滾珠絲桿的-選擇計(jì)算

1、畢業(yè)論文原文縮略 一、課題的來源及現(xiàn)實(shí)意義 論文目錄 一、課題來源及現(xiàn)實(shí)意義二、設(shè)計(jì)任務(wù)與總體方案的確定1、設(shè)計(jì)任務(wù)2、總體設(shè)計(jì)方案的確定三、機(jī)械部分XY工作臺(tái)的設(shè)計(jì)1、主要設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù)2、XY工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)受力分析3、XY工作臺(tái)尺寸確定及各部分重量估算四、滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定1、滾珠絲杠副的確定2、X向Y向絲桿的強(qiáng)度分析3、強(qiáng)度驗(yàn)算4、效率計(jì)算五、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型六、步進(jìn)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定1、步進(jìn)電機(jī)的選用2、扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的驗(yàn)算3、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定七、步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算八、傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的討論1、根據(jù)工作臺(tái)不出現(xiàn)爬行的條件來確定傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度2、根據(jù)微量進(jìn)給的靈敏度來確定傳動(dòng)系

2、統(tǒng)剛度九、消隙方法與預(yù)緊1、消隙方法的選用2、預(yù)緊電動(dòng)位移臺(tái)介紹 電動(dòng)位移臺(tái)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多自由度的自動(dòng)調(diào)整，包括方導(dǎo)軌電動(dòng)位移臺(tái)、圓導(dǎo)軌電動(dòng)位移臺(tái)、滑動(dòng)單元電動(dòng)位移臺(tái)、V型導(dǎo)軌電動(dòng)位移臺(tái)、寬型電動(dòng)位移臺(tái)、防塵罩位移臺(tái)、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、X-Y-Z組合位移臺(tái)，升降臺(tái)等等，由于具有精度高，速度快，行程長，承載大，使用壽命長，自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)位移臺(tái)系統(tǒng)越來越廣泛的應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，激光加工，自動(dòng)檢測，自動(dòng)計(jì)量，自動(dòng)控制等領(lǐng)域。電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的關(guān)鍵部件是軸系和蝸輪蝸桿。軸系在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)中起著定心和定向作用，對(duì)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的承載、偏擺、壽命等指標(biāo)起決定作用。電動(dòng)位移臺(tái)的品質(zhì)起決于關(guān)鍵部件包括螺桿、導(dǎo)軌、電機(jī)

3、的質(zhì)量，機(jī)體的材質(zhì)和加工精度以及整機(jī)裝調(diào)工藝水平對(duì)電動(dòng)位移臺(tái)的品質(zhì)也有較大影響。螺桿在電動(dòng)位移臺(tái)中起著傳動(dòng)作用，對(duì)電動(dòng)位移臺(tái)的定位精度、重復(fù)定位精度、軸向間隙、速度、分辨率等指標(biāo)起決定作用。一般采用滾珠螺桿、研磨絲桿和梯形絲桿。滾珠螺桿與螺母通過鋼球?qū)崿F(xiàn)滾動(dòng)傳動(dòng)，通過選擇鋼球直徑或采用雙螺母預(yù)壓，可減少軸向間隙，提高剛性，因此，在傳動(dòng)精度、傳動(dòng)效率、剛性、壽命等方面有很大優(yōu)勢。研磨絲杠和梯形絲桿的螺桿與螺母之間滑動(dòng)傳動(dòng)，因此，傳動(dòng)效率低，速度慢，軸向間隙不容易消除。研磨絲杠可采用小導(dǎo)軌提高系統(tǒng)分辨率，其制造成本低。梯形絲杠傳動(dòng)力矩大，能實(shí)現(xiàn)自鎖，做為Z軸使用優(yōu)勢明顯。型號(hào)滾珠螺桿研磨絲桿梯形絲

4、桿摩擦系數(shù)低（0.0010.005）高（0.010.15）高（0.010.15）速度高低底分辨率中高中壽命長短短主要用途長時(shí)間高速運(yùn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)承載很大的Z軸力圖導(dǎo)軌在電動(dòng)位移臺(tái)中起著支撐和導(dǎo)向作用，對(duì)位移臺(tái)的承載、運(yùn)行直線度、行程等指標(biāo)起決定作用。一般采用交叉滾柱、線性滑塊（方導(dǎo)軌）、線性軸承（圓導(dǎo)軌）和滑動(dòng)單元（帶支撐圓導(dǎo)軌）。交叉滾柱導(dǎo)軌對(duì)基本加工和配置要求高。對(duì)于線性滑塊（方導(dǎo)軌）、線性軸承（圓導(dǎo)軌）和滑動(dòng)單元（帶支撐圓導(dǎo)軌）而言，導(dǎo)軌和滑塊之間為滾動(dòng)，摩擦系數(shù)小。線性軸承（圓導(dǎo)軌）由于導(dǎo)軌兩端支撐，中間懸空，對(duì)行程、承載方面影響很大，采用滑動(dòng)單元（帶支撐圓導(dǎo)軌）可有效解決這些問題。線性

