ISIT
1 导轨丝杠选型计算
1.1 导轨选型
① 滑块实际负载：P
② 滑块动额定负载：C
长度寿命：3
()*50C P L k m =
1.2 丝杠选型
① 丝杠轴向负载：F
② 导程：P
③ 效率：0.8
④ 丝杠所需扭矩：T
*3.14*2000*0.8*T F P =
丝杠寿命计算：
3
()*()C F L P km =
导轨的选型及计算 按结构特点和摩擦特性划分的导轨类型见表6-1[5],各类导轨的主要特点及应用列于表中。 表6-1 导轨类型特点及应用 6.1 初选导轨型号及估算导轨长度 X 方向初选导轨型号为494012GGB 20B AL2P -? [6]具体数据见《机械设计手册》9-149 Y 方向初选导轨型号为4109022G G B20AAL 1-?P 导轨的运动条件为常温，平稳，无冲击和震动 为何选用滚动直线导轨副： 1）滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。有利
于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率小，只相当普通机械的十分之一。 2）承载能力大，刚度高。 3）能实现高速直线运动，起瞬时速度比滑动导轨提高10倍。 4）采用滚动直线导轨副可简化设计，制造和装配工作，保证质量，缩短时间，降低成本。 导轨的长度： 由于导轨长度影响工作台的工作精度和高度，一般可根据滑块导向部分的长度来确定导轨长度。 其公式为： L=H+S+△l-S1-S2 由此公式估算出Lx=940mm,Ly=1090mm 其中L—导轨长度 H—滑块的导向面长度 S—滑块行程 △l—封闭高度调节量 S1—滑块到上死点时，滑块露出导轨部分的长度 S2—滑块到下死点时，滑块露出导轨部分的长度 6.2 计算滚动导轨副的距离额定寿命 X方向的导轨计算 X方向初选导轨型号为4 940 12 GGB20B AL2P- ?，查表9.3-73[1]得，这种导轨的额定动，静载荷分别为Ca=13.6kN,Coa=20.3kN。 4个滑块的载荷按表9.3-48序号1的载荷计算式计算。 其中工作台的最大重量为: G=100×9.8=980N F1=F2=F3=F4=1/4（G1+F）=250N 1)滚动导轨的额定寿命计算公式[6]为： L=（f h f t fc fa Ca/ fwPc） ε ?K=27166km 式中 L——额定寿命（km）； Ca——额定动载荷（KN）； P——当量动载荷（KN）； Fmax——受力最大滑块所受的载荷（KN）； Z——导轨上的滑块数；
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 n = 1200mm 固定端轴承到螺母间距离 L k = 1200mm 设计后丝杠总长 = 1600mm 最大行程 = 1200mm 工作台最高移动速度 V man = 14（m/min） 寿命定为 L h = 24000工作小时。 μ= 0.1 （摩擦系数） 电机最高转速 n max = 1800 （r/min） 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) 运转方式 轴向载荷 F a=F+F w（N） 进给速度 (mm/min) 工作时间比例
无切削F1=2000V1=14000q1=15轻切削F2=4000V2=1000q2=25普通切削F3=7000V3=600q3=50重切削F4=11000V4=120q4=10 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 在此为了安全性考虑：P =10(mm) 运转方式进给速度 (mm/min) 进给转速 (r/min) 无切削V1=14000n1=1400 轻切削V2=1000n2=100 普通切削V3=600n2=60 重切削V4=120n2=12平均转速 平均载荷
导轨得选型及计算 按结构特点与摩擦特性划分得导轨类型见表6-1 [5\各类导轨得主要特点及应用列于表中。 导轨类型特点及应用 表 X方向初选导轨型号为⑹具体数据见《机械设计手册》9-149 Y方向初选导轨型号为 导轨得运动条件为常温，平稳，无冲击与震动 为何选用滚动直线导轨副：
1)滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。有利于提高数控系统得响应速度与灵敏度。驱动功率小，只相当普通机械得十分之一。 2)承载能力大，刚度高。 3)能实现高速直线运动，起瞬时速度比滑动导轨提高1 0倍。 4)采用滚动直线导轨副可简化设计，制造与装配工作，保证质量，缩短时间，降低成本。 导轨得长度： 由于导轨长度影响工作台得工作精度与高度，一般可根据滑块导向部分得长度来确定导轨长度。 其公式为： L=H+S+A I -S1-S2 由此公式估算出L x = 940mm, L y = 1090mm 其中L—导轨长度 H—滑块得导向面长度 S—滑块行程 △ I—封闭高度调节量 S1 —滑块到上死点时，滑块露出导轨部分得长度 S 2—滑块到下死点时，滑块露出导轨部分得长度 6、2计算滚动导轨副得距离额定寿命 X方向得导轨计算 X方向初选导轨型号为，查表9、3-73[,]得，这种导轨得额定动，静载荷分别为Ca 二13、6kN, Coa二20、3k No 4个滑块得载荷按表9、3-48序号1得载荷计算式计算。 其中工作台得最大重量为： G二100X9、8=980N F 1 =F2=F3=F4=1/4 ( G1+F) =250N 1)滚动导轨得额定寿命计算公式⑹为： L=(仇f t fc f a Ca/ fwP c ) K =27166km 式中L ----- 额定寿命(km); Ca——额定动载荷(KN); P——当量动载荷(KN); Fmax——受力最大滑块所受得载荷(KN); Z——导轨上得滑块数；
