滚珠丝杆设计步骤及其思路资料

1、1.确定滚珠丝杠副的导程Ph由传动关系图，工作台最高移动速度Vmax,电机最高转速nmax,传动比i等确定PhVmaxPh二：i,nmax当电机与滚珠丝杠副直联时i=1VmaxPh-nmax计算出的Ph要取较大值圆整。2 .滚珠丝杠副的载荷及转速计算最小载荷Fmin机器空载时滚珠丝杠副的传动力，如工作台重量引起的摩擦力。最大载荷Fmax选机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力。如机床切削时，切削力滚珠丝杠轴向的分力与导轨磨擦力之和即为Fmax（这时导轨磨擦力是由工作台、工件、夹具三者总的重量以及切削力在垂直导轨方向的分量共同引起）。滚珠丝杠副白当量转速nm及当量载荷Fm滚珠丝杠副在n1,n2,n

2、3,nn各种转速下，各转速工作时间占总时间的百分比分别为ti%,t2%,t3%tn%,所承受的载荷分别是Fl,Fl,FlFnnm=n1t1%n2t2%nntn%Fm/Fl%F23n2t2%Fn3nntn%nm当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算:nmnmax,nmin2Fm2Fmax-Fmin33 .确定预期额定动载荷|按滚珠丝杠副的预期工作时间Lh（小时）计算:Cm=3,60nmLhLFf,（N）100afc按滚珠丝杠副的预期运行距离Ls（千米）计算:fafcFmfw（N）有预加负荷的滚珠丝杠副还需按最大轴向负荷Fmax计算:Camfemax式中Lh一预期工

3、作时间（小时）（见表-5）。Ls一预期运彳T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。一般情况下=1。在重要的场合，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Lh机械类型Lh（小时）备注普通机械500010000普通机床1000020000数控机床20000Lh=250（天）x16（时）精密机床20000x10（年）x0.5（开机率）测示机床15000航空机械1000表-6精度系数fa精度等级1,2

4、,34,5710fa1.0表-7可靠性系数fc可靠性909596979899fc1.00.620.530.440.330.21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fw1.52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以上3种计算结果中选择较大值为滚珠丝杠副的Cam。4 .按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量m一般情况下，影响死区间隙的主要因素按影响程度自大到小排列顺序是：a.滚珠丝杠本身的拉压刚度Ks;b.支承轴承的轴向刚度Kb;c.滚珠丝杠副中滚珠

5、与滚道的接触刚度Kc；d.折合到滚珠丝杠上伺服系统的刚度Kr；e.联轴节的刚度Kt；f.滚珠丝杠副的扭转刚度Kk；g.螺母座，轴承座的刚度Kh所以滚珠丝杠副传动系统的刚度K可按下式计算：KKsKbKcKrKtKkKh1111其中刖二项最王要，而Ks又占总量的（1/31/2）。所以一般情况下可按下式计算：KKsKbKc机械装置中移动部件处在不同位置时第统刚度K是不同的的刚度最小处用Kmin表示。当滚珠丝杠副轴向有工作载荷作用时，传动系统中使产生弹性变形6,且6=F/K。从而影响系统的传动精度，而Km.处系统受影响最大。机床或机械装置的伺服系统精度大多在空载下检验。空载时作用在滚珠丝杠副上最大轴向

6、工作载荷是静摩擦力F。移动部件在Kmin处起动和返回时，由于Fo方向变化将产生误差2Fo/Kmin（又称摩擦死区误差）。它是影响重复定位精度的主要因素。一般占重复定位精度的（1/21/3）。所以规定滚珠丝杠副允许的最大轴向变形：6m=且-i-2i,重彳复定位精度影响定位精度最主要因素是滚珠丝杠副的精度，其次是滚珠Kmin23丝杠本身的拉压弹性变形（因这各弹性变形随滚珠螺母在滚珠丝杠上位置变而变化）。以及滚珠丝杠副摩擦力矩的变化等。一股估算是*E（1/41/5）定位精度。以上两种方法估算出的小值取为值（单位pm）。估算滚珠丝杠的底径d2ma.滚珠丝杠副安装方式为一端固定，一端自由或游动时（见图-