5、滑塊（方導(dǎo)軌）在鋼球與導(dǎo)軌之間采用特殊接觸構(gòu)造，能保證運(yùn)動(dòng)輕快、剛性好、壽命長，因此，在導(dǎo)向精度、承載、壽命、行程等方面有很大優(yōu)勢。 型號(hào)交叉滾柱導(dǎo)軌線性滑塊線性軸承滑動(dòng)單元摩擦系數(shù)?。?.0010.003）小（0.0020.006）?。?.0040.006）?。?.0040.006）剛性高最高低中承載中最高低中行程中長短長主要用途科學(xué)實(shí)驗(yàn)長時(shí)間高速運(yùn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)長時(shí)間高速運(yùn)行圖電機(jī)在電動(dòng)位移臺(tái)中起提供驅(qū)動(dòng)力矩作用，對(duì)電動(dòng)位移臺(tái)系統(tǒng)性能起決定作用。一般采用步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)可將電脈沖直接轉(zhuǎn)換成角位移，其力矩的產(chǎn)生基于定子與轉(zhuǎn)子之間的磁阻效應(yīng)而導(dǎo)致的電磁吸引和排斥作用，具有控制簡單，

6、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是有丟步現(xiàn)象，運(yùn)行不太平穩(wěn)，前者可通過加編碼器及時(shí)檢測步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與電信號(hào)的對(duì)應(yīng)狀況，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制來解決，更理想的解決方式是加裝光柵尺，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，后者可采用提高步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分或調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流來解決。交流伺服電機(jī)具有快速和慢速運(yùn)行平穩(wěn)，高速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但成本高。我公司電動(dòng)位移臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)配置為步進(jìn)電機(jī)，也按用戶要求可配交流伺服電機(jī)。基體的材質(zhì)和加工精度對(duì)電動(dòng)位移臺(tái)質(zhì)量有一定影響。為放腐蝕一般采用不銹鋼和鋁材。由于不銹鋼的熱膨脹系數(shù)比鋁材小，在溫度變化不大的場所，做高精度實(shí)驗(yàn)，對(duì)精度和穩(wěn)定性要求高可采用不銹鋼。但是從材料的熱變形的角度看，鋁材比不銹鋼要有利一些，因此，在環(huán)

7、境中有熱源的情況下，采用鋁材作為基體更適合一些，基體的加工設(shè)備和工藝對(duì)保證基體加工精度至關(guān)重要。整機(jī)裝調(diào)工藝水平對(duì)電動(dòng)位移臺(tái)質(zhì)量也有影響。整機(jī)裝調(diào)必須有必配的工裝和檢測儀器。另外，彈性聯(lián)軸器用于螺桿與電機(jī)的直連，可補(bǔ)償由于加工、裝配引起的螺桿軸端與電機(jī)軸之間的位置、角度的偏差。選擇彈性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)形式、力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量必須與電動(dòng)位移臺(tái)的電機(jī)、整體結(jié)構(gòu)一起綜合考慮。電動(dòng)位移臺(tái)的正常使用和保養(yǎng)對(duì)于幫正正常運(yùn)轉(zhuǎn)和精度相當(dāng)重要。長期超載運(yùn)行、環(huán)境溫度過高或過低都會(huì)影響電動(dòng)位移臺(tái)的精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)位移臺(tái)無法工作。在粉塵較大的場所，必須加裝防護(hù)罩。必須對(duì)螺桿和導(dǎo)軌定期補(bǔ)充潤滑脂和潤滑油?？筛鶕?jù)不同的螺

