絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)

1、絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。有以傳遞能量為主的(如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；也有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠)；還有調(diào)整零件之問相對(duì)位置的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)之分?；瑒?dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低(3040)。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，不能自鎖，但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高(9298)，精度高，系統(tǒng)剛度好，運(yùn)動(dòng)具有可逆性，使用壽命長(zhǎng)，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到大量廣泛應(yīng)用。本節(jié)主要介紹滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)。1

2、工作原理如圖21所示，絲杠4和螺母1的螺紋滾道間置有滾珠2，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠2沿螺紋滾道滾動(dòng)，則絲杠與螺母之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，為防止?jié)L珠從滾道中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置3，如圖2一la所示的反向器和圖21b所示的擋珠器，它們與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。2傳動(dòng)形式根據(jù)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)的組合情況，其基本傳動(dòng)形式有如圖22所示的四種類型。(1)螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)如圖22a所示，該傳動(dòng)形式因螺母本身起著支承作用，消除了絲杠軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動(dòng)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可獲得較高的傳動(dòng)精度。但其軸向尺寸不宜太長(zhǎng)，否則剛性較差。因此只適用于行程較小的場(chǎng)

3、合。(2)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)如圖2-2b所示，該傳動(dòng)形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，絲杠剛性較好。適用于工作行程較大的場(chǎng)合。      (3)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、絲杠移動(dòng)如圖2_2c所示，該傳動(dòng)形式需要限制螺母移動(dòng)和絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，故應(yīng)用較少。(4)絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)如圖22d所示，該傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但在多數(shù)情況下使用極不方便，故很少應(yīng)用。此外，還有差動(dòng)傳動(dòng)方式，其傳動(dòng)原理如圖2_3所示。該方式的絲杠上有基本導(dǎo)程(或螺距)不同的(如L01、L02)兩段螺紋，其旋向相同。當(dāng)絲杠2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可

4、動(dòng)螺母1的移動(dòng)距離s=n(L01-L02)(n為絲杠轉(zhuǎn)速)，如果兩基本導(dǎo)程的大小相差較少，則可獲得較小的位移s。因此，這種傳動(dòng)方式多用于各種微動(dòng)機(jī)構(gòu)中。3結(jié)構(gòu)類型    (1)螺紋滾道截面形狀我國(guó)生產(chǎn)的滾珠絲杠副的螺紋滾道有單圓弧型和雙圓弧型，如圖24所示。滾道型面與滾珠接觸點(diǎn)的法線同絲杠軸向的垂線間的夾角稱為接觸角，  般為45°。單圓弧型的螺紋滾道的接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化，這主要由軸向載荷所引起的接觸變形的大小而定。大時(shí)，傳動(dòng)效率、軸向剛度以及承載能力也隨之增大。由于單圓弧型滾道加工用砂輪成形較簡(jiǎn)單，故容易得到較高的加工精度。單圓

5、弧型面的滾道圓弧半徑R應(yīng)稍大于滾珠半徑rb   雙圓弧滾道其接觸角在工作過程中基本保持不變，故效率、承載能力和軸向剛度比較穩(wěn)定。滾道底部與滾珠不接觸，其空隙可存儲(chǔ)一定的潤(rùn)滑油和臟物，以減小摩擦和磨損。但磨削滾道砂輪修正、加工和檢驗(yàn)都比較困難。滾道的半徑R與滾珠半徑rb的比值對(duì)承載能力有很大的影響，我國(guó)采用Rrb為104和1 11兩種。(2)滾珠的循環(huán)方式   1)內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸，如圖21a所示。在螺母1的側(cè)面孔內(nèi)裝有接通相鄰滾道的反向器3，利用反向器引導(dǎo)滾珠2越過絲杠4的螺旋頂部進(jìn)入相鄰滾道，形成一個(gè)循環(huán)回路。

6、一般在同一螺母上裝有24個(gè)滾珠用反向器，并沿螺母圓周均勻分布。內(nèi)循環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)是滾珠循環(huán)的回路短，流暢性好，效率高，螺母的徑向尺寸也較小。其缺點(diǎn)是反向器加工困難，裝配、調(diào)試也不方便。浮動(dòng)式反向器的內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠螺母副如圖25所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是反向器1與滾珠螺母上的安裝孔有O0l0015mm的配合間隙，反向器弧面上加工有圓弧槽，槽內(nèi)安裝拱形片簧4，外有彈簧套2，借助拱形片簧的彈力，始終給反向器一個(gè)徑向推力，使位于回珠圓弧槽內(nèi)的滾珠與絲杠3表面保持一定的壓力，從而使槽內(nèi)滾珠代替了定位鍵而對(duì)反向器起到自定位作用。這種反向器的優(yōu)點(diǎn)是：在高頻浮動(dòng)中達(dá)到回珠圓弧槽進(jìn)出口的自動(dòng)對(duì)接，通道流暢，摩擦特性較好，

