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一目了然的滚珠丝杆的基础入门知识滚珠丝杠的应用滚珠丝杠机构作为一种高精度的传动部件,大量应用在数控机床、自动化加工中心电子精密机械进给机构、伺服机械手、工业装配机器人、半导体生产设备、食品加工与包装、医疗设备等各种领域。
滚珠丝杠机构的结构如果将滚珠丝杠机构沿纵向剖开,可以看到它主要由丝杠、螺母、滚珠、滚珠回流管防尘等组成。
在图13-4中,各部分结构的作用如下:丝杠属于转动部件,是一种直线度非常高、上面加工有半圆形螺旋槽的螺纹轴,半圆形螺旋槽是滚珠滚动的滚道。
丝杠具有很高的硬度,通常在表面淬火后再进行磨削加工保证具有优良的耐磨性能。
丝杠一般与驱动部件连接在一起,丝杠的转动由电机直接或间接驱动。
既可以采用直联的方法,即将电机输出轴通过专用的弹性联轴器与丝杠相联传动比为1;也可以通过其他的传动环节使电机输出轴与丝杠相连,例如同步带、齿轮等(2) 螺母螺母是用来固定需要移动的负载的,其作用类似于直线导轨机构的滑块。
一般将所需要移动的各种负载(例如工作台、移动滑块)与螺母连接在一起,再在工作台或移动滑块上安装各种执行机构螺母内部加工有与丝杠类似的半圆形滚道,而且设计有供滚珠循环运动的回流管,螺母是滚珠丝杠机构的重要部件,滚珠丝杠机构的性能与质量很大程度上依赖于螺母。
(3)防尘片防尘片的作用为防止外部污染物进入螺母内部。
由于滚珠丝杠机构属于精密部件如果在使用时污染物(例如灰尘、碎屑、金属渣等)进入螺母,可能会使滚珠丝杠运动副严重磨损,降低机构的运动精度及使用寿命,甚至使丝杠或其他部件发生损坏,因此必须对丝杠螺母进行密封,防止污染物进入螺母4 滚珠在滚珠丝杠机构中,滚珠的作用与其在直线导轨、直线轴承中的作用是相同的,滚珠作为承载体的一部分,直接承受载荷,同时又作为中间传动元件,以滚动的方式传递运动。
由于以滚动方式运动,所以摩擦非常小。
(5) 油孔滚珠丝杠机构运行时需要良好的润滑,因此应定期加注润滑油或润滑脂。
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 W1=3000N 立柱最大重量W2=5000N 工作台最大行程 LK=1000mm 工作台导轨的摩擦系数:动摩擦系数μ=0.1静摩擦系数μ0=0.2 快速进给速度 Vmax=8m/min 定位精度20μm /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)。
表1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 15001)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Vm ax=8m/minnm ax=1440r/min代入得，Ph≈5.56mm由于计算出的Ph值应取较大值圆整，因此Ph=6mm2）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 V2=0.8 V3=1 V4=8代入得n 1=100 n2=133 n3=167 n4=1333（1）各种切削方式下，丝杠轴向载荷由表1查得已知W1=3000N W2=5000N代入得（3）当量转速由表1查得代入得≈267r/minnm（2）当量载荷代入得=1380NFm3）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=1.3w按表7查得：1～3取按表8查得：可靠性97%取f=0.44c=20000小时已知：Lh代入得=27899NCm计算：（2）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax=4.5按表10查得：中预载取 Fe代入得取以上两种结果的最大值=27899NCm4）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已知：重复定位精度10µm, 定位精度25µm① =3② =6取两种结果的小值=3µm(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(1.1～1.2)行程+（10～14）已知：行程为1000mm, W1=3000N ,μ=0.2代入得F=600NDm2=20.04mm5）确定滚珠丝杠副的规格代号（1）选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预形式（2）由计算出的在样本中取相应规格的滚珠丝杠副FFZD4008-5Ph=8mmCa =30700﹥Cam=278996) 确定滚珠丝杠副预紧力其中7）行程补偿值与与拉伸力（1）行程补偿值式中：=（2～4）(2) 预拉伸力代入得8）确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格（1）轴承所承受的最大轴向载荷代入得（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（3）轴承内径d 略小于取代入得（4）轴承预紧力预加负荷≥（5）按样本选轴承型号规格当d=30mm 预加负荷为：≥FBP所以选7602030TVP轴承d=30mm预加负荷为9 ) 滚珠丝杠副工作图设计(1) 丝杠螺纹长度Ls：L s =Lu+2Le由表二查得余程Le=40绘制工作图（2）两固定支承距离L1按样本查出螺母安装联接尺寸丝杠全长L（3）行程起点离固定支承距离L0由工作图得Ls=1290L1=1350L=1410L=3010 ) 电机选择（略）11 ) 传动系统刚度（1）丝杠抗压刚度1）丝杠最小抗压刚度K= 6.6 ×10sminK：最小抗压刚度 N/msmind：丝杠底径2：固定支承距离L1=575 N/mKsmin2）丝杠最大抗压刚度K=6.6 ×10smax：最大抗压刚度 