滾珠絲杠的結構和原理.doc

滾珠絲杠的結構和原理文章來源：濟寧歐特精密機械有限公司 訪問商鋪 添加人：ljwgdmy 添加時間：2009-7-6 滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠的結構：滾珠絲杠副的結構傳統(tǒng)分為內循環(huán)結構(以圓形反向器和橢圓形反向器為代表)和外循環(huán)結構(以插管為代表)兩種。這兩種結構也是最常用的結構。這兩種結構性能沒有本質區(qū)別，只是內循環(huán)結構安裝連接尺寸小；外循環(huán)結構安裝連接尺寸大。目前，滾珠絲杠副的結構已有10多種，但比較常用的主要有：內循環(huán)結構；外循環(huán)結構；端蓋結構；蓋板結構。滾珠絲杠原理：     1、按照國標GB/T17587.3-1998及應用實例，滾珠絲杠（目前已基本取代梯形絲桿，已俗稱絲桿）是用來將旋轉運動轉化為直線運動；或將直線運動轉化為旋轉運動的執(zhí)行元件，并具有傳動效率高，定位準確等     2、當滾珠絲杠作為主動體時，螺母就會隨絲桿的轉動角度按照對應規(guī)格的導程轉化成直線運動，被動工件可以通過螺母座和螺母連接，從而實現(xiàn)對應的直線運動。滾珠絲杠的特點：1、與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3滾珠絲桿的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。2、高精度的保證滾珠絲桿是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度·濕度進行了嚴格的控制,由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。3、微進給可能滾珠絲桿由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。4、無側隙、剛性高滾珠絲桿可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。5、高速進給可能滾珠絲桿由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。精度公差:C10,C7,C5,C3,C2,C1-數(shù)字越小，精度越高。世界主要滾珠絲桿生產(chǎn)制造商：臺灣ZTPM 正攀滾珠絲桿，臺灣上銀 hiwin滾珠絲桿，臺灣ABBA滾珠絲桿，臺灣PMI滾珠絲桿，中國南京工藝滾珠絲桿，韓國SBC滾珠絲桿、日本THK滾珠絲桿、日本NSK滾珠絲桿，德國STAR滾珠絲桿等.滾珠絲杠加工注意問題：滾珠絲杠加工時，螺桿預拉就是在裝配時用螺桿兩端的鎖緊螺母按要求對螺桿的長度方向施加一定的拉力以調整螺桿正反螺母的反向緊度，原因是螺桿在運行中溫升時，熱應力效應會使螺桿伸長，使螺桿的長度變得不穩(wěn)定。目的是為了有效消除該部件的彈性變量以期獲得平穩(wěn)的運動精度。否則在微量進給時當滑鞍或工作臺的阻尼力大于螺桿及螺母的彈性力矩時工作臺不發(fā)生位移，隨著不斷的進給螺桿及螺母的累積彈性力矩超過工作臺阻尼力矩此時的工作臺產(chǎn)生沖動位移。雖然總的進給量可能不受影響、但實際的步數(shù)、每步的進給量與控制器的輸出產(chǎn)生誤差，其后果是嚴重影響加工精度。滾珠絲杠應用：行業(yè)包括:IT產(chǎn)業(yè) 、汽車、家用電器、工作機械、鐵路、鋼鐵、工程機械發(fā)電廠電廠、石化機械等。廣泛應用于數(shù)控機床，電子設備，自動化設備，激光設備，醫(yī)療器械等領域 滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產(chǎn)品。 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。 滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 編輯本段特點1、與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。 2、高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。 3、微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。 