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，
1. 马达额定转速 3000 最高速度 250 mm/s 则 丝杆导程 0.25 *60 *1000 3000 2. 根据行程长度 100mm 则确定丝杆长度150mm 3. 轴向容许负荷的计算： C 0a : 基本额定静负荷 （kN ） F amax : 容许轴向最大负荷 （kN ） fs : 静的安全系数 C Oa fs 4. 选者滚珠丝杆轴径 ￠20mm 5. 其支撑方法为 固定-------自由 型 6. 滚珠丝杆的临界转速计算 N 1 : 临界转速 （min -1) L b 安装间距 E ：杨氏模量 （2.06*105N/mm 2) I : 螺杆轴的最小断面二次矩 ( mm 4) I=πd 41 /64 (d 1螺杆轴沟槽直径） r : 密度 (7.85*106kg/mm 3) A: d: 丝杆轴沟槽直径 （mm) λ：安装方式系数 D : 滚珠中心径 N 1 =λ*(d/ L 2b ）*107=3.4*（17.2/1502)* 107=51078.6 rpm N 2 =7000/D=7000/20.75=3373.5 rpm 由于N 2< N 1 所以选较小的为临界转速，即 滚珠丝杆的临界转速为N 2 故选马达的转速为 3000rpm 7. 丝杆轴的刚性计算: Ks 螺杆轴轴向刚性 E ：杨氏模量 （2.06*105N/mm 2) d: 螺杆轴沟槽直径 （mm) L: 安装间距 （mm) Ks=πd 2E/(4*1000*L) =3.14*17.22 *2.06*105/(4*1000*150）=318.9N/um 而BNF2005 的刚性为380N/um, 故满足其要求。 8.定位精度 =5mm F amax = C 0a = 10*3.0= 30KN
滚珠丝杠选型和电机 选型计算
1.滚珠丝杠及电机选型计算 1.1 确定滚珠丝杠副的导程 根据电机额定转速和X 向滑板最大速度，计算丝杠导程。X 向运动的驱动电机选择松下MDMA152P1V ，电机最高转速为4500rpm 。电机与滚珠丝杆通过联轴器连接，传动比为0.99。X 向最大运动速度24m/min ，即 24000mm/min 。则丝杠导程为 max max 24000/ 5.390.994500 h P V i n =?=≈? 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： 000.0065009.84549.4F M g f N μ=??+=??+?= 式中： M ——工件及工作台质量， M 为500kg 。 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： max min 60/6024/10144h n n v P rpm ≈=?=?= max min 049.4F F F N ≈≈= 滚珠丝杠副的当量载荷： max min 0249.43 m F F F F N +=≈= 滚珠丝杠副的当量转速：
max min 1443 m n n n rpm += = 1.3 滚珠丝杠副预期额定动载荷 1.3.1按滚珠丝杠副的预期工作时间计算： 49.41253.0310010011 m w am a c F f C N f f ?===?? 式中： m n ——当量转速，max min 1443 m n n n rpm +== h L ——预期工作时间，测试机床选择15000小时 w f ——负荷系数，平稳无冲击选择w f =1 a f ——精度系数，2级精度选择a f =1 c f ——可靠性系数，一般选择c f =1 1.3.2 按滚珠丝杠副的预期运行距离计算： 49.416784.0411m w am a c F f C N f f ?===? 式中： s L ——预期运行距离，一般选择32410s L m =? 1.3.3 按滚珠丝杠副的预加最大轴向负载计算： max 6.749.4303.98am C f F N ε==?= 式中： e f ——预加负荷系数，轻预载时，选择e f =6.7 max F ——丝杠副最大载荷 1.4 估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量δm ()?≤4/1~1m δ重复定位精度 X 向运动的重复定位精度要求为0.03mm ，则
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
滚珠丝杠选型计算
