滾珠絲杠的應(yīng)用
滾珠絲杠機(jī)構(gòu)作為一種高精度的傳動(dòng)部件,大量應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化加工中心電子精密機(jī)械進(jìn)給機(jī)構(gòu)、伺服機(jī)械手、工業(yè)裝配機(jī)器人、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備、食品加工與包裝、醫(yī)療設(shè)備等各種領(lǐng)域。
滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)
如果將滾珠絲杠機(jī)構(gòu)沿縱向剖開,可以看到它主要由絲杠、螺母、滾珠、滾珠回流管防塵等組成。
在圖13-4中,各部分結(jié)構(gòu)的作用如下:
(1)絲杠
絲杠屬于轉(zhuǎn)動(dòng)部件,是一種直線度非常高、上面加工有半圓形螺旋槽的螺紋軸,半圓形螺旋槽是滾珠滾動(dòng)的滾道。絲杠具有很高的硬度,通常在表面淬火后再進(jìn)行磨削加工保證具有優(yōu)良的耐磨性能。絲杠一般與驅(qū)動(dòng)部件連接在一起,絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)直接或間接驅(qū)動(dòng)。既可以采用直聯(lián)的方法,即將電機(jī)輸出軸通過專用的彈性聯(lián)軸器與絲杠相聯(lián)傳動(dòng)比為1;也可以通過其他的傳動(dòng)環(huán)節(jié)使電機(jī)輸出軸與絲杠相連,例如同步帶、齒輪等
(2)螺母
螺母是用來固定需要移動(dòng)的負(fù)載的,其作用類似于直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的滑塊。一般將所需要移動(dòng)的各種負(fù)載(例如工作臺(tái)、移動(dòng)滑塊)與螺母連接在一起,再在工作臺(tái)或移動(dòng)滑塊上安裝各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)螺母內(nèi)部加工有與絲杠類似的半圓形滾道,而且設(shè)計(jì)有供滾珠循環(huán)運(yùn)動(dòng)的回流管,螺母是滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的重要部件,滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的性能與質(zhì)量很大程度上依賴于螺母。
(3)防塵片
防塵片的作用為防止外部污染物進(jìn)入螺母內(nèi)部。由于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)屬于精密部件如果在使用時(shí)污染物(例如灰塵、碎屑、金屬渣等)進(jìn)入螺母,可能會(huì)使?jié)L珠絲杠運(yùn)動(dòng)副嚴(yán)重磨損,降低機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度及使用壽命,甚至使絲杠或其他部件發(fā)生損壞,因此必須對(duì)絲杠螺母進(jìn)行密封,防止污染物進(jìn)入螺母
(4)滾珠
在滾珠絲杠機(jī)構(gòu)中,滾珠的作用與其在直線導(dǎo)軌、直線軸承中的作用是相同的,滾珠作為承載體的一部分,直接承受載荷,同時(shí)又作為中間傳動(dòng)元件,以滾動(dòng)的方式傳遞運(yùn)動(dòng)。由于以滾動(dòng)方式運(yùn)動(dòng),所以摩擦非常小。
(5)油孔
滾珠絲杠機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)需要良好的潤(rùn)滑,因此應(yīng)定期加注潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂。油孔供加潤(rùn)滑油。
2.滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的工作原理
滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的工作原理與螺母和螺桿之間的傳動(dòng)原理基本相同。當(dāng)絲杠能夠轉(zhuǎn)動(dòng)而螺母不能轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠,由于螺母及負(fù)載滑塊與導(dǎo)向部件(如直線導(dǎo)軌、直線軸承)連接在一起,所以螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度就被限制了,這樣螺母及與其連接在一起的負(fù)載滑塊只能在導(dǎo)向部件作用下作直線運(yùn)動(dòng)
3.滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的類型
根據(jù)加工制造方法及精度的區(qū)別,目前市場(chǎng)上的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)主要有以下兩種類型
磨制滾珠絲杠
軋制滾珠絲杠
磨制滾珠絲杠是用精密磨削方法加工出來的,精度更高,但制造成本較高,因而價(jià)格也更貴，一般非標(biāo)選擇軋制滾珠絲杠
按滾珠循環(huán)方式區(qū)
內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)的選擇一般按尺寸安裝大小選擇。尺寸位置過小選擇內(nèi)循環(huán)。如果沒有安裝尺寸問題建議選擇外循環(huán)
滾珠絲杠的安裝方式
絲杠軸安裝方式:;
固定——支撐;
固定——固定;
支撐-- ----支撐
固定--- ---自由
所謂“固定”支承就是指采用一對(duì)角接觸球軸承支承,使絲杠端部在軸向、徑向均受約束
