【文章內(nèi)容簡介】 給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計機械傳動裝置時，通常提出了無間隙、低磨擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率及有適宜的阻尼比的要求。為了達到這些要求，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)速的直流電機與絲杠直接聯(lián)接，應(yīng)用預(yù)加負載的滾動導(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，以達到提高機床分辨率，使工作臺盡 可能大地加速，以達到跟蹤指令，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)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，或者將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。因此，滾珠絲杠副既是傳動元件，也是直線運動與旋轉(zhuǎn)運動相互轉(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 副的特點是： 9 （ 1）磨擦損失小、傳動效率高，高達 ~（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)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也能將直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，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 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。 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動多屬前珠扒后珠的滑移運動，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。 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造一般是步進電機經(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。步進電機的布置，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。一般都把步進電機放在縱向滾珠絲杠的左端。 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 電機初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r/min，進給速度 Vmax=4m/min 根據(jù)《機械設(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： 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 快速進給速度： maxV =2m/min 切削力計算 由《機床設(shè)計手冊》可知，切削功率 cN N K?? （公式 3— 2）； 式中 N—— 電機功率，查機床說明書， N=4kw； ? —— 主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 取 ? =； K—— 進給系統(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 —— 進給量（ mm/r）； FZK —— 總修正系數(shù)； 從《機床設(shè)計手冊》中可得知，在一般外圓車削時： ( ~ )XZFF? ( ~ )YZFF? 1 /p m m se tp? ? 13 ?。? ? =?=； ? =?=。 滾珠絲杠設(shè)計計算 根據(jù)《經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(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，可以確定步進電機與滾珠絲杠齒輪之間的傳動比： pLi ??3600?= 6360 ?? =； 由于電機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 ???? 14 最大動負載： 3 i W HQ L Pf f? 其中： P—— 滾珠絲杠的軸向力； iL —— 壽命值； Wf —— 運動系數(shù)； Hf —— 硬度系數(shù)； 從《經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(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)最大動負載荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號?？稍凇稒C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， 所以強度足夠用。 (2) 效率計算 根據(jù)《機械原理》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