7、更適用于高速、高靈敏度、高剛性的精密進(jìn)給系統(tǒng)。2)外循環(huán)。滾珠在循環(huán)返向時(shí)，有一段脫離絲杠螺旋滾道，在螺母體內(nèi)或體外作循環(huán)運(yùn)動(dòng)。按結(jié)構(gòu)形式可分為螺旋槽式、插管式和端蓋式三種。螺旋槽式。如圖26所示，在螺母2的外圓柱表面上銑出螺旋凹槽，槽的兩端鉆出兩個(gè)通孔與螺旋滾遭相切，螺旋滾道內(nèi)裝入兩個(gè)擋珠器4引導(dǎo)滾珠3通過這兩個(gè)孔，同時(shí)用套筒l蓋住凹槽，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，徑向尺寸小，易于制造，但是擋珠器剛性差，易磨損。插管式。如圖2_7所示，用一彎管l代替螺旋凹槽，彎管的兩端插入與螺紋滾道5相切的兩個(gè)內(nèi)孔，用彎管的端部引導(dǎo)滾珠4進(jìn)入彎管，構(gòu)成滾珠的循環(huán)回路，再用壓板2和螺釘將彎管

8、固定。插管式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，但是徑向尺寸較大，彎管端部用作擋珠器比較容易磨損。端蓋式。如圖28所示，在螺母1上鉆出縱向孔作為滾子回程滾道，螺母兩端裝有兩塊扇形蓋板或套筒2，滾珠的回程道口就在蓋板上。滾道半徑為滾珠直徑的1416倍。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好，但滾道吻接和彎曲處圓角不易準(zhǔn)確制作而影響其性能，故應(yīng)習(xí)較少。常以單螺母形式用做升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。4主要尺寸參數(shù)如圖29所示，滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)有：公稱直徑d0：指滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時(shí)包絡(luò)滾珠球心的凰柱直徑，它是滾珠絲杠副的特征尺寸。基本導(dǎo)程LO(或螺距t)：指絲杠相對(duì)螺母旋轉(zhuǎn)2弧度時(shí)，螺母上基準(zhǔn)點(diǎn)的軸向位移。行程l：指絲杠

9、相對(duì)于螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時(shí)，螺母上基準(zhǔn)點(diǎn)的軸向位移。此外還有絲杠螺紋大徑d1絲杠螺紋小徑d1、滾珠直徑db螺母螺紋大徑D、螺母螺紋小徑D1、絲杠螺紋全長(zhǎng)ls等?；緦?dǎo)程的大小應(yīng)根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的精度要求確定。精度要求高時(shí)應(yīng)選取較小的基本導(dǎo)程。滾珠的工作圈(或列)數(shù)和工作滾珠的數(shù)量由試驗(yàn)可知：第一、第二和第三圈(或列)分別承受軸向載荷的50、30和20左右。因此，工作圈(或列)數(shù)一般取25(或2)35(或3)。滾珠總數(shù)一般不超過150個(gè)。5軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊    滾珠絲杠副除了對(duì)本身單一方向的傳動(dòng)精度有要求外，對(duì)其軸向間隙也有嚴(yán)格要求，以保證其反向傳動(dòng)精度。滾珠

10、絲杠副的軸向間隙是承載時(shí)在滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。通常采用雙螺母預(yù)緊的方法，把彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度。目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙達(dá)O05mm，而雙螺母式經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后基本上能消除軸向間隙。應(yīng)用該方法消除軸向問隙時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：1)預(yù)緊力大小必須合適，禁忌過小或過大。過小不能保證無隙傳動(dòng)，過大將使驅(qū)動(dòng)力矩增大，效率降低，壽命縮短。預(yù)緊力禁忌超過最大軸向負(fù)載的l3。2)要特別注意減小絲杠安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的間隙，這些間隙用預(yù)緊的方法是無法消除的，而它對(duì)傳動(dòng)精度有直接影響。常用的雙螺母消