4、無側隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。 5、高速進給可能 滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。 精度公差:P5 .P7 - 編輯本段世界主要滾珠絲杠生產(chǎn)制造商德國博士·力士樂（BOSCH-REXROTH）滾珠絲杠，德國布里斯（BLIS）滾珠絲杠，德國A·曼內斯曼(A·MANNESMANN)滾珠絲杠，日本NSK滾珠絲杠、日本THK滾珠絲杠、日本黑田精工(KURODA)滾珠絲杠、南京工藝裝備制造廠滾珠絲杠（商標“中國藝工”），漢江機床廠滾珠絲杠，臺灣上銀HIWIN滾珠絲杠、臺灣ABBA滾珠絲杠、韓國SBC滾珠絲杠等。 編輯本段THK滾珠絲杠系列產(chǎn)品與應用超高DN值滾珠絲杠：高速工具機，高速綜合加工中心機 端蓋式滾珠絲杠：快速搬運系統(tǒng)，一般產(chǎn)業(yè)機械，自動化機械 高速化滾珠絲杠：CNC機械、精密工具機、產(chǎn)業(yè)機械、電子機械、高速化機械 精密研磨級滾珠絲杠：CNC機械，精密工具機，產(chǎn)業(yè)機械，電子機械，輸送機械，航天工業(yè)，其它天線使用的致動器、閥門開關裝置等 螺帽旋轉式（R1）系列滾珠絲杠：半導體機械、產(chǎn)業(yè)用機器人、木工機、雷射加工機、搬送裝置等 軋制級滾珠絲杠：低摩擦、運轉順暢的優(yōu)點，同時供貨迅速且價格低廉 重負荷滾珠絲杠：全電式射出成形機、沖壓機、半導體制造裝置、重負荷制動器、產(chǎn)業(yè)機械、鍛壓機械 滾珠絲杠副故障診斷滾珠絲杠副故障大部分是由于運動質量下降、反向間隙過大、機械爬行、潤滑不良等原因造成的。下表滾珠絲杠副常見故障以及診斷方法。 序號故障現(xiàn)象故障原因排除方法1加工件粗糙度值高導軌的潤滑油不足夠，致使溜板爬行加潤滑油，排除潤滑故障滾珠絲杠有局部拉毛或研損更換或修理絲杠絲杠軸承損壞，運動不平穩(wěn)更換損壞軸承伺服電動機未調整好，增益過大調整伺服電動機控制系統(tǒng)2反向誤差大，加工精度不穩(wěn)定絲杠軸聯(lián)軸器錐套松動重新緊固并用百分表反復測試絲杠軸滑板配合壓板過緊或過松重新調整或修研，用0.03mm塞尺不入為合格絲杠軸滑板配合楔鐵過緊或過松重新調整或修研，使接觸率達70以上，用0.03mm賽尺不入為合格滾珠絲杠預緊力過緊或過松調整預緊力，檢查軸向竄動值，使其誤差不大于0.015mm滾珠絲杠螺母端面與結合面不垂直，結合過松修理、調整或加墊處理絲杠支座軸承預緊力過緊或過松修理調整滾珠絲杠制造誤差大或軸向竄動用控制系統(tǒng)自動補償能消除間隙，用儀器測量并調整絲杠竄動潤滑油不足或沒有調節(jié)至各導軌面均有潤滑油其他機械干涉排除干涉部位3滾珠絲杠在運轉中轉矩過大二滑板配合壓板過緊或研損重新調整或修研壓板，使0.04mm塞尺塞不入為合格滾珠絲杠螺母反向器損壞，滾珠絲杠卡死或軸端螺母預緊力過大修復或更換絲杠并精心調整絲杠研損更換伺服電動機與滾珠絲杠聯(lián)接不同軸調整同軸度并緊固連接座無潤滑油調整潤滑油路超程開關失靈造成機械故障檢查故障并排除伺服電動機過熱報警檢查故障并排除4絲杠螺母潤滑不良分油器是否分油檢查定量分油器油管是否堵塞清除污物使油管暢通5滾珠絲杠副噪聲滾珠絲杠軸承壓蓋壓合不良調整壓蓋，使其壓緊軸承滾珠絲杠潤滑不良檢查分油器和油路，使?jié)櫥统渥銤L珠產(chǎn)生破損更換滾珠電動機與絲杠聯(lián)軸器松動擰緊聯(lián)軸器鎖緊螺釘What about Material and Heat-Treatment?(材料和熱處理)The hardness of ball groove on the shaft largely influences life expectancy of a ball screw.  In addition, the shaft must possess a strength required as a drive shaft.滾道的硬度大大影響絲杠的壽命。此外，絲杠必須有足夠的強度以滿足作為一個驅動軸的需求。The following table shows the material composition and heat treating details of a ball screw system.下表列出了絲杠部件的材料構成和熱處理工藝。