1 丝杠许用轴向负载计算 2 2L EI n P πα = (1.1) 464 d I π = (1.2) 4 2 364d L E n P απ= (1.3) 2 丝杠许用转速 A EIg L N γπλβ 2 2 260= (2.1) kg N mm kg g /8.9*/10*7800·39-==ργ 24 d A π= (2.2)
公式推导如下： d L d L d L E A EIg L N 22 7229352222 1010*780010*10*08.214.3*260*8.01000*860260λλλρπβ γπλβ ≈===- 则 d L N 2 2 7 10 λ≈ (2.3) (2.3)公式推导过程仅适用于丝杠材料密度为7800kg/m 3 3 丝杠导程、丝杠长度、轴径、导程角 3.1 丝杠导程确定 max max N V l = (3.1) 3.2 丝杠长度确定 轴端预留量螺帽长度最大行程++= L (3.2) 3.3 轴向最大负载计算 丝杠竖直安装时，匀加速上升状态为轴向负载值最大。 ma mg mg F ++=μ (3.3) ma mg F +=μ (3.4) 3.4 丝杠轴径确定 公式(1.3)中，使F≤P ，逆运算求d 1。 4 /132164? ?? ? ??≥E n PL d απ (3.5) 根据长径比计算轴径d 2。长径比通常必须小于60。
602 ≤d L 得 60 2L d ≥ 公式(2.3)中，使N ≥Nmax ，逆运算求d 3。（丝杠材料为钢） 72 2 310*max *-≥ λ L N d (3.5) 丝杠材料为其他时，使用下面公式 E L N d 3 2231060max*8ρ βλπ≥ (3.6) 取 ),,m ax (321d d d d ≥ 3.5 丝杠导程角 d l πβ= )tan( (3.7) 4 基本额定载荷及寿命 3 /13322113 33 322321131??? ? ??++++=t N t N t N t N F t N F t N F F a a a am (4.1) 平均转速如下 3 213 32211t t t t N t N t N N m ++++= (4.2) 基本额定静载荷
丝杠的选型及计算 3.1丝杠的介绍 3.1.1丝杠螺母机构基本传动形式： 丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。它主要用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动，有以传递能量为主的（如螺旋压力机），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠）。 丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能。但其摩擦阻力大，传动效率低（30%~40%）。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂制造成本高。但其最大优点是摩擦阻力小，传动效率高（92%~98%），因此选用滚动丝杠螺母机构。 根据工作台运动情况，应选择丝杠传动螺母移动的形式，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑，丝杠刚性较好，适用于工作行程较大的场合。 3.1.2滚珠丝杠副的组成及特点: 滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件—滚珠。滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。 滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，除上述优点外，还具有轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构时，需要采取制动等措施。 3.1.3滚珠丝杠的结构形式 按照用途和制造工艺的不同,滚珠丝杠副的结构形式很多。一般,根据钢球的循环形式,消除轴向间隙和调整预紧的方法以及螺纹滚道法向截面形状的不同,将其区分成不同的结构形式进行研究。 1)钢球循环方式 按钢球返回时是否脱离丝杠表面可分为内循环和外循环两大类，见表3-1[1]。若钢球在循环过程中，始终与丝杠表面保持接触，称内循环；否则，称外循环。通常，把在同一螺母上所具有的循环回路的数目，称为钢球的列数，常用的有2~4列。而把每一循环回路中钢球所经过的螺纹滚道圈数（导程数）称为工作圈。
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。
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
1.滚珠丝杠及电机选型计算 1.1 确定滚珠丝杠副的导程 根据电机额定转速和X 向滑板最大速度，计算丝杠导程。X 向运动的驱动电机选择松下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 滚珠丝杠副的当量转速： 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按滚珠丝杠副的预期工作时间计算： 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