8、桿、不同的導(dǎo)軌以及工作環(huán)境選擇不同的潤滑脂和潤滑油。電動(dòng)位移臺(tái)的驅(qū)動(dòng)控制部分對(duì)系統(tǒng)也起著關(guān)鍵作用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方式和細(xì)分大小決定電動(dòng)位移臺(tái)的性能和分辨率?？刂葡到y(tǒng)一般采用可編程程序控制器（PLC）、單片機(jī)控制器、運(yùn)動(dòng)控制板卡和數(shù)控系統(tǒng)（CNC）?？刂葡到y(tǒng)還應(yīng)有I/O口，用于連接零位光電開關(guān)信號(hào)、左右限位開關(guān)信號(hào)和其他信號(hào)。單片機(jī)控制器一般能做簡單的控制，如：直線運(yùn)動(dòng)、掃描等，控制頻率一般在10KHZ以下，還可通過RS232或USB接口與計(jì)算機(jī)相連，通過計(jì)算機(jī)控制電動(dòng)位移臺(tái)。運(yùn)動(dòng)控制板卡和數(shù)控系統(tǒng)（CNC）一般能做多軸聯(lián)動(dòng)、圓弧插補(bǔ)，控制頻率一般在100KHZ以上，有的可接編碼器或光柵尺

9、。滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)說明圖 W 工作臺(tái)重量+工件重量直徑/導(dǎo)程及長度的選擇絲杠直徑和導(dǎo)程 公稱直徑(do) 導(dǎo) 程Pho45681012162016 20 25 32 40 50 63 80 100 磨制絲杠 軋制絲杠絲杠長度 （精度等級(jí)）精度等級(jí)滾珠絲杠副根據(jù)使用范圍分為定位型（P）和傳動(dòng)型（T）兩種。根據(jù)精度要求分為7個(gè)精度等級(jí)，即1、2、3、4、5、7和10級(jí)。1級(jí)精度最高，依次遞減。允許行程誤差標(biāo)準(zhǔn)：C=0C - 行程補(bǔ)償值(用戶在訂貨時(shí)給定，一般取負(fù)值來修正使用誤差)有效行程 Lu=L1-LeLu- 有效行程(mm) L1- 絲杠螺紋全長(mm) Le-余程 (mm)(見下表) 導(dǎo)程T

10、（mm）2.53456810121620余程 Le10121620243240455060序號(hào) 檢驗(yàn)項(xiàng)目 允差 N1 有效行程Lu內(nèi)的平均行程偏差（本項(xiàng)僅適用于定位滾珠絲杠副） 有效行程 (mm) 精度等級(jí) 1 2 3 4 5 7 10 大于至ep(m) 3156 8 12 16 23 - - 3154007 9 13 18 25 - - 400500 8 10 15 20 27 - - 500630 9 11 16 22 30 - - 630800 10 13 18 25 35 - - 8001000 11 15 21 29 40 - - 1000125013 18 24 34 46 - -

11、 12501600 15 21 29 40 54 - 16002000 18 25 35 48 65 - - 20002500 22 30 41 57 77 - - 25003150 26 36 50 69 93 - - 31504000 32 45 62 86 115 - - 40005000- 76 110 140 - - 50006300 - 170 - - N2 有效行程Lu 內(nèi)的平均行程偏差e（本項(xiàng)僅適用于傳動(dòng)滾珠絲杠副）注: 1) 行程補(bǔ)償值c=02)V300p 見N4 序號(hào) 檢驗(yàn)項(xiàng)目 允差 N3 有效行程Lu內(nèi)的行程變動(dòng)量Vu（本項(xiàng)僅適用于定位滾珠絲杠副） 有效行程 (mm) (

12、m)精度等級(jí) 大于 至 12345710 315 6 8 12 16 23 - - 3154006 9121825- - 400500 7 9131926- - 500630 7 10142029 - - 630800 8 1116 2231 - - 8001000 9 1217 2434- - 10001250 10 14 19 2739 - - 12501600 11 1622 3144 - - 16002000 13 1825 3651 - - 20002500 15 2129 4159 - - 25003150 17 2434 4969 - - 315004000 21 2941 58

13、82 - - 40005000 - - 49 7099 - - 50006300- - - - 119 - - 注:傳動(dòng)滾珠絲杠副的有效行程Lu 內(nèi) 行程變動(dòng)量Vup 一般不檢查 序號(hào) 檢驗(yàn)項(xiàng)目 允差 N4 任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng)量 V300(m)精度等級(jí) 1 2 3 4 5 7 10 V300p(m)6 8 12 16 23 52 210 N5 任意2行程內(nèi)行程變動(dòng)量 （本項(xiàng)僅適用于定位滾珠絲杠副） (m)精度等級(jí) 1 2 3 4 5 7 10 V2p(m)45678-跳動(dòng)誤差序號(hào)簡圖 允差 M1滾珠絲杠外圓直徑在長度L5上徑向圓跳動(dòng)誤差t5，用以確定以AA 為基準(zhǔn)的直線度誤差公稱直徑