7、3）d2m之2M1011科=0.078注也,二,：mE，二m式中:E一杨氏弹性模量2.1M105N/mm2;dm估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（）F0导轨静摩擦力（N）F0=W；L一滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离（mm）L也行程+安全行程+余程+螺母晨度的一半+支承晨度的一半上行程+（24）Ph+4R+（46）R+（1/201/10）行程之（1.051.1）行程+（1014）Phb.滚珠丝杠副安装方式为两端支承或两端固定（见图-3）10F0LFLd2m-100=0.039：mE、：m式中：L一两个固定支承之间的距离（mm）L之行程+安全距离+两个余程+螺母长度+一个支承长度也（1.1

8、1.2行程+（1014Ph5 .确定滚珠丝杠副的规格代号根据传动方式及使用情况，按照样本可以确定滚珠螺母型式。按照已估算出的Ph,Cam可在样本中查出对应的滚珠丝杠底径d2,额定的动载荷Ca应注意d2呈d2m,Ca二Cam但不宜过大，否则会使滚珠丝杆副的转动惯量偏大，结构尺寸也偏大。接着再确定公称直径。循环圈数，滚珠螺母的规格代号及有关的安装连接尺寸。6 .对预紧滚珠丝杠副，确定其预紧力Fp当选择预紧螺母型式的滚珠丝杠副时需定预紧力Fp。1当最大轴向工作载荷Fmax确定时：Fp=%Fmax3当最大轴向载荷不能确定时：Fp-Cap式中E值按表-10选择，Ca是额定动载荷，可在样本上查到。表-10

9、预加负荷类型轻预载中预载重预载0.050.0750.17 .对预拉伸的滚珠丝杠副，计算行程补偿值C和预拉伸力Ft对于两端固定支承，需要预拉伸的滚珠丝杠副应规定目标行程补偿值C,并计算预拉伸力C=tLu=11.8tLu10p式中：C行程补偿值（iim）At温度变化值25ca一丝杠的线膨胀系数11.8X106/度Lu一滚珠丝杠副的有效行程（mm）Lu为工作台行程+螺母长度+两个安全行程行程+（814）Ph2iaea2Ft=:：t=E=1.95td2L4式中：Ft预拉伸力（N）,d2一滚珠螺纹底径（mm）,E一杨氏弹性模量2.1X1C5（N/mmjAt一滚珠丝杠的温升25c8 .确定滚珠丝杠副支承所

10、用的轴承规格型号计算轴承所受的最大轴向载荷Fbmax,有预拉伸的滚珠丝杠副应考虑到预拉伸力Ft按滚珠丝杠副的要求选择轴承的型号。确定轴承内径：为便于丝杠加工，轴承内径最好不大于滚珠丝杠的大径。在选用内循环浮动式滚珠丝杠副时必髯有一端轴承内径略小于丝杠底径d2,其次轴承样本上规定的预紧力应大于轴承所承受最大载荷Fbmax的1/3有关轴承的其它验算项目可查轴承样本9 .滚珠丝杠副工作图设计滚珠丝杠副的螺纹长度Ls=Lu+2LeLe余程见P67页表-3中Le,Lu=行程+螺母长度滚珠螺母的安装连接尺寸可查样本。滚珠螺母不应该承受径向载荷及颠覆力矩，应使作用在螺母上的轴向合力通过丝杠轴心。可以用螺母的

