【文章內(nèi)容簡介】 些要求，采取主要措施如下： （ 1）縮短傳動鏈以及預(yù)緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度。如采用大扭矩寬調(diào)速的直流電機(jī)與絲杠直接聯(lián)接，應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾動絲杠副，絲杠支承設(shè)計成兩端軸向固定的，并可用預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等辦法來提高傳動系統(tǒng)的剛度。 （ 2）盡量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸器（如用加錐銷固定的聯(lián)軸套，用鍵加頂絲緊固的聯(lián)軸套以及用無扭轉(zhuǎn)間隙的撓性聯(lián)軸器等），采用有消除間隙措施的傳動副等。 （ 3）盡量采用低摩擦的傳動，如采用靜壓導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和滾動絲杠等，以減少摩擦力。 （ 4）選用最佳的降速比，以達(dá)到提高機(jī)床分辨率，使工作臺盡可能大地加速，以達(dá)到跟蹤指令，系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)動慣量盡量小的要求。 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件。滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖 3— 1 所示 ，它可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，或者將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。因此，滾珠絲杠副既是傳動元件，也是直線運(yùn)動與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的元件。 圖 31 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠 螺母 副的工作原理、特點(diǎn)及類型 弧形的螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道，滾道內(nèi)裝滿滾珠。當(dāng)絲杠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動。因而迫使螺母（或絲杠）軸向移動。 滾珠絲杠 螺母 副的特點(diǎn)是： 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 9 （ 1）磨擦損失小、傳動效率高，高達(dá) ~（滑動絲 杠為 ~）。 （ 2）螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，傳動精度高、剛性好。 （ 3）磨擦阻力小，且?guī)缀跖c運(yùn)動速度無關(guān)，動靜磨擦力之差極小，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象，保證了運(yùn)動的平穩(wěn)性。 （ 4）磨損小，壽命長，精度保持性好。 （ 5）不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，也能將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，可滿足一些特殊要求的傳動場合，但當(dāng)立式使用時，應(yīng)增加制動裝置。 （ 6）工藝復(fù)雜，成本高。 國產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠副分為兩類：定位滾珠絲杠副（ P 類），即通過旋轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)程控制軸向位移量的滾珠絲杠副；傳動 滾珠絲杠副（ T 類），即與旋轉(zhuǎn)角度無關(guān)，用于傳遞動力的滾珠絲杠副。 此外，滾珠絲杠副通常還可根據(jù)其特征進(jìn)行分類，如按制造方法的不同分為普通滾珠絲杠副和滾軋滾珠絲杠副；按螺母類型式分為單側(cè)法蘭盤單螺母型、雙法蘭盤雙螺母型、圓柱雙螺母型、圓柱單螺母型、簡易螺母型及方螺母型等；按螺旋滾道型面分為單圓弧面和雙圓弧面；按滾珠的循環(huán)方式分為：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)式。 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) 目前國內(nèi)外生產(chǎn)的滾珠絲杠副，盡管在結(jié)構(gòu)上各種各樣，其主要區(qū)別是在螺旋滾道型面的形狀、滾珠的循環(huán)方式以及軸向間隙的調(diào)整和預(yù)加載的 方法等方面。 （ 1）、 螺紋滾道型面的形狀及主要尺寸 螺旋滾道型面（即滾道法向截形）的形狀有多種，常見的截形有單圓弧面和雙圓弧型面兩種。圖 3— 2 為螺旋滾道型面的簡圖，圖中鋼球與滾道表面接觸點(diǎn)處的公法線與螺紋軸線的垂線間的夾角稱為接觸角α。理想接觸角α =45176。 （ a） 單圓弧 （ b）雙圓弧 圖 3— 2 滾珠絲杠副螺旋滾道型面的形狀 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 10 1）型面 如圖 3— 2（ a）所示，通常滾道半徑 rn稍大于滾珠半徑 rw，通常 2rn=（ ~） Dw。對于單弧型面的螺紋滾道， 接觸角α是隨軸向負(fù)荷 F 的大小而變化。當(dāng) F=0 時，α =0，承載后，隨 F的增大，α的大小由接觸變形的大小決定。當(dāng)接觸角α增大后，傳動效率 Ed、軸向剛度 Rc 以及承載能力隨之增大。 2） 圓弧型面 如圖 3— 2（ b）所示，滾珠與滾道只在內(nèi)相切的兩點(diǎn)接觸，接觸角α不變。兩圓弧交接處有一小空隙，可容納一些臟物。這對滾珠的流動有利。 單圓弧型面，接觸角α是隨負(fù)載的大小而變化，因而軸承剛度和承載能力也隨之而變化，應(yīng)用較少。雙圓弧型面，接觸角選定后是不變的，應(yīng)用較廣。 （ 2） 、 絲杠副的循環(huán)方式 常用的循環(huán)方式有兩種：滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。 圖 3— 3 插管式外循環(huán)方式原理圖 1— 壓板 2— 彎管（回珠管） 3— 螺母 4— 滾珠 1）外循環(huán) 外循環(huán)多用螺旋槽式和插管式。圖 3— 3 所示為常用的插管式，被壓板 1 壓住的彎管 2的兩端插入螺母 3上與螺紋滾道相切的兩個孔內(nèi)，引導(dǎo)滾珠 4 構(gòu)成循環(huán)回路。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便。但徑向尺寸較大，彎管端部容易磨損。若不用彎管，在螺母 3的兩個孔內(nèi)裝上反向器，引導(dǎo)滾珠通過螺 母外表面的螺旋凹槽形成滾珠循環(huán)回路，則稱為螺旋槽式，其徑向尺寸較小，工藝也較簡單。外循環(huán)式使用較廣，其缺點(diǎn)是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動的平穩(wěn)性。 2）內(nèi)循環(huán) 內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種型式。如圖 3—4(a)所示為圓柱凸鍵反向器，反向器的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開有反向器槽 2。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的凸鍵 1定位，以保證對準(zhǔn)螺紋滾道方向。圖 3— 4(b) 為扁圓鑲塊反向器，反向器為一半圓頭平鍵形鑲塊，鑲塊嵌入螺母的切槽中，其端部開有反向槽 3，用鑲塊的外廓定位。兩種反向器比較，后者 尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 3— 4 內(nèi)循環(huán)方式原理圖 1— 凸鍵 3— 反向器 內(nèi)循環(huán)反向器和外循環(huán)反向器相比，其結(jié)構(gòu)緊湊、定位可靠、剛性好、且不易磨損、返回滾道短、不易發(fā)生滾珠堵塞、磨擦損失也小。其缺點(diǎn)是反向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、且不能用于多頭螺紋傳動。 由于滾珠在進(jìn)入和離開循環(huán)反向裝置時容易產(chǎn)生較大的阻力，而且滾珠在反向通 道中的運(yùn)動多屬前珠扒后珠的滑移運(yùn)動，很少有“滾動”，因此滾珠在反向裝置中的摩擦力矩 M 反 在整個滾珠絲杠的摩擦力矩 Mt中所占比重較大，而不同的循環(huán)反向裝置由于回珠通道的動軌跡不同，以及曲率半徑的差異，因而 M 反 /Mt值較小。 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端。對車床改造來說，外觀不必象產(chǎn)品設(shè)計要求的那么高，而從改造方便，實用方面來考慮。一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向滾珠絲杠的左端。 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 電機(jī)初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r/min，進(jìn)給速度 Vmax=4m/min 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》可知： hP ? maxmaxinV （公式 3— 1） ； hP —— 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 mm； Vmax—— 絲杠的最大移動速度 mm/min； nmax—— 絲杠 螺母 副最大相對轉(zhuǎn)速 r/min； i—— 傳 動比 則： 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆專科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 mmPh 4000 ??? 所以根據(jù)滾珠絲杠基本導(dǎo)程的基本系列可在《機(jī)械設(shè)計手冊》中查到 Ph，選 Ph=6mm。 已知條件： 工作臺重量： W=80kgf=800N 步距角： 0 .7 5 / setp? ?? 