数控机床滚珠丝杠副的选用与计算0

1、 数控机床滚珠丝杠副的选用与计算 中国轻骑集团济南精机有限公司技术开发科 (250101 董鹏英 郭世锋摘要 本文介绍了数控机床的设计中 , 滚珠丝杠副的选择及计算的重要性 , 并简要介绍了滚珠丝杠副选择及计算的方法 。 关键词 数控机床 滚珠丝杠副 重复定位精度 导程 定位精度 一 、 引言在数控机床的设计中 , 滚珠丝杠副的作用是将 伺服电机的旋转运动转变为直线运动 , 用较小的转 矩可以获得很大的推力 。 滚珠丝杠副的传动是一种 应用较广的机构 , 的各种机构中 , 、 又可靠的 。 。 机床的定位精度及重复定位精度的最主要的因素 。为了在机床的设计中更合理的选用滚珠丝杠 副 , 使其充

2、分发挥效能 , 必须进行一系列的计算 。二 、 滚珠丝杠副选择的内容及计算方法 :滚珠丝杠副按照传动关系 , 负载及负载条件 (振动 、 冲击 、 定位精度 、 正反向间隙 、 加工精度 、 额定寿 命等步骤进行计算选择 。11滚珠丝杠副的导程 P h :由传动关系图 , 工作台最高移动速度 V max , 电机 最高转速 n max , 传动比 i 等确定 P hP h =i n max (i =丝n 电机一般 P h 取与之相近较大的圆整值 。 21滚珠丝杠副的载荷及转速计算 。 1 最小载荷 F min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 。2 最大载荷 F ma

3、x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 , 切削力在滚珠丝杠轴向的分力与导 轨摩擦力之和即为 F max (这时导轨摩擦力是由工作 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 。3 滚珠丝杠副的当量转速 n m 及当量载荷 F m滚珠丝杠副在 n 1,n 2 n n , , 各转速工作t 1%,t 2% t n %, 所 F 12。100+ +100F m =31n 1+F 32n 2+ +F 3n n n n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 :n m =(n max +n min /2F m

4、=(2F max +F min /331确定预期额定动载荷 :1 按滚珠丝杠副的预期工作时间 L n (小时 计算 :C am =3m L h 100f a f c(N 按滚珠丝杠副的预期运行距离 L S (千米 计算 :C am =3h f a f c(N L h 预期工作时间 (小时 (见表 1 选 。 L s 预期运行距离 (km , 一般取 250km 。 f a 精度系数 。根据初定的精度等级 (见表2 选 。f c 可靠性系数 。 一般情况下 f c =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 (见表 3 选 。f w 负荷系数

5、 。 根据负荷性质 (见表 4 选 。22 精密制造与自动化 表 1机械类型 L h 备 注普通机床 1000015000数控机床 20000精密机床 2000 L h =250(天 ×16 (时 ×10(年 ×0. 5 表 2精度等级 1. 2. 34. 5710f a 1. 00. 90. 80. 7 表 3可靠性 %909596979899f 10. 620. 530. 440. 330. 21 表 4负荷性质 无冲击 轻微冲击伴有冲击f w 11. 21. 21. 51. 52 2负荷 F max 计算 :C am =f e F maxf e 预加负荷系数

6、 (见表 5 表 5预加负荷类 型轻预载 中预载 重预载f 6. 74. 53. 4 以上 1 2 两种计算结果中选择较大的为滚珠 丝杠副的 C am 。41按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺 纹底径 d 2m :1 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 K s ;b 支承轴承的轴向刚度 K b ;c 滚珠丝杠副中滚珠与滚道的接触刚度 K c ;d 折合到滚珠丝杠副上的伺服系统的刚度 K R ;e 联轴节的刚度 K t ;f 滚珠丝杠副的扭转刚度 K k ;g 螺母座 , 轴承座的风度 K

7、h所以滚珠丝杠副传动系统的刚度 K 可按下式 计算 :K =K s+K b+K c+K R+K t+K K+K h其中前三项最主要 , 而 K s 又占总量的 (1/31/ 2 。 所以一般情况下可按下式进行计算 :K=K s+K b+K c机械装置中移动部件处在不同位置时系统的刚 度 K 是不同的 , 刚度最小处用 K min 表示 。当滚珠丝 杠副轴向有工作载荷作用时 , 传动系统中便产生弹 性变形 , 且 =F/K 。 从而影响了系统的传动精度 , 而 K min 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的最大轴向工作 载荷是静摩擦

8、力 F o 。 移动部件在 K min 处起动和返向 时 , 由于 F o 方向变化将产生误差 2F o /K min (又称摩擦 死区误差 , , 3 。所以规定滚珠 :m=K min (34 重复定位精度影响定位精度最主要的因素是滚珠线杠副的精 度 , 其次是滚珠丝杠本身的拉压弹性变形 (因这种弹 性变形随滚珠螺母在滚珠丝杠上的位置变化而变 化 , 以及滚珠丝杠副摩擦力矩的变化 . . . 等 。一般 估算是 m (1/41/5 定位精度 。 以上两种方法估 算出的小值取为 m 值 (单位 m 。2 估算滚珠丝杠副的底径 d 2ma. 滚珠丝杠副安装方式为一端固定 , 一端自由 或游动时d