确定滚珠丝杠副的导程 根据电机额定转速和X 向滑板最大速度，计算丝杠导程。X 向运动的驱动电机选择松下MDMA152P1V ，电机最高转速为4500rpm 。电机与滚珠丝杆通过联轴器连接，传动比为。X 向最大运动速度24m/min ，即24000mm/min 。则丝杠导程为 max max 24000/ 5.390.994500 h P V i n =?=≈? 实际取mm P h 10=，可满足速度要求。 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，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。则导轨静摩擦力： 000.0065009.84549.4F M g f N μ=??+=??+?= 式中： M ——工件及工作台质量， M 为500kg 。 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： max min 60/6024/10144h n n v P rpm ≈=?=?= max min 049.4F F F N ≈≈= 滚珠丝杠副的当量载荷： max min 0249.43 m F F F F N +=≈= 滚珠丝杠副的当量转速： max min 1443 m n n n rpm += = 滚珠丝杠副预期额定动载荷 1.3.1按滚珠丝杠副的预期工作时间计算： 49.41253.0310010011 m w am a c F f C N f f ?===?? 式中： m n ——当量转速，max min 1443 m n n n rpm +== h L ——预期工作时间，测试机床选择15000小时 ——负荷系数，平稳无冲击选择w f =1 a f ——精度系数，2级精度选择a f =1
1 丝杠许用轴向负载计算 2 2L EI n P πα = (1.1) 464d I π = (1.2) 公式(1.2)带入(1.1)得 4 2 364d L E n P απ= (1.3) 2 丝杠许用转速 A EIg L N γπλβ 2 2 260= (2.1) kg N mm kg g /8.9*/10*7800·39-==ργ 24 d A π= (2.2)
公式推导如下： d L d L d L E A EIg L N 22 7229352222 1010*780010*10*08.214.3*260*8.01000*860260λλλρπβ γπλβ ≈===- 则 d L N 2 2 7 10 λ≈ (2.3) (2.3)公式推导过程仅适用于丝杠材料密度为7800kg/m 3 3 丝杠导程、丝杠长度、轴径、导程角 3.1 丝杠导程确定 max max N V l = (3.1) 3.2 丝杠长度确定 轴端预留量螺帽长度最大行程++ =L (3.2) 3.3 轴向最大负载计算 丝杠竖直安装时，匀加速上升状态为轴向负载值最大。 ma mg mg F ++=μ (3.3) 丝杠水平安装时，匀加速移动状态为轴向负载值最大。 ma mg F +=μ (3.4) 3.4 丝杠轴径确定 公式(1.3)中，使F≤P，逆运算求d 1。 4 /132164? ?? ? ??≥E n PL d απ (3.5)
根据长径比计算轴径d 2。长径比通常必须小于60。 602 ≤d L 得 60 2L d ≥ 公式(2.3)中，使N≥Nmax，逆运算求d 3。（丝杠材料为钢） 72 2 310*max *-≥ λ L N d (3.5) 丝杠材料为其他时，使用下面公式 E L N d 32231060max*8ρ βλπ≥ (3.6) 取 ),,m ax (321d d d d ≥ 3.5 丝杠导程角 d l πβ= )tan( (3.7) 4 基本额定载荷及寿命 相关公式如下表： 平均载荷计算如下： 3 /13322113 33 322321131??? ? ??++++=t N t N t N t N F t N F t N F F a a a am (4.1)
滚珠丝杠的选型计算
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=0.2m/s 5、加速时间：t=0.1s 6、行程：1000mm；
7、精度：0.1mm 三、计算过程： 1、计算加速度：a=v/t=0.2/0.1=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9.8；μ：摩擦系数，平面导轨取值0.1，线轨取值：0.05； a加速度) F=50*9.8*0.05+50*2+50*9.8=614.5N 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 0.1mm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=614.5N=62.7kgf；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=62.7*8=501.6kgf；查询丝杠的表格，16-5T3的丝杠，其动负荷是1000kgf；