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： L0=6mm 行程： S=640mm 脈沖當(dāng)量 快速進(jìn)給速度： maxV =2m/min 切削力計算 由《機(jī)床設(shè)計手冊》可知，切削功率 cN N K?? （公式 3— 2）； 式中 N—— 電機(jī)功率，查機(jī)床說明書， N=4kw； ? —— 主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 取 ? =； K—— 進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K=。 則： cN =4??= 又因為 6120zc FvN ? 6120 cz NF v? 式中 v —— 切削線速度，取 v =100m/min。 主切削力 6 1 2 0 2 . 4 6 9 1 5 2 . 7 6 ( ) 1 5 2 7 . 6 ( )100zF k g f N?? ? ? 由《金屬切削原理》可知，主切削力： FFZZZZYXZ F p FF C a f K? （公式 3— 3）； 式中： pa —— 切削深度（ mm）； f —— 進(jìn)給量（ mm/r）； FZK —— 總修正系數(shù)； 從《機(jī)床設(shè)計手冊》中可得知，在一般外圓車削時： ( ~ )XZFF? ( ~ )YZFF? 1 /p m m se tp? ?天津工業(yè)大學(xué) 2021屆專科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 ?。? ? =?=； ? =?=。 滾珠絲杠設(shè)計計算 根據(jù)《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系 統(tǒng)設(shè)計》可知，綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力： 39。( )XZP K F f F W? ? ? （公式 3— 4） ； 式中 XF 、 ZF —— 為 X、 Z 方向上的切削力； 39。f —— 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)； W—— 為工作臺的重量； K—— 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)。 其中 K=， 39。f =~ ，取為 ； 則： P=?+?(+800)=。 （ 1）計算： 壽命值： iL = 66010iinT （公式 3— 5） ； in —— 為滾珠絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速； iT —— 使用壽命時間（ h）； 由以上條件，可以確定步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠齒輪之間的傳動比： pLi ??3600?= 6360 ?? =； 由于電機(jī)軸與滾珠絲杠之間是降速傳動，所以滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為： 001000i nf vfn L DL???主 （公式 3— 6） ； 1 0 0 0 1 0 0 0 . 3 20 m in3 . 1 4 8 0 6inr??????； 則： 66 0 2 0 1 5 0 0 0 1810Li ???? 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文） 14 最大動負(fù)載： 3 i W HQ L Pf f? 其中： P—— 滾珠絲杠的軸向力； iL —— 壽命值； Wf —— 運(yùn)動系數(shù)； Hf — — 硬度系數(shù)； 從《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計》表中可查到： Wf = ； Hf =1； 則： 3 1 8 1 .2 1 1 2 5 0 .8 3 9 3 3 .6QN? ? ? ? ?。 根據(jù)最大動負(fù)載荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號。可在《機(jī)械計手冊》中查到適合的滾珠絲杠。型號為 CMFZD4006— — 3 額定動載荷 18， 800N， 所以強(qiáng)度足夠用。 (2) 效率計算 根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率 ? 為： ()tgtg ?? ??? ? （公式 3— 7） ； 式中： ? 為螺旋升角； ? 為摩擦角。 滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) f = ~ ,其中摩擦角 ? 可計算為： ? =arctgf = 39。10 ； 則： 3 2 5 39。 0 .9 5 3( 3 2 5 39。 1 2 )tgtg? ????。 。 (3) 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程變化量： EFPLL 01 ??? （公式 3— 8） ； 式中： 0L —— 滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（ cm）； P—— 工作負(fù)載（ N）