滚珠丝杠的应用
滚珠丝杠机构作为一种高精度的传动部件,大量应用在数控机床、自动化加工中心电子精密机械进给机构、伺服机械手、工业装配机器人、半导体生产设备、食品加工与包装、医疗设备等各种领域。
滚珠丝杠机构的结构
如果将滚珠丝杠机构沿纵向剖开,可以看到它主要由丝杠、螺母、滚珠、滚珠回流管防尘等组成。
在图13-4中,各部分结构的作用如下:
丝杠属于转动部件,是一种直线度非常高、上面加工有半圆形螺旋槽的螺纹轴,半圆形螺旋槽是滚珠滚动的滚道。丝杠具有很高的硬度,通常在表面淬火后再进行磨削加工保证具有优良的耐磨性能。丝杠一般与驱动部件连接在一起,丝杠的转动由电机直接或间接驱动。既可以采用直联的方法,即将电机输出轴通过专用的弹性联轴器与丝杠相联传动比为1;也可以通过其他的传动环节使电机输出轴与丝杠相连,例如同步带、齿轮等
螺母
螺母是用来固定需要移动的负载的,其作用类似于直线导轨机构的滑块。一般将所需要移动的各种负载(例如工作台、移动滑块)与螺母连接在一起,再在工作台或移动滑块上安装各种执行机构螺母内部加工有与丝杠类似的半圆形滚道,而且设计有供滚珠循环运动的回流管,螺母是滚珠丝杠机构的重要部件,滚珠丝杠机构的性能与质量很大程度上依赖于螺母。
(3)防尘片
防尘片的作用为防止外部污染物进入螺母内部。由于滚珠丝杠机构属于精密部件如果在使用时污染物(例如灰尘、碎屑、金属渣等)进入螺母,可能会使滚珠丝杠运动副严重磨损,降低机构的运动精度及使用寿命,甚至使丝杠或其他部件发生损坏,因此必须对丝杠螺母进行密封,防止污染物进入螺母
4.滚珠
在滚珠丝杠机构中,滚珠的作用与其在直线导轨、直线轴承中的作用是相同的,滚珠作为承载体的一部分,直接承受载荷,同时又作为中间传动元件,以滚动的方式传递运动。由于以滚动方式运动,所以摩擦非常小。
油孔
滚珠丝杠机构运行时需要良好的润滑,因此应定期加注润滑油或润滑脂。油孔供加润滑油。
2.滚珠丝杠机构的工作原理
滚珠丝杠机构的工作原理与螺母和螺杆之间的传动原理基本相同。当丝杠能够转动而螺母不能转动时,转动丝杠,由于螺母及负载滑块与导向部件(如直线导轨、直线轴承)连接在一起,所以螺母的转动自由度就被限制了,这样螺母及与其连接在一起的负载滑块只能在导向部件作用下作直线运动
3.滾珠丝杠机构的类型
根据加工制造方法及精度的区别,目前市场上的滚珠丝杠机构主要有以下两种类型
磨制滚珠丝杠
轧制滚珠丝杠
磨制滚珠丝杠是用精密磨削方法加工出来的,精度更高,但制造成本较高,因而价格也更贵，一般非标选择轧制滚珠丝杠
按滚珠循环方式区
内循环与外循环的选择一般按尺寸安装大小选择。尺寸位置过小选择内循环。如果没有安装尺寸问题建议选择外循环
第四节滚珠丝杠的安装方式
丝杠轴安装方式:；
固定——支撑；
固定——固定；
支撑-- ----支撑
固定--- ---自由
所谓"固定"支承就是指采用一对角接触球轴承支承,使丝杠端部在轴向、径向均受约束
所谓"支承"也称为简支支承,就是采用深沟球轴承,只在径向提供约束,在轴向则是自由的而不施加限制,当丝杠因为热变形而有微量伸长时,丝杠端部可以作微量的轴向浮动
所谓"自由"支承就是指丝杠端部没有支承结构,呈悬空状态