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 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
1 丝杠许用轴向负载计算 (1.1) 2 丝杠许用转速 P L 2 4 (1.2) N 60 2 EIg 2 L 2 A (2.1) n 2 EI 3 n 3E 2 64L 2 d 4 (1.3)
· 60 2 EIg 60 E*1000 2d 0.8*60 2.08* 105 * 103 2 d 2 L 2 A 8 L 2 d 2* 3.14 7800*10 9 L 2 d 3 丝杠导程、丝杠长度、轴径、导程角 3.1 丝杠导程确定 V max Nmax 4 (2.2) 公式推导如下： 2 107 L 2d N 107 L 2d (2.3) (2.3)公式推导过程仅适用于丝杠材料密度为 7800kg/m mm (3.1) A d 2
3.2 丝杠长度确定 L 最大行程 螺帽长度 轴端预留量 (3.2) 3.3 轴向最大负载计算 丝杠竖直安装时，匀加速上升状态为轴向负载值最大。 丝杠水平安装时，匀加速移动状态为轴向负载值最大。 F mg ma (3.4) 3.4 丝杠轴径确定 公式 (1.3)中，使 F ≤P ，逆运算求 d 1。 根据长径比计算轴径 d 2。长径比通常必须小于 60。 d L 2 60 d 2 6L 公式(2.3)中，使 N ≥Nmax ，逆运算求 d 3。(丝杠材料为钢) d3 Nma 2x* L 2 *10 7 d 1 64PL 2 n 3 E (3.5) (3.5)
丝杠材料为其他时，使用下面公式 4 基本额定载荷及寿命 相关公 式 如 下 表 ： 平均转速如下 d tan( ) l (3.7) d 3 2 8 N max* L 2 60 2 103E (3.6) 取 3.5 丝杠导程 角 d max( d 1,d 2,d 3) am F a 31N 1t 1 F a 32 N 2t 2 F a 3 3 N 3t 3 N 1t 1 N 2t 2 N 3t 3 1/3 (4.1)
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 μ m /300mm 全行程25μ m 重复定位精度10μ m 要求寿命20000小时 (两班制工作十年)。 切削方 式纵向切削 力 Pxi(N) 垂向切削 力 Pzi(N) 进给速度 Vi(m/min) 工作时间百 分比 % 丝杠轴向载 荷 (N) 丝杠转 速 r/min 强力切 削 2000 1200 0.6 10 2920 60 一般切 削 1000 200 0.8 30 1850 80 精切削500 200 1 50 1320 100 快速进 给 0 0 8 10 800 1500 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
1 丝杠许用轴向负载计算 2 2L EI n P πα = (1.1) 464 d I π = (1.2) 公式(1.2)带入(1.1)得 42 364d L E n P απ= (1.3) 2 丝杠许用转速 A EIg L N γπλβ 2 2 260= (2.1) kg N mm kg g /8.9*/10*7800·39-==ργ 24 d A π= (2.2)
d L d L d L E A EIg L N 22 72 29352222 1010*780010*10*08.214.3*260*8.01000*860260λλλρπ β γπλβ ≈===- 则 d L N 2 2 7 10 λ≈ (2.3) (2.3)公式推导过程仅适用于丝杠材料密度为7800kg/m 3 3 丝杠导程、丝杠长度、轴径、导程角 3.1 丝杠导程确定 max max N V l = (3.1) 3.2 丝杠长度确定 轴端预留量螺帽长度最大行程++= L (3.2) 3.3 轴向最大负载计算 丝杠竖直安装时，匀加速上升状态为轴向负载值最大。 ma mg mg F ++=μ (3.3) 丝杠水平安装时，匀加速移动状态为轴向负载值最大。 ma mg F +=μ (3.4) 3.4 丝杠轴径确定 公式(1.3)中，使F≤P ，逆运算求d 1。 4 /132164? ?? ? ??≥E n PL d απ (3.5)
根据长径比计算轴径d 2。长径比通常必须小于60。 602 ≤d L 得 60 2L d ≥ 公式(2.3)中，使N ≥Nmax ，逆运算求d 3。（丝杠材料为钢） 72 2 310*max*-≥ λ L N d (3.5) 丝杠材料为其他时，使用下面公式 E L N d 32231060max*8ρ βλπ≥ (3.6) 取 ),,max(321d d d d ≥ 3.5 丝杠导程角 d l πβ= )tan( (3.7) 4 基本额定载荷及寿命 相关公式如下表： 平均载荷计算如下： 3 /13322113 33 322321131??? ? ??++++=t N t N t N t N F t N F t N F F a a a am (4.1)