14、d0測量間隔L5精度等級(jí) 大于至12345710t5p(m)適于L561280202225283240801225160255031550 100 630100200 1250長徑比L1/d0t5maxp(m) 適于L14L5大于至40 40 45 50 57 64 80 160 406060 67 75 85 96 120 240 6080100 112 125 142 160 200 400 80100160 180 200 225 256 320 640 序號(hào) 簡圖 允差 M2以以AA 為基準(zhǔn)的軸承支軸承頸徑向圓跳動(dòng)誤差t6公稱直徑d0測量間隔 L精度等級(jí) 大于至12345710t6p(

15、m)適于L6L620801011121620406320501251214162025508050125200161820263263100125200315-25324080125當(dāng)L6 L時(shí)，t6at6pL6/L序號(hào)簡圖允差M3軸頸相對(duì)于支承軸的頸向圓跳動(dòng)誤差t7公稱直徑d0測量間隔 L精度等級(jí) 大于至12345710t7p(m)適于l7L620805667812162050125678910162050125200891011122025125200315-1214162532當(dāng)L7 L時(shí)，t7at7pL7/L序號(hào)簡圖允差M4滾珠絲杠軸承支承軸頸肩面對(duì)AA的端面跳動(dòng)誤差t8 公稱直徑d0

16、精度等級(jí) 大于至12345710t8p(m)663344556106312545566812125200-66781016序號(hào)簡圖允差M5以AA 為基準(zhǔn)的滾珠螺母安裝端面的端面跳動(dòng)誤差t9 （只適用于預(yù)緊式滾珠螺母）公稱直徑d0精度等級(jí) 大于至12345710t9p(m)1632101112141620-3263121416182025-63125161820222532-125250202225283240-250500-32364050-序號(hào)簡圖允差M6以AA 為基準(zhǔn)的滾珠螺母外徑D1的徑向圓跳動(dòng)誤差t9 （只適用于預(yù)緊式和旋轉(zhuǎn)的滾珠螺母） 滾珠螺母外徑D1精度等級(jí)大于至12345710t

17、10p(m)1632101112141620-3263121416182025-63125161820222532-125250202225283240-250500-32364050-序號(hào) 簡圖 允差 M7 以AA 為基準(zhǔn)的矩形滾珠螺母定位面的平行度t11（只適用于預(yù)緊式滾珠螺母） 精度等級(jí)1 2 3 4 5 7 10 t10p(m)適用于100mm長度16 18 2022 25 32 -預(yù)緊預(yù)警是為了消除滾珠絲杠副之軸向間隙和提高剛度，最終是為了達(dá)到定位精長驅(qū)的需要。預(yù)緊的方法有多種，最普遍和最常用的是雙螺母結(jié)構(gòu)，見下圖：在兩個(gè)螺母之間配有墊片來達(dá)到預(yù)緊，還有一種預(yù)緊是在單螺和絲杠之間通過

18、控制中徑，并調(diào)節(jié)增大鋼直徑，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊目的，（見下圖）常用于承載不大，預(yù)緊載荷小的場合。 當(dāng)最大軸向工作載荷Fmax能確定時(shí)：Fao= Fmax/3當(dāng)最大軸向工作載荷Fmax不能確定時(shí)：Fao=Ca Fao - 預(yù)警載荷（KN）Fmax - 最大載荷（KN） - 預(yù)警系數(shù)（見下表）Ca - 額定動(dòng)載荷（N） 載荷類型輕微載荷輕載荷中載荷重載荷0.020.050.070.1預(yù)緊螺母單螺母雙螺母雙螺母雙螺母有預(yù)加載荷滾珠絲杠副(無任何外加載荷下，兩端無防塵圈)的空載理論動(dòng)態(tài)預(yù)警緊轉(zhuǎn)矩Tpo=KpFaoPho/(2103)Tpo-理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩（Nm）Kp-預(yù)緊螺母內(nèi)的摩擦系數(shù)（0.10.3）P

19、ho-導(dǎo)程（m.m）Fao-預(yù)警載荷（N）動(dòng)態(tài)預(yù)警轉(zhuǎn)矩極限偏差 Tpp（表）理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩Tpo 精度等級(jí) 1 2 3 4 5 7 10 大于 至 Lu/d040 Tpp (Tpp 的百分?jǐn)?shù))0.2 0.4 35% 37% 40% 45% 50% - - 0.4 0.6 25% 32% 40% 37% 40% - - 0.6 1.0 25% 27% 30% 32% 35% 40% - 1.0 2.5 20% 22% 25% 27% 30% 35% - 2.5 6.3 15% 17% 20% 22% 25% 30% - 6.3 1.0 - - 15% 17% 20% 30% - 4032 ，滿