9、 2m 2×10mE=0. 078mE 杨式弹性模量 2. 1×155N/mm 2m 估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量 (m F o 导轨静摩擦力 (N 。 F o =u o W (u o 为静摩擦系 数 L 滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离 (mm L 行程 +安全行程 +余程 +螺母长度一半 +支承 长度的一半行程 +(24 P h +(46 P h +4P h + (1/201/10 行程 (1. 051. 1 行程 +(1014 P h b. 滚珠丝杠副安装方式为两端支承或两端固定 d 2m 10mE=0. 039mL 两个固定支承之间的距离 (mm L 行程

10、 +安全行程 +两个余程 +螺母长度 +1个 3 22002年第 2期 (总第 150期 支承长度 (1. 11. 2 行程 +(1014 P h51确定滚珠丝杠副的规格代号根据传动方式及使用情况确定滚珠螺母型式 。 按照已估算出的 P h ,C am 可在手册中先查出对应的滚 珠丝杠底径 d 2, 额定动载荷 C a , (应注意 d 2 d 2m ,C a C am 但不宜过大 , 否则会使滚珠丝杠副的转动惯量 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 。61驱动转矩的计算 :T =T 1+T 2+T 3T 1=Fd 0tg

11、( +/2T 1 螺纹力矩 T 2 T 3 轴承摩擦力矩 d O 公称直径 (mm 螺纹升角 当量摩擦角 (度 。 71, =2F o /K min称摩擦死区误差 ,F o 。 K =F o (F min -F max称为传动系统刚度变化引起的定位误差 , 由于数控机床反向差值主要取决于 , 而定 位误差主要取决于丝杠副精度 , 其次是 K1 传动系统刚度验算 0. 8 反向差值 , 即 K min 1. 6F o /反向差值 2 滚珠丝杠副精度选择 :半闭环控制系统或可以行程补偿的开环系统 V up 0. 8×(定位精度 -K V 300 0. 8×(300mm 定位精度

12、 -K 按上述两式计算结果 , 从而确定丝杠的精度等级81滚珠丝杠副临界压缩载荷 F C 校验 (验算压 杆稳定性 F C =K 1K 24L 2c1×105 F maxd 2 丝杠螺纹底径 (mm L c1 丝杠的最大受压长度 (mm F max 丝杠副承受最大轴向压缩载荷 (N K 1 安全系数 K 2 支承系数91滚珠丝杠副的极限转速 n c 的校验 (避免高速 运转时产生共振 n C =K 122L 2c2A =f 2C2107n (mm 杨氏弹性模量 2. 1×105(N/mm 2 材料密度 I 丝杠的最小惯性矩 A 丝杠的最小横面积 K 1 安全系数f , 与支

13、承有关的系数 三 、 小结在数控机床的设计中 , 滚珠丝杠的选择和计算 是非常重要的内容 , 它关系到数控机床的使用性能 及加工精度等 。 另外 , 滚珠丝杠副由于传动率高 , 故 不能自锁 , 当丝杠副用于垂直方向传动时 , 应充分考 虑到丝杠因部件自重而产生的逆传动等多方面的因 素 。 丝杠副的润滑也是不容忽视的 。(上接第 21页 1、 机床性能较国外还有不小差距 , 如螺距误差 国外达 0. 002mm , 国内一般只能达到 0. 003mm ;2、 关键件制造水平低 , 达不到设计要求 , 如主 轴 、 母丝杠等 。 国内现只能加工到微米级水平 , 对于 亚微米级加工还比较困难 ,

14、更谈不上纳米级 ; 3、 数控化进程缓慢 , 我公司虽经多年努力 , 推出 了 SK 7432系列数控丝杠磨床 (另文介绍 , 使丝杠磨床技术向前跨了一大步 , 但比国外晚了十多年 ;4、 机床外观造型 、 油漆色彩技术落后 。综上所述 , 丝杠磨床我公司经多年的研究开发 , 取得了不少成果 , 掌握了关键技术 , 开发了系列产 品 , 满足了丝杠行业的需要 , 但我们清醒地看到 , 要 进一步提高国内丝杠加工的技术并赶上国外的先进 水平 , 还需我们在丝杠磨床技术创新方面做出更大 的努力 。42 精密制造与自动化ABSTRACT &KEY WORDS NO. 22002 Mechan

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17、ping tendency , andgy.K ey words 2 2 oping status K ey technologyFieldbus and Its Application for Machine T ool Abstract :This paper introduces general information of fieldbus and s ome fam ous fieldbuses applied in indus 2 trial automation , as well as s ome illustrations applied in machine tool.K

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