所謂“支承”也稱為簡(jiǎn)支支承,就是采用深溝球軸承,只在徑向提供約束,在軸向則是自由的而不施加限制,當(dāng)絲杠因?yàn)闊嶙冃味形⒘可扉L(zhǎng)時(shí),絲杠端部可以作微量的軸向浮動(dòng)
所謂“自由”支承就是指絲杠端部沒有支承結(jié)構(gòu),呈懸空狀態(tài)
(1) 一端固定一端支承
滾珠絲杠機(jī)構(gòu)最典型、最常用的安裝方式為通常所說的一端固定一端支承安裝方式,滾珠絲杠機(jī)構(gòu)最典型、最常用的安裝方式為通常所說的一端固定一端支承安裝方式。
(A)一端支撐一端固定
應(yīng)用場(chǎng)合
該方式適用于中等速度、剛度及精度都較高的場(chǎng)合,也適用于長(zhǎng)絲杠、臥式絲杠。
(2)兩端固定
兩端固定安裝方式就是在絲杠的兩端均采用兩只角接觸球軸承支承,使絲杠在軸向、徑向均受約束,分別用鎖緊螺母和軸承端蓋將軸承內(nèi)環(huán)和外環(huán)壓緊。
這種安裝方式下絲杠與軸承間無軸向間隙,兩端軸承都能夠施加預(yù)壓,經(jīng)預(yù)壓調(diào)整后,絲杠的軸向剛度比一端固定一端支承安裝方式約高4倍,且無壓桿穩(wěn)定性問題,固有頻率也比一端固定一端支承安裝方式髙,因而絲杠的臨界轉(zhuǎn)速大幅提高。但這種安裝方式也有缺點(diǎn)如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)絲杠的熱變形伸長(zhǎng)較為敏感等合：
試用的場(chǎng)合：
適用在高轉(zhuǎn)速高精度上
B兩端固定
(3)兩端支承
兩端支承安裝方式就是在絲杠兩端均采用深溝球軸承支承,兩端軸承均只在徑向?qū)z杠施加限制,軸向未限制。
(C)兩端支撐
應(yīng)用場(chǎng)合:
該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,屬于一般的簡(jiǎn)單安裝方式,適用于中等速度、剛度與精度都要求不高的一般場(chǎng)合。
(4) 一端固定一端自由
端固定一端自由安裝方式表示絲杠的一端釆用固定端支撐單元,另一端則讓其懸空,處于自由狀態(tài)。
(D)一端固定一端自由
這種安裝方式在固定端同樣采用兩只角接觸球軸承,使絲杠在軸向、徑向均受約束,分別用鎖緊螺母和軸承端蓋將軸承內(nèi)環(huán)和外環(huán)壓緊。絲杠另一端是完全自由的,不施加任何支承結(jié)構(gòu)。
應(yīng)用場(chǎng)合:
該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,軸向剛度與臨界轉(zhuǎn)速低,絲杠穩(wěn)定性差,一般只用于絲杠長(zhǎng)度較短轉(zhuǎn)速較低的場(chǎng)合,如垂直布置的絲杠。如果采用這種支承方式,為了保證機(jī)構(gòu)的工作精度,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能使絲杠在拉伸狀態(tài)下工作,也就是使絲杠自由端在下方、固定端在上方,依靠絲杠及負(fù)載的重量使絲杠處于拉伸狀態(tài)。
滾珠絲杠的特點(diǎn)
(1)驅(qū)動(dòng)扭矩小
由于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)滾珠沿絲杠與螺母共同組成的螺旋滾道作滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)阻力極小,驅(qū)動(dòng)扭矩僅為螺紋絲杠機(jī)構(gòu)的1/3以下,只需要很小的驅(qū)動(dòng)功率。
(2)運(yùn)動(dòng)可逆
滾珠絲杠機(jī)構(gòu)不僅可以將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺母(及負(fù)載滑塊)的直線運(yùn)動(dòng),也可以很容易地將螺母的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此絲杠在豎直方向使用時(shí),應(yīng)增加制動(dòng)裝置。
(3)高精度
滾珠絲杠機(jī)構(gòu)在加工、組裝、檢測(cè)等環(huán)節(jié)都經(jīng)過嚴(yán)格的控制,屬于高精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),加上運(yùn)行時(shí)發(fā)熱較少,可以實(shí)現(xiàn)很高的傳動(dòng)精度,使負(fù)載精確定位。
(4)能微量進(jìn)給
由于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)中的滾珠為滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式,啟動(dòng)扭矩極小,不會(huì)出現(xiàn)如滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)中容易出現(xiàn)的低速蠕動(dòng)或爬行現(xiàn)象,所以能實(shí)現(xiàn)高精度微量進(jìn)給,最小進(jìn)給量可達(dá)0.1pm
(5)高剛性
如果滾珠絲杠機(jī)構(gòu)存在軸向間隙,當(dāng)改變軸向負(fù)載的方向時(shí),上述軸向間隙就成為負(fù)載運(yùn)動(dòng)誤差的重要來源。通過對(duì)滾珠絲杠機(jī)構(gòu)施加預(yù)壓,可以使上述軸向間隙為零或零以下(負(fù)間隙),從而獲得高剛性,提高機(jī)構(gòu)在負(fù)載狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)精度
(6)能高速進(jìn)給