11、除軸向間隙的結(jié)構(gòu)形式有三種：(1)墊片調(diào)隙式如圖2一lO所示，用螺釘連接滾珠絲杠兩個(gè)螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片。調(diào)整墊片的厚度使螺母產(chǎn)生微量的軸向位移，以達(dá)到消除軸向間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。該形式結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，應(yīng)用廣泛，但不很準(zhǔn)確，并且當(dāng)滾道磨損時(shí)不能隨意調(diào)整，除非更換墊圈。故適用于一般精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。(2)螺紋調(diào)隙式  如圖2一11所示，雙螺母中的一個(gè)外端有凸緣；一個(gè)外端無凸緣但制有螺紋，它伸出套筒外，用兩個(gè)圓螺母固定鎖緊，并用鍵來防止兩螺母相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)圓螺母可調(diào)整消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力，之后再用鎖緊螺母鎖緊。該種形式結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，缺點(diǎn)是不很精確。

12、(3)齒差調(diào)隙式   如圖212所示，在兩個(gè)螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪(齒數(shù)為z1、z2，且z2一x1=1)分別與內(nèi)齒圈嚙合，內(nèi)齒圈用螺釘或定位銷固定在套筒上。調(diào)整時(shí)，先取下兩端的內(nèi)齒圈，使兩螺母產(chǎn)生相對(duì)角位移，相應(yīng)地產(chǎn)生軸向的相對(duì)位移，從而使兩螺母中的滾珠分別緊貼在螺旋滾道的兩個(gè)相反的側(cè)面上，然后將內(nèi)齒圈復(fù)位固定，故而達(dá)到消除間隙，產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。當(dāng)兩個(gè)螺母按同方向轉(zhuǎn)過一個(gè)齒時(shí)，所產(chǎn)生的相對(duì)軸向位移為式中，P為導(dǎo)程。若：x1=99，z2=100，P=6mm，則s=0.6m度很高，工作可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和裝配工藝性能較差。6支承方式與制動(dòng)(1)支承方式為了保證滾珠絲

13、杠副傳動(dòng)的剛度和精度，應(yīng)選擇合適的支承方式，選用高剛度、小摩擦力矩、高運(yùn)轉(zhuǎn)精度的軸承，并保證支承座有足夠的剛度。滾珠絲杠副的支承按其限制絲杠軸的軸向竄動(dòng)情況，分為三種形式，如表21所示。(2)制動(dòng)裝置由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率高，又無自鎖能力，故需安裝制動(dòng)裝置以滿足其傳動(dòng)要求，特別是當(dāng)其處于垂直傳動(dòng)時(shí)。圖213所示為數(shù)控臥式銑鏜床主軸箱進(jìn)給絲杠的制動(dòng)裝置示意圖。當(dāng)機(jī)床工作時(shí)，電磁鐵線圈4通電吸住壓簧3，打開摩擦離合器5。此時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1接受指令脈沖，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過減速齒輪2傳動(dòng)、滾珠絲杠6旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為主軸箱7垂直方向的移動(dòng)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)l停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電磁鐵線圈也同時(shí)斷電，在壓簧3作用下摩擦離合器

14、5被壓緊，使?jié)L珠絲杠不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，則主軸箱就不會(huì)因自重而下滑了。7潤(rùn)滑和密封      (1)潤(rùn)滑  潤(rùn)滑劑可提高滾珠絲杠副的耐磨性和傳動(dòng)效率。潤(rùn)滑劑分為潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂兩大類。潤(rùn)滑油為一般機(jī)油或90180號(hào)透平油或140號(hào)主軸油，可通過螺母上的油孔將其注入螺紋滾道；潤(rùn)滑脂可采用鋰基油脂，它加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內(nèi)。(2)密封滾珠絲杠副在使用時(shí)常采用一些密封裝置進(jìn)行防護(hù)，為防止雜質(zhì)和水進(jìn)入絲杠(否則會(huì)增加摩擦或造成損壞)，對(duì)于預(yù)計(jì)會(huì)帶進(jìn)雜質(zhì)之處按圖214所示使用波紋管(右側(cè))或伸縮罩(左側(cè))，以完全蓋住絲杠軸。對(duì)于螺

15、母，應(yīng)在其兩端進(jìn)行密封，如圖215所示，密封防護(hù)材料必須具有防腐蝕和耐油性能。8精度等級(jí)       滾珠絲杠螺母副的精度分成CO、C1、c2、C3、C5、C7、C8等7個(gè)等級(jí)，最高精度為c0級(jí)，最低精度為c8級(jí)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可參考相應(yīng)的產(chǎn)品說明書進(jìn)行標(biāo)注。摘自直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品說明書THK(日本東京)9滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算       設(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí)，已知條件是：工作載荷F(N)或平均工作載荷F。(N)，使用壽命Lh(h)，絲杠的工作長(zhǎng)度(或螺母的有效行程)L(m)，絲杠的轉(zhuǎn)速n(平均轉(zhuǎn)速nm或最大轉(zhuǎn)