一端固定一端支承
滚珠丝杠机构最典型、最常用的安装方式为通常所说的一端固定一端支承安装方式,滚珠丝杠机构最典型、最常用的安装方式为通常所说的一端固定一端支承安装方式。
(A）一端支撑一端固定
应用场合
该方式适用于中等速度、刚度及精度都较高的场合,也适用于长丝杠、卧式丝杠。
(2)两端固定
两端固定安装方式就是在丝杠的两端均采用两只角接触球轴承支承,使丝杠在轴向、径向均受约束,分别用锁紧螺母和轴承端盖将轴承内环和外环压紧。
这种安装方式下丝杠与轴承间无轴向间隙,两端轴承都能够施加预压,经预压调整后,丝杠的轴向刚度比一端固定一端支承安装方式约高4倍,且无压杆稳定性问题,固有频率也比一端固定一端支承安装方式髙,因而丝杠的临界转速大幅提高。但这种安装方式也有缺点如结构复杂、对丝杠的热变形伸长较为敏感等合：
试用的场合：
适用在高转速高精度上
B两端固定
(3）两端支承
两端支承安装方式就是在丝杠两端均采用深沟球轴承支承,两端轴承均只在径向对丝杠施加限制,轴向未限制。
(C)两端支撑
应用场合:
该方式结构简单,属于一般的简单安装方式,适用于中等速度、刚度与精度都要求不高的一般场合。
一端固定一端自由
端固定一端自由安装方式表示丝杠的一端釆用固定端支撑单元,另一端则让其悬空,处于自由状态。
(D)一端固定一端自由
这种安装方式在固定端同样采用两只角接触球轴承,使丝杠在轴向、径向均受约束,分别用锁紧螺母和轴承端盖将轴承内环和外环压紧。丝杠另一端是完全自由的,不施加任何支承结构。
应用场合:
该方式结构简单,轴向刚度与临界转速低,丝杠稳定性差,一般只用于丝杠长度较短转速较低的场合,如垂直布置的丝杠。如果采用这种支承方式,为了保证机构的工作精度,设计时应尽可能使丝杠在拉伸状态下工作,也就是使丝杠自由端在下方、固定端在上方,依靠丝杠及负载的重量使丝杠处于拉伸状态。
滚珠丝杠的特点
(1)驱动扭矩小
由于滚珠丝杠机构运行时滚珠沿丝杠与螺母共同组成的螺旋滚道作滚动运动,运动阻力极小,驱动扭矩仅为螺纹丝杠机构的1/3以下,只需要很小的驱动功率。
运动可逆
滚珠丝杠机构不仅可以将丝杠的旋转运动转换为螺母(及负载滑块)的直线运动,也可以很容易地将螺母的直线运动转换为丝杠的旋转运动。因此丝杠在竖直方向使用时,应增加制动装置。
高精度
滚珠丝杠机构在加工、组装、检测等环节都经过严格的控制,属于高精度的传动机构,加上运行时发热较少,可以实现很高的传动精度,使负载精确定位。
4.能微量进给
由于滚珠丝杠机构中的滚珠为滚动运动方式,启动扭矩极小,不会出现如滑动运动中容易出现的低速蠕动或爬行现象,所以能实现高精度微量进给,最小进给量可达0.1pm
5.高刚性
如果滚珠丝杠机构存在轴向间隙,当改变轴向负载的方向时,上述轴向间隙就成为负载运动误差的重要来源。通过对滚珠丝杠机构施加预压,可以使上述轴向间隙为零或零以下(负间隙),从而获得高刚性,提高机构在负载状态下的运动精度
(6)能高速进给
由于滚珠丝杠机构可以制造成较大的导程,传动效率高,发热低,因而能实现高速进给。在保证低于滚珠丝杠机构临界转速的前提下,大导程滚珠丝杠副可以实现100m/min甚至更高的进给速度