20、足條件，否則公稱直徑還應(yīng)加大。絲杠編號(hào)： FDG 40 10R P5 - 4.5 - 1600 1400滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)剛度初始條件：失位量 = 0.045mm。滾珠絲杠系統(tǒng)之間各元部件（絲杠、螺母、支承軸承），在此設(shè)為：0.04mm。此時(shí)滾珠絲杠系統(tǒng)各元部件單邊彈性變形量為：0.02mm。 此時(shí)為無切削運(yùn)動(dòng)時(shí)的軸向載荷2000N。絲杠剛度當(dāng)Ls1=Lk，Rs 為最小，一般情況下計(jì)算最小剛度值。 = Fa/Rs =2000/17611.4m 螺母剛度在此預(yù)緊載荷為額定動(dòng)載荷的10%，螺母剛度從表中查出 R=2128N/m從表中查出額定動(dòng)載荷Ca=48244N,在此取0.1nu=Fa/Rnu=2

21、000/1554 1.3m支承剛度支承軸承剛度RaL可從軸承生產(chǎn)廠產(chǎn)品樣本中的查出。在此RaL=1020N/mRaL=Fa/aLaL=Fa/RaL= 2000/1020 2m軸向總剛度1/Rtot = 1/Rs + 1/Rnu + 1/RaL=1/176 + 1/1554 + 1/10201/138 Rtot137 N/m總彈性變形量(單邊)tot = s + nu + aL=11.4+1.3+2=14.7m 20m，合格。從絲杠軸向總剛度的問題上來講，絲杠的剛度有時(shí)比螺母的剛度重要，最佳提升剛性的方法是提高絲杠的剛度，而不是在螺母上施加太重的預(yù)緊載荷(預(yù)緊載荷最高為額定動(dòng)載荷的10%)，如果

22、將絲杠的安裝方式改為（固定-固定）式，軸向總剛度的最小剛度Rtot305N/m 、總彈性變形量(單邊)s=6.7m 。電機(jī)的選定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Fa為無切削軸向載荷2000N。Fa為輕切削軸向載荷4000N。Fa為普通切削軸向載荷7000N。Fa為重切削軸向載荷11000N。由預(yù)加載荷而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在此 Kp 取 0.18在精確設(shè)計(jì)中要考慮各方面的轉(zhuǎn)矩(如：加速度時(shí)之負(fù)載轉(zhuǎn)矩及馬達(dá)所負(fù)荷的總慣性矩等)。 I = 1 （電機(jī)至絲杠的傳動(dòng)比）平均速度時(shí)最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mt1=Mta+Mte=19.5+1.421Nm在此馬達(dá)轉(zhuǎn)速最高設(shè)計(jì)為1500r/min電機(jī)的選定時(shí)，一般來說以平均速度時(shí)的 Mt1 在電機(jī)額定

23、轉(zhuǎn)矩的30%以內(nèi)情況下使用。檢校絲杠理論容許軸向載荷以安裝形式確定fFk 取20.4Fk=fFk d24/Lk2 104 =20.433.92/1200104 N絲杠工作容許軸向載荷Fkzul = Fk/2 =/293549N最大軸向載荷小于絲杠工作容許軸向載荷，合格。臨界轉(zhuǎn)速 以安裝形式確定取18.9nk=fnk d2/Ln2 107 =18.933.9/120021074449 r/min允許工作轉(zhuǎn)速 nkper 0.8 nk =0.8 4449 3559 r/min 最大運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速小于允許工作轉(zhuǎn)速，合格。 預(yù)緊載荷的確定為了防止造成絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的任何失位，保證傳動(dòng)精度，提高絲杠系統(tǒng)的剛度是很重要的，而要提高螺母的接觸剛度，必須施加一定的預(yù)緊載荷。 施加了預(yù)緊載荷后，摩擦轉(zhuǎn)矩增加，并使工作時(shí)的溫升提高。因此必須恰當(dāng)?shù)卮_定預(yù)緊載荷（最大不得超過10%的額定動(dòng)載荷），以便在滿足精度和剛度的同時(shí)，獲得最佳的壽命和較低的溫升效應(yīng)。 本公司供貨時(shí)，已按客戶要求施加了預(yù)緊載荷。潤滑在使用滾珠絲杠副時(shí)，必須要有足夠的潤滑，如果潤滑不