PARTS零件MATRIAL材料HEAT TREATMENT熱處理Hardness硬度SHAFT絲杠Chromium molybdenum steelAISI 4150HV(dia. 15mm or larger)Induction hardening感應淬火HRc 58-62Chromium molybdenum steelSCM415 (SCM21)(dia. 14mm or smaller)Carburization滲碳HRc 58-62NUT螺母Chromium molybdenum steelSCM20 (SCM22)Carburization滲碳HRc 58-62STEEL BALL鋼球Center (Original material hardness)High-carbon chromium bearing steel SUJ 2Through Hardening通體淬火HRc 62-67Ball screw shafts and nuts are surface hardened for the following reasons.絲杠和螺母表面淬火的原因如下：(1) Ball races are hardened since it largely affects life.滾道必須淬硬，因為會大大影響壽命。(2) They are not through-hardened to avoid becoming brittle and prone to breakage.    他們不進行通體淬火的原因是防止變脆易遭破壞。In other cases where high temperature immunity and anti-corrosive property are desired, stainless steel (SUS440C) is used.  The stainless steel components are heat treated to achieve HRc5659 hardness. 在高溫或者耐腐蝕的環(huán)境中，可以要求使用不銹鋼制品(SUS440C).不銹鋼制品熱處理后的硬度可以達到HRc5659。精密滾珠絲杠副選用和使用中的注意事項預緊載荷的確定   為了防止造成絲杠傳動系統(tǒng)的任何失位，保證傳動精度，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，必須施加一定的預緊載荷。   施加了預緊載荷后，摩擦轉矩增加，并使工作時的溫升提高。因此必須恰當?shù)卮_定預緊載荷（最大不得超過10%的額定動載荷），以便在滿足精度和剛度的同時，獲得最佳的壽命和較低的溫升效應。潤滑   在使用滾珠絲杠副時，必須要有足夠的潤滑，如果潤滑不夠，將導致摩擦和磨損的增加，造成故障或壽命縮短等。油潤滑· 一般情況下，用于滾動軸承的礦物油都適用。· 特別是在高轉速情況下，以油潤滑比脂潤滑佳，這時滾珠絲杠副的溫升較小。· 油潤滑的補充潤滑量和間隔，按下表，按表中的油量，至少可以達到8小時的補充潤滑時間。公稱直徑 首次潤滑量 補充潤滑量 160.30.05200.60.08250.80.1321.00.2402.00.5502.01.0634.01.0806.01.510010.02.0脂潤滑   采用脂潤滑的優(yōu)點可以使?jié)L珠絲杠傳動系統(tǒng)在一段很長時間后才需進行補充。也就是說，在多數(shù)情況下，可以省去一套補充潤滑的裝置。補充潤滑脂的限量為大約填入螺母內空間容積的一半。 可以使用所有高級滾動軸承潤滑脂，但要注意潤滑脂廠家的提示說明！   潤滑脂的補充通常在半年或一年進行更換，更換前應清除舊潤滑脂后才能更換新的潤滑脂。防塵   滾珠絲杠與滾動軸承一樣，如果污物及異物（切屑碎屑）進入就會很快使它磨損，成為損壞的原因。困此，必須采用防護裝置（折疊式或伸縮式絲杠護套）將絲杠軸完全防護起來。   另外雖沒有別的異物，但有浮塵時要在螺母兩端采用刮屑式防塵圈。本公司在供貨時螺母兩端采用刮屑式防塵圈。本公司在供貨時螺母兩端已裝有橡膠防塵圈，以達到防塵的效果。設計與使用時注意防止逆轉 滾動螺旋傳動逆轉率高，不能自鎖。為了使螺旋副受力后不逆轉，應考慮設置防逆轉裝置，如采用制動電機、步進電機，在傳動系統(tǒng)中設有能夠自鎖的機構（如蝸桿傳動）；在螺母、絲杠或傳動系統(tǒng)中裝設單向離合器、雙向離合器、制動器等。