落和歪斜。常见的预紧方式有采用过盈配合和调整法两种。2020/4/523一、传动原理静压蜗杆—蜗轮齿条是一种精密传动副，用于将回转运动转变为直线位移。4.4静压蜗杆—蜗轮条传动2020/4/524流体静压蜗杆蜗轮齿条机构是在蜗杆和蜗轮齿条的啮合面间注入一层高刚度的吸振油膜使两啮合面间成为液体摩擦。这层油膜不但从根本上解决了传动副的磨损问题，而且减小了传动件的制造误差对传动精度的影响，从而起到平均误差的作用。流体静压蜗杆蜗轮齿条的工作原理图中油腔开在蜗轮上，用毛细管节流的定压供油方式给该机构提供压力油。从液压泵输出的压力油，经过蜗杆螺纹内的毛细管节流器，分别进入蜗杆—蜗轮齿条的两侧面油腔内，然后经过啮合面之间的间隙，再进入齿顶与齿根的间隙，压力降为零，流回油箱。2020/4/525二、传动方案蜗杆—蜗轮齿条机构常用的传动方案有以下两种：（1）蜗杆箱固定，蜗轮齿条固定在运动件上。这种传动方案用于龙门式铣床的移动工作台进给驱动机构中。（2）蜗轮齿条固定，蜗杆箱固定在运动件上。这样行程长度可大大超过运动部件的长度。这种方案常用于桥式镗铣床桥架进给驱动机构中。2020/4/526直线电动机可以分为步进直线电动机、直流直线电动机和交流直线电动机三大类。在机床上主要使用交流直线电动机。在励磁方式上，交流直线电动机可以分为永磁(同步)式和感应(异步)式两种。4.5直线电动机传动2020/4/527一、直线电动机的工作原理直线电动机的工作原理与旋转电动机没有本质区别，可将其视为旋转电动机沿圆周方向拉伸展平的产物，对应于旋转电动机的定子部分，称为直线电动机的初级；对应于旋转电动机的转子部分，称为直线电动机的次级。当多相交变电流通过多相对称绕组时，就会在直线电动机初级和次级之间的气隙中产生一个行波磁场，从而使初级和次级之间相对移动。当然，二者之间也存在下一个垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。2020/4/528二、直线电动机的特点1、优点（1）高速响应（2）精度（3）动刚度高（4）速度快、加减速过程短（5）行程长度不受限制（6）运动噪音低（7）效率高2020/4/5292、缺点(1)效率低、功耗大、结构尺寸和自重相对较大;(2)无机械连接或啮合，不具自锁能力，设计和使用中应注意考虑外加制动措施,特别是在垂直轴进给系统应用中；(3)对运动载荷较敏感，所以当负荷变化大时，需要重新整定系统;(4)磁铁(或线圈)对电动机部件的吸力很大，因此应注意选择导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题；(5)工作过程温升高，要求强冷却。2020/4/530例举了丝杠、导轨在使用过程中常见的的故障、故障原因及维修方法。4.6进给传动系统常见故障诊断及维修2020/4/531滚珠丝杠螺母副2020/4/532外循环回流方式内循环回流方式2020/4/533螺母垫片丝杠FmFm伸张预紧垫片结构消隙2020/4/5341234567锁紧双螺母消隙式1、7-螺母2-返向器3-滚珠4-丝杠5-垫圈6-圆螺母2020/4/535螺母1螺母2螺母座内齿圈齿差调隙式2020/4/536危险转速（临界转速）固定危险轴向载荷（容许轴向载荷）自由2020/4/537支承危险转速（临界转速）危险轴向载荷（容许轴向载荷）支承2020/4/538支承危险转速（临界转速）危险轴向载荷（容许轴向载荷）固定2020/4/539危险转速（临界转速）危险轴向载荷（容许轴向载荷）固定（d）固定2020/4/540滚珠丝杠的电气制动图1-旋转变压器2-测速发电机转子3-测速发电机定子4-电刷5-永久磁铁6-伺服电机转子7-电磁线圈8-外齿轮9-内齿轮2020/4/541滑动导轨2020/4/542滚动导轨2020/4/54312578945°45°45°45°6直线滚动导轨保持器2020/4/544滚动直线导轨副的安装固定方式螺钉固定定位销固定工作台工作台工作台工作台床体床体床体床体压板固定楔形块定位2020/4/545蜗杆-蜗轮齿条传动机构1-蜗轮2-蜗杆齿条2020/4/546蜗杆-涡轮齿条工作原理1-油箱2-滤油器3-液压泵4-电动机5-溢流阀6-粗滤油器7-精滤油器8-压力表9-压力继电器10-节流器2020/4/547进给运动蜗杆箱固定式1-蜗轮齿条2-联轴器3-进给箱4-电动机5-蜗杆2020/4/548进给运动蜗杆箱移动式1-蜗杆2-涡轮齿条3-进给箱4-电动机5-蜗杆箱6-变速齿轮2020/4/549次级初级旋转电机展平为直线电机的过程（a）旋转电机（b）直线电机2020/4/550故障现象故障原因维修方法滚珠丝杠副噪声丝杠支承轴承的压盖压合情况不好调整轴承压盖，使其压紧轴承端面丝杠支承轴承可能破裂如轴承破损，更换新轴承电动机与丝杠联轴器松动拧紧联轴器，锁紧螺钉丝杠润滑不良改善润滑条件，使润滑油量充足滚珠丝杠副滚珠有破损更换新滚珠滚珠丝杠运动不灵