由于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)可以制造成較大的導(dǎo)程,傳動(dòng)效率高,發(fā)熱低,因而能實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給。在保證低于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)臨界轉(zhuǎn)速的前提下,大導(dǎo)程滾珠絲杠副可以實(shí)現(xiàn)100m/min甚至更高的進(jìn)給速度
(7)傳動(dòng)效率高
通常在螺紋絲杠機(jī)構(gòu)中僅能夠達(dá)到20%~40%的機(jī)械傳動(dòng)效率,而滾珠絲杠機(jī)構(gòu)可以獲得很高的機(jī)械傳動(dòng)效率,最高可以達(dá)到98%
(8)使用壽命長(zhǎng)
滾珠絲杠機(jī)構(gòu)中螺母及絲杠的硬度均達(dá)到HRC8~HRC62,滾珠硬度達(dá)到HRC62HRC66,而且采用滾動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式,幾乎在沒有磨損的狀態(tài)下運(yùn)行,因而可以達(dá)到較長(zhǎng)的使用壽命
滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)為價(jià)格較貴,但由于具有上述一系列的突出優(yōu)點(diǎn),能夠在自動(dòng)機(jī)械的各種場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)所需要的精密傳動(dòng)因而仍然在工程上得到了極廣泛的應(yīng)用
絲杠端部設(shè)計(jì)
絲杠端部的形狀是根據(jù)絲杠兩端的支撐結(jié)構(gòu)形式及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式來設(shè)計(jì)的,當(dāng)確定絲杠端部的支撐結(jié)構(gòu)形式及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式后,絲杠端部的形狀設(shè)計(jì)就可以確定了。支撐結(jié)構(gòu)決定絲杠與軸承之間的配合結(jié)構(gòu),傳動(dòng)結(jié)構(gòu)決定絲杠如何與電機(jī)輸出軸連接。
例如電機(jī)通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)絲杠時(shí),絲杠端部就必須設(shè)計(jì)為光軸的形式;如果電機(jī)通過齒輪或同步帶輪驅(qū)動(dòng)絲杠,則絲杠端部就必須設(shè)計(jì)鍵槽結(jié)構(gòu);如果絲杠端部采用支撐端支撐單元,則絲杠端部就必須設(shè)計(jì)為帶彈性擋圈安裝溝槽的結(jié)構(gòu);如果絲杠端部采用固定端支撐單元,則絲杠端部就必須設(shè)計(jì)為帶鎖緊螺紋的結(jié)構(gòu).圖ABC為常用的幾種絲杠端部形狀。
(A)
為典型的絲杠固定端端部形狀,用于安裝固定端支撐單元。光軸部分用于與彈性聯(lián)軸器裝配在起,再通過聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸連接
(B)
(b)為典型的絲杠支撐端端部形狀,用于安裝支撐端支撐單元。端部裝人軸承孔后,用彈性擋圈將軸承軸向定位,絲杠端部與軸承一起可以在軸承座內(nèi)作軸向移動(dòng)。
(C)
也屬于典型的絲杠固定端端部形狀,用于安裝固定端支撐單元。端部帶鍵槽部分用于連接裝配同步帶輪或齒輪
滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的裝配附件及其選型
在使用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)時(shí),除向制造商訂購(gòu)所需要的滾珠螺母及絲杠外,根據(jù)滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的安裝方式,還需要訂購(gòu)以下裝配附件:
絲杠支撐單元
鎖緊螺母
螺母支座
絲杠支撢單元
在攴撐單元中,制造商將軸承座、軸承、鎖緊螺母、調(diào)整環(huán)、密封圈等零部件集成到起,并完成了裝配與調(diào)整,用戶訂購(gòu)回來后直接與絲杠進(jìn)行裝配調(diào)試即可使用。通常情況下都采用直接訂購(gòu)的方式,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與制造。關(guān)于支撐單元的形式及訂購(gòu)方法見前面的介紹.
如果自行設(shè)計(jì)加工支撐單元,則需要訂購(gòu)軸承、鎖緊螺母.
2. 鎖緊螺母
鎖緊螺母的作用為對(duì)絲杠與軸承進(jìn)行軸向固定。為了保證鎖緊螺母在滾珠絲杠運(yùn)行過程中不致松動(dòng),在鎖緊螺母上還設(shè)計(jì)了緊定螺釘及保護(hù)墊片,以獲得完全沒有松弛的固定 圖13-17
一鎖緊螺母;2-保護(hù)墊片;3一緊定螺釘
螺母支座
螺母支座用于連接滾珠螺母與負(fù)載滑塊(即工作臺(tái)),如圖13-18所示。將滾珠螺母直接用螺釘連接在螺母支座上,然后將負(fù)載滑塊用螺釘直接固定在螺母支座上方平面的螺紋孔中即可,安裝簡(jiǎn)單,只要使用螺釘就可以完成裝配,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與制造,同時(shí)使機(jī)構(gòu)具有較低的安裝高度結(jié)構(gòu)非常緊湊(螺母支座圖13-18)
圖13-18螺母支座的結(jié)構(gòu)及使用方法
—滾珠螺母:2—螺母支座
滾珠絲杠機(jī)構(gòu)在裝配時(shí)需要進(jìn)行精確的位置調(diào)整,所以螺母支座與滾珠螺母的裝配孔一般都設(shè)計(jì)有約0.4mm的間隙,供裝配調(diào)試時(shí)調(diào)整滾珠螺母的位置用