N/mKsmaxK=6617 N/msmax(2) 支承轴承组合刚度1)一对预紧轴承的组合刚度=2×2.34KBO：一对预紧轴承的组合刚度 N/m KBO：滚珠直径 mmdQZ ：滚珠数Famax ：最大轴向工作载荷 N：轴承接触角由样本查出7602030TUP轴承是预加载荷的3倍dQ=7.144 Z=17 =60Kamax=8700 N/mKBO=375 N/m2）支承轴承组合刚度由表13两端固定支承K b =2 KBOKb=750 N/mKb：支承轴承组合刚度 N/m 3）滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度K C = KC(KC：滚珠和滚道的接触刚度 N/mKC：查样本上的刚度 N/mFP：滚珠丝杠副预紧力 NCa：额定动载荷 N由样本查得：K C =1410 N/m；Ca=3600N；FP=1000 N得K=920 N/mC12) 刚度验算及精度选择（1）== N/m= N/m=F已知W=5000 N ，=0.211000 NF0=：静摩擦力 NF：静摩擦系数：正压力 NW1（2）验算传动系统刚度KminK：传动系统刚度 Nmin已知反向差值或重复定位精度为10K=222＞160min（3）传动系统刚度变化引起的定位误差=1.7m（4）确定精度：任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言， V300p≤0.8×定位精度-V300p定位精度为20m/300V＜14.3m300p丝杠精度取为3级=12m＜14.3V300p(5) 确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号：FFZD公称直径：40 导程：10螺纹长度：1290丝杠全长：1410P类3级精度/1410×1290FFZD4010-3-P313) 验算临界压缩载荷：NFc丝杠所受最大轴向载荷Fmax小于丝杠预拉伸力F不用验算。
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。
丝杠的分类与工作原理
一、丝杠分类
丝杠可以根据不同的分类标准进行分类，主要包括以下两种分类方式：
1. 按用途分：滚珠丝杠、直线丝杠、传动丝杠、精密丝杠、螺旋丝杠等。
滚珠丝杠：利用滚珠在丝杠和螺母之间作滚动摩擦，边滚边引导，从而能以较低的摩擦进行平稳传动。
直线丝杠：主要用于直线传动，其结构简单，但承载能力较小。
传动丝杠：主要用于传递动力和运动，其结构较复杂，承载能力较大。
精密丝杠：主要用于高精度传动和定位，其制造精度要求较高。
螺旋丝杠：主要用于螺旋传动，其结构与滚珠丝杠相似，但工作原理不同。
2. 按结构分：滚珠丝杠、直线导轨、交叉滚子导轨等。
滚珠丝杠：由丝杠和螺母组成，利用滚珠在两者之间作滚动摩擦实现传动。
直线导轨：由滑块和导轨组成，通过滑块与导轨之间的滑动摩擦实现传动。
交叉滚子导轨：由交叉滚子、滑块和导轨组成，通过交叉滚子在滑块和导轨之间的滚动摩擦实现传动。
二、工作原理
1. 滚珠丝杠工作原理：利用滚珠在丝杠和螺母之间作滚动摩擦，边滚边引导，从而能以较低的摩擦进行平稳传动。
当丝杠旋转时，滚珠沿螺旋槽滚动，同时受到向前的推动力，从而实现丝杠的直线运动。
这种传动方式具有高精度、高刚度、高效率等优点，被广泛应用于各种机械传动系统中。
2. 直线导轨工作原理：通过滑块与导轨之间的滑动摩擦实现平稳传动。
当
滑块在导轨上滑动时，两者之间的摩擦力提供滑块运动的驱动力。
这种传动方式具有高精度、高刚度、高效率等优点，被广泛应用于各种机械传动系统中。
同时，直线导轨还具有高稳定性、低噪音、低摩擦等优点，因此被广泛应用于各种机械设备中。
一周解一惑系列：丝杆与直线导轨：高精密直线运动核心部件2023年06月26日➢ 本周关注：长盛轴承、秦川机床、华中数控、精测电子、巨星科技 ➢ 本周核心观点：关注人形机器人产业催化及通用复苏➢丝杆与直线导轨：高精密直线运动核心部件。
丝杆是一种机械传动元件，通常用于将旋转运动转换为线性运动，主要由丝杆和螺母两部分组成。
目前市场主流产品包括滚珠丝杆、梯形丝杆与行星滚柱丝杆。
直线导轨要由导轨和导向块两部分组成，导轨一般由钢或铝等材料制成，而导向块则一般由滑块、滑板等部件组成，通过在导轨上滑动实现对工件的定位和运动控制。
丝杆与直线导轨广泛应用于数控机床、自动化生产线、医疗器械、机器人、半导体等高精密机械等领域。
➢滚珠丝杆：高精密丝杆代表，2022年预计全球近20亿美元，中国近30亿元。
滚珠丝杠组件由内螺纹螺母和螺杆组成，当滚珠丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动。
国内将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副(P)和传动滚珠丝杠(T)两种，精度等级主要分为七个等级，即1/2/3/4/5/7/10级，1级精度最高，依次逐渐降低。
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。
目前全球主要的滚珠丝杆厂商有NSK 、THK 、SKF 等，CR5市占率达到约46%，日本和欧洲滚珠丝杆企业占据了全球约70%份额。
国内主要玩家包括中国台湾的上银、银泰，中国大陆的汉江、南京工艺，德国的力士乐以及日本的THK 、NSK 。
在中低端滚珠丝杆领域，中国台湾和中国大陆的企业已经实现了大规模的国产替代，而在高端市场领域，德国和日本的头部占据了90%的份额，国产化空间较大。
➢行星滚柱丝杆：丝杆里的塔尖，2022年全球规模约6.5亿元，国内约1.1亿元，欧洲企业占绝对优势。
滚珠丝杠螺母副构简图————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：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。