11、外圆柱面及法兰凸缘的内侧作安装基准，同时要求螺母座孔与丝杠轴承孔同心。螺母座孔端面与螺母座孔轴线垂直。当所受载何冲击力不大时，可仅用螺母法兰凸缘的内侧面作安装基准面，这时应保证螺母座面与导轨垂直，装配时应找螺母外圆与丝杠支承轴承孔同心。插管式滚珠丝杠副水平安装时，为使滚珠的循环更加流畅，应将插管置于滚珠丝杠轴线的上方。设计螺母座，轴承座及紧固螺钉时要注意保证足够的刚性。在承载方向设计加强筋。由工作图确定滚珠丝杠长度尺寸。10 .电机的选择作用在滚珠丝杠副上各种转矩计算外加载荷产生的摩擦力矩Tf（N.m）Tf10,滚珠丝杠副预加载荷Tp产生的预紧力矩（N.m）FpR1-2102-2式中:Ph一滚

12、珠丝杠副导程“一未预紧的滚珠丝杠副效率(1、2、3级精度的丝杠7=0.9,4级精度以下的丝杠7=0.855)F一作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷，不同情况下取值不一样。若计算电机启动转矩时，机械是空载起动，F是导轨摩擦力(垂向动动F还包括机构重量)；若计算电机工作转矩时，F还包括导轨摩擦力和工作载荷(垂向运动F还包括机构重量)。负荷转动惯量JL(kg.m2)及传动系统转动惯量J(kg.m2)的计算。Jl八Ji()2mj(，)2nm2nmJ=JmJL式中Ji,仆一各旋转件的转动惯量(kg.m2)和转速(r/min)mj,vj各直线运动件的质量(kg)和速度(m/min)Jm,nm电机的转动惯量(

13、kg.m2)和转速(r/min)加速转矩Ta和最大加速转矩Tam当电机转速由n1升至n2时：Ta=J.2一n2)60ta.2二n当电机从静止长至nmax:Tam=J-60、n电机转速(r/min)nmax一电机最高转速(r/min)ta一加速时间ta定(34)tm或者按性能要求自定tm电机时间常数。可查电机样本电机最大启动转矩Tr(N.m)T.=Tm十(Tf+Tp+T.+Tf)i+Te式中：i一电机到滚珠丝杠副的传动比。直联i=1oTb、Tf分别为滚珠丝杠副两端支承产生的力矩Te一不在滚珠丝杠副上的其它传动组件的摩擦力矩折算到电机上的值。电机连续工作的最大转矩：机械在最大工作载荷下连续均匀运转

14、时的电机转矩Tm(N.m)Tm=TfTpTbTfiTe按照样本选用电机时要注意以下三方面：a.惯量匹配按所选电机的说明书。b.验算电机的最大转矩呈Tr0c.验算电机的额定转矩呈Tm且Tm在电机的连续工作区间。11.传动系统刚度计算一、.11111111传动系统的刚度K计算+(式1)KKsKbKrKdKtKhK：,式中Ks一滚珠丝杠副的拉压刚度，计算见下页说明。Kb一滚珠丝杠支承轴承的轴向刚度，可查轴承样本及有关数据。Kc一滚珠丝杠副滚珠与滚道的接触刚刚度可查样本。Kr一折合到滚珠丝杠副上伺服刚度，一般情况可忽略不计，精确计算按Kr=KR()2其中kr=KsKt(1+KV0)有关数据可查PhKm

15、Rm伺服电机样本。(一滚珠丝杠中螺母体刚度。一般可忽略不计，精确计算按Kd定4Kc估算。2二、2,Kt一折合到滚珠丝杠的联轴节刚度，一般可忽略不计，精确计算按Kt=Kt(-)其中Kt是样本中介Ph绍的联轴刚度。Kh螺母座、轴承座刚座。一般情况下可忽视不计，精确计算可用有限元计算K厂滚珠丝杠的副的扭转刚度。可忽略不计111综上所述：一般校核计算时可将式(1)简化为：K=+(式2)KsKbKc计算Ks(N/m)滚珠丝杠副的拉压刚度Ks是滚珠螺母至丝杠轴向固定外距离a(mm)的函数。见图-4.曲线2曲线1图-4拉压刚度与行程关系行程比n=L/L1曲线1:一端固定，另一端自由或游动；曲线2:两端固定或