選用離合器時，必須注意其可靠性。防止螺母脫出 在滾動螺旋傳動中，特別是垂直傳動，容易發(fā)生螺母脫出造成事故，設計時必須考慮防止螺母脫出的安全裝置。安裝· 滾珠絲杠副安裝到機床時，請不要把螺母從絲杠上拆下來。· 但在必須把螺母卸下來的場合時，要使用比絲杠底徑小0.20.3mm安裝輔助套筒。   將安裝輔助套筒推至螺紋起始端面，從絲杠上將螺母旋至輔助套筒上，連同螺母、輔助套筒一并小心取下，注意不要使?jié)L珠散落。    安裝順序與拆卸順序相反。必須特別小心謹慎的安裝，否則螺母、絲杠或其它內部零件可能會受損或掉落，導致滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的提前失效。珠絲杠副的安裝滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體的螺旋傳動元件。滾珠絲杠副有多種結構型式。按滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)和內循環(huán)兩大類。外循環(huán)回珠器用插管式的較多，內循環(huán)回珠器用腰形槽嵌塊式的較多。     按螺紋軌道的截面形狀分為單圓弧和雙圓弧兩種截形。由于雙圓弧截形軸向剛度大于單圓弧截形，因此目前普遍采用雙圓弧截形的絲杠。        按預加負載形式分，可分為單螺母無預緊、單螺母變位導程預緊、單螺母加大鋼球徑向預緊、雙螺母墊片預緊、雙螺母差齒預緊、雙螺母螺紋預緊。數(shù)控機床上常用雙螺母墊片式預緊，其預緊力一般為軸向載荷的1/3。     滾珠絲杠副與滑動絲杠螺母副比較有很多優(yōu)點：傳動效率高、靈敏度高、傳動平穩(wěn)：磨損小、壽命長；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等。     滾珠絲杠螺母傳動廣泛應用于中小型數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)。在重型數(shù)控機床的短行程(6m以下)進給系統(tǒng)中也常被采用。  1滾珠絲杠副的安裝     數(shù)控機床的進給系統(tǒng)要獲得較高的傳動剛度，除了加強滾珠絲杠螺母本身的剛度之外，滾珠絲杠正確的安裝及其支承的結構剛度也是不可忽視的因素。螺母座及支承座都應具有足夠的剛度和精度。通常都適當加大和機床結合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸強度，新設計的機床在工藝條件允許時常常把螺母座或支承座與機床本體做成整體來增大剛度。     為了提高支承的軸向剛度，選擇適當?shù)臐L動軸承也是十分重要的。國內目前主要采用兩種組合方式。一種是把向心軸承和圓錐軸承組合使用，其結構雖簡單，但軸向剛度不足。另一種是把推力軸承或向心推力軸承和向心軸承組合使用，其軸向剛度有了提高，但增大了軸承的摩擦阻力和發(fā)熱而且增加了軸承支架的結構尺寸。近年來國內外的軸承生產(chǎn)廠家已生產(chǎn)出一種滾珠絲杠專用軸承，這是一種能夠承受很大軸向力的特殊向心推力球軸承，與一般的向心推力球軸承相比，接觸角增大到60º，增加了滾珠的數(shù)目并相應減小滾珠的直徑。這種新結構的軸承比一般軸承的軸向剛度提高了兩倍以上，而且使用極為方便，產(chǎn)品成對出售，而且在出廠時已經(jīng)選配好內外環(huán)的厚度，裝配時只要用螺母和端蓋將內環(huán)和外環(huán)壓緊，就能獲得出廠時已經(jīng)調整好的預緊力。     滾珠絲杠副安裝方式通常有以下幾種：     (1)雙推一自由方式   絲杠一端固定，端自由。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力。這種支承方式用于行程小的短絲杠。     (2)雙推一支承方式   絲杠一端固定，另一端支承。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力；支承端軸承只承受徑向力，而且能作微量的軸向浮動，可以避免或減少絲杠因自重而出現(xiàn)的彎曲。同時絲杠熱變形可以自由地向一端伸長。     (3)雙推一雙推方式   絲杠兩端均固定。固定端軸承都可以同時承受軸向力和徑向力，這種支承方式，可以對絲杠施加適當?shù)念A拉力，提高絲杠支承剛度，可以部分補償絲杠的熱變形。     (4)采用絲杠固定、螺母旋轉的傳動方式   此時，螺母一邊轉動、一邊沿固定的絲杠作軸向移動：由于絲杠不動，可避免受臨界轉速的限制，避免了細長滾珠絲杠高速運轉時出現(xiàn)的種種問題。螺母慣性小、運動靈活，可實現(xiàn)的轉速高。此種方式可以對絲杠施加較大的預拉力，提高絲杠支承剛度，補償絲杠的熱變形。 2滾珠絲杠副的防護和潤滑     (1)滾珠絲杠副的防護  滾珠絲杠副和其他滾動摩擦的傳動器件一樣，應避免硬質灰塵或切屑污物進入，因此必須裝有防護裝置。如果滾珠絲杠副在機床上外露，則應采用封閉的防護罩，如采用螺旋彈簧鋼帶套管、伸縮套管以及折疊式套管等。安裝時將防護罩的一端連接在滾珠螺母的側面，另一端固定在滾珠絲杠的支承座上。如果滾珠絲桿副處于隱蔽的位置，則可采用密封圈防護，密封圈裝在螺母的兩端。接觸式的彈性密封圈采用耐油橡膠或尼龍制成，其內孔做成與絲杠螺紋滾道相配的形狀；接觸式密封圈的防塵效果好，但由于存在接觸壓力，使摩擦力矩略有增加。非接觸式密封圈又稱迷宮式密封圈，它采用硬質塑料制成，其內孔與絲杠螺紋滾道的形狀相反，并稍有間隙，這樣可避免摩擦力矩，但防塵效果差。工作中應避免碰擊防護裝置，防護裝置一有損壞應及時更換。     (2)滾珠絲杠副的潤滑  潤滑劑可提高耐磨性及傳動效率。潤滑劑可分為潤滑油和潤滑脂兩大類。潤滑油一般為全損耗系統(tǒng)用油：潤滑脂可采用鋰基潤滑脂。潤滑脂一般加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內，而潤滑油則經(jīng)過殼體上的油孔注入螺母的空間內。每半年對滾珠絲杠上的潤滑脂更換一次，清洗絲杠上的舊潤滑脂，涂上新的潤滑脂。用潤滑油潤滑的滾珠絲杠副，可在每次機床工作前加油一次。 3滾珠絲杠副在高速數(shù)控機床上的應用     高速加工是面向21世紀的一項高新技術，它以高效率、高精度和高表面質量為基本特征，在航天航空、汽車工業(yè)、模具制造、光電工程和儀器儀表等行業(yè)中獲得了越來越廣泛的應用，并已取得了重大的技術經(jīng)濟效益，是當代先進制造技術的重要組成部分。為了實現(xiàn)高速加工，首先要有高速數(shù)控機床。高速數(shù)控機床必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進給系統(tǒng)，才能實現(xiàn)材料切削過程的高速化。為了實現(xiàn)高速進給，國內外有關制造廠商不斷采取措施，提高滾珠絲杠的高速性能。主要措施有：     1)適當加大絲杠的轉速、導程和螺紋頭數(shù)。目前常用大導程滾珠絲杠名義直徑與導程的匹配為：40mm×20mm，50mm×25mm，50mm×30mm等，其進給速度均可達到60m/min以上。為了提高滾珠絲杠的剛度和承載能力，大導程滾珠絲杠一般采用雙頭螺紋，以提高滾珠的有效承載圈數(shù)。     2)改進結構，提高滾珠運動的流暢性。改進滾珠循環(huán)反向裝置，優(yōu)化回珠槽的曲線參數(shù)，采用三維造型的導珠管和回珠器，真正做到沿著內螺紋的導程角方向將滾珠引進螺母體中，使?jié)L珠運動的方向與滾道相切而不是相交。這樣可把沖擊損耗和噪聲減至最小。     3)采用“空心強冷”技術。高速滾珠絲杠在運行時由于摩擦產(chǎn)生高溫，造成絲杠的熱變形，直接影響高速機床的加工精度。采用“空心強冷”技術，就是將恒溫切削液通入空心絲杠的孔中，對滾珠絲杠進行強制冷卻，保持滾珠副溫度的恒定。這個措施是提高中、大型滾珠絲杠高速性能和工作精度的有效途徑。     4)對于大行程的高速進給系統(tǒng)，可采用絲杠固定、螺母旋轉的傳動方式。此時，螺母一邊轉動、一邊沿固定的絲杠作軸向移動，由于絲杠不動，可避免受臨界轉速的限制，避免了細長滾珠絲杠高速運轉時出現(xiàn)的種種問題。螺母慣性小、運動靈活，可實現(xiàn)的轉速高。     5)進一步提高滾珠絲杠的制造質量。通過采用上述種種措施后，可在一定程度上克服傳統(tǒng)滾珠絲杠存在的一些問題。日本和瑞士在滾珠絲杠高速化方面一直處于國際領先地位，其最大快速移動速度可達60m/min，個別情況下甚至可達90m/min，加速度可達15m/s2。由于滾珠絲杠歷史悠久、工藝成熟、應用廣泛、成本較低，因此在中等載荷、進給速度要求并不十分高、行程范圍不太大(小于45m)的一般高速加工中心和其他經(jīng)濟型高速數(shù)控機床上仍然經(jīng)常被采用。