传动效率高
通常在螺纹丝杠机构中仅能够达到20%~40%的机械传动效率,而滚珠丝杠机构可以获得很高的机械传动效率,最高可以达到98%
(8)使用寿命长
滾珠丝杠机构中螺母及丝杠的硬度均达到HRC8~HRC62,滚珠硬度达到HRC62HRC66,而且采用滚动的相对运动方式,几乎在没有磨损的状态下运行,因而可以达到较长的使用寿命
滚珠丝杠机构的缺点为价格较贵,但由于具有上述一系列的突出优点,能够在自动机械的各种场合实现所需要的精密传动因而仍然在工程上得到了极广泛的应用
丝杠端部设计
丝杠端部的形状是根据丝杠两端的支撑结构形式及传动结构形式来设计的,当确定丝杠端部的支撑结构形式及传动结构形式后,丝杠端部的形状设计就可以确定了。支撑结构决定丝杠与轴承之间的配合结构,传动结构决定丝杠如何与电机输出轴连接。
例如电机通过联轴器直接驱动丝杠时,丝杠端部就必须设计为光轴的形式;如果电机通过齿轮或同步带轮驱动丝杠,则丝杠端部就必须设计键槽结构;如果丝杠端部采用支撑端支撑单元,则丝杠端部就必须设计为带弹性挡圈安装沟槽的结构;如果丝杠端部采用固定端支撑单元,则丝杠端部就必须设计为带锁紧螺纹的结构.图ABC为常用的几种丝杠端部形状。
(A)为典型的丝杠固定端端部形状,用于安装固定端支撑单元。光轴部分用于与弹性联轴器装配在起,再通过联轴器与电机输出轴连接
(B)
(b)为典型的丝杠支撑端端部形状,用于安装支撑端支撑单元。端部装人轴承孔后,用弹性挡圈将轴承轴向定位,丝杠端部与轴承一起可以在轴承座内作轴向移动。
(C)
也属于典型的丝杠固定端端部形状,用于安装固定端支撑单元。端部带键槽部分用于连接装配同步带轮或齿轮
滚珠丝杠机构的装配附件及其选型
在使用滚珠丝杠机构时,除向制造商订购所需要的滚珠螺母及丝杠外,根据滚珠丝杠机构的安装方式,还需要订购以下装配附件:
丝杠支撑单元
锁紧螺母
螺母支座
丝杠支撢单元
在攴撑单元中,制造商将轴承座、轴承、锁紧螺母、调整环、密封圈等零部件集成到起,并完成了装配与调整,用户订购回来后直接与丝杠进行装配调试即可使用。通常情况下都采用直接订购的方式,简化设计与制造。关于支撑单元的形式及订购方法见前面的介绍.
如果自行设计加工支撑单元,则需要订购轴承、锁紧螺母.
锁紧螺母
锁紧螺母的作用为对丝杠与轴承进行轴向固定。为了保证锁紧螺母在滚珠丝杠运行过程中不致松动,在锁紧螺母上还设计了紧定螺钉及保护垫片,以获得完全没有松弛的固定 图13-17
图13-17典型的锁紧螺母结构示意图
一锁紧螺母;2-保护垫片;3一紧定螺钉
螺母支座
螺母支座用于连接滚珠螺母与负载滑块(即工作台),如图13-18所示。将滚珠螺母直接用螺钉连接在螺母支座上,然后将负载滑块用螺钉直接固定在螺母支座上方平面的螺纹孔中即可,安裝简单,只要使用螺钉就可以完成装配,简化设计与制造,同时使机构具有较低的安装高度结构非常紧凑（螺母支座图13-18）
图13-18螺母支座的结构及使用方法
—滚珠螺母:2—螺母支座
滚珠丝杠机构在装配时需要进行精确的位置调整,所以螺母支座与滚珠螺母的装配孔一般都设计有约0.4mm的间隙,供装配调试时调整滚珠螺母的位置用