16、支承。_.22-dqE3d2,ta.丝杠支承形式为一端固定，另一端自由或游动：=3一父10.=1.65生父102式中4aa人一拉压刚度(N/mm2)E杨氏弹T生模量2.1父105(N/mm2)d2一丝杠底径(mm)d22当a=L1（珠螺母至固定支承的最大距离）时刚度最小（见图-3）:Ksmin=1.65X10d；2当a=L0（靠固定端的行程起点处）时刚度最大（见图-3）:Ksm=1.65=m10Lob.支承形式为两端支承或两端固定：KsE:6.6d；L1024a（Li-a）4a（Li-a）当a=L2（螺母处在两支承的中点时）刚度最小）（见图-3）:Ksnm=6.6x102Li当a=L0时（螺母

17、处在行程两端处）刚度最大：KSmax=6.6曳L102smax4Lo(Li-Lo)计算Kb(N/m)a.未预紧轴承的刚度Kb一对预紧轴承组合的刚度Kbo可以从样本中查找，也可以按表-11中公式近似计算。滚子轴承的预紧力FP:-Famax2表中:P一轴承接触角（deg）dQ一滚动体直径（mm）表-11计算Kb与Kbo轴承类型KB(N/Nm)KBo(N/Nm)角接触球轴承（6000型）2.343/dqZ2Fasin5P2M2.343/dQZ2Famaxsin5P推力球轴承（8000型）1.953/dQZ2Fa2X1.953/dQZ2Famax圆锥滚子轴承（7000型）-7o.1.9R,0.80.9

18、0.17.8sin叫ZFa2M7.8sin1.9PLr0.8Z0.9Famax1推力圆柱滚子轴承（9000型）rc.0.8_,0.9L0.17.8LrZFarc.0.8_,09l0.12M7.8LrZFamax注：运用表中公式的条件是：球轴承的预紧力11FPFamax_Famax2/23Lr一滚子的有效长度（mm）Z一滚动体个数Fa一轴向工作载荷（N）Famax最大轴向工作载荷（N）b.滚珠丝杠副支承轴承的刚度Kb（见表-12）表-12Kb值确定一端固7E,站自由Kb=Kbo二端支承预紧Kb=KB的紧Kb=Kb一端周aE端游动固定端预紧Kb=Kbo二端固定固定端预紧Kb=2KboKc计算F二a

19、.对不预紧的俊珠丝杠副，轴向工作载荷为F(N)Kc=KC()30.1Ca式中：Kc一查样本上的刚度(N/Nm)Ca一额定动载荷1b.对预紧的滚珠丝杠副，轴向预紧载荷Fp(N)Kc=KJ01C-j式中：KC与Ca的定义同上。12 .传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择将Ksmax,Kb,Kc及其它有关值代入前面的式1或式2,得Kmx。将Ksm替换Ksmax代入得Kmin,由于数控机床的精度在机床空载下验收，=2F0/Kmin称摩擦死区误差。F0是机床空载时导轨上的静摩擦力。、*=FojKminJB/GQ1140-8觎定的数控机1、|称为传动系统刚度变化引起的定位误差。按Kmax床反向差值主要取

20、决于，而定位误差主要取决于滚珠丝杠副的精度。其次是超传动系统的刚度验算0.8三反向差值，即Kmin之1.6F0/反向差值。滚珠丝杠副的精度选择开环控制系统中使用的滚珠丝杠副：ep+4工0.8父(定位精度-葭)ep+V300p0.8x(300mmne位-)半死循环控制系统或可以行程补偿的开环系统：ep40.8父(定位精度-)V3000.8x(30mmMm位-)先根据使用情况选择滚珠丝杠的类型(P类或T类)，然后参照滚珠丝杠副的精度标准表。(见p66页表-2)。按上述两式计算结果确定滚珠丝杠副的eD,VUD或V3000从而确定滚珠丝杠副的精度等级。pUp300p13 .滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc的效检（验算压杆稳定性）do5Fc=K1K2-x10至Fmax式中：d2一俊珠丝杠螺纹底径，取样本数据（mm）Lc1一慑珠丝杠副的最Lc1大受长度（mm）