滚珠丝杠螺母副.ppt

机械传动部件的选择与设计,第二节,机电一体化系统对机械系统的要求：高定位精度、良好的动态响应,机电一体化系统不仅仅是一个机电系统，更是一个自动控制系统，因此要有快速性、准确性和稳定性。,2.1 机械系统部件的设计要求,采取的措施：,低摩擦：采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件；短传动链：缩短传动链，提高传动与支承刚度；丝杠预紧；最佳传动比：选择最佳传动比，提高分辨率，降低等效转动惯量；反向死区误差小：缩小反向死区；高刚性：改进支承结构，提高刚度，减小振动和噪声。,一、机械传动部件及其功能要求,2.2 机械传动部件的选择与设计,对传动机构的要求：1）精密化2）高速化3）小型化、轻量化,传动的目的：传递转矩与转速。传动方式：螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、非线性传动等,二、丝杠螺母传动,a）滑动丝杠螺母机构：优点：a)结构简单b)加工方便c)成本低d)具有自锁功能缺点：a)摩擦阻力较大b)传动效率低(30%40%),丝杠螺母机构主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。丝杠螺母机构主要分为滑动丝杠螺母机构和滚珠丝杠螺母机构。,b）滚动丝杠螺母机构：优点：a)传动效率高（92%98%）b)摩擦阻力小c)传动精度高缺点：a)结构复杂b)成本高c)无自锁功能,二、丝杠螺母传动,1）螺母固定，丝杠转动并移动：,特点：结构简单，传动精度较高，螺母支撑杆可消除附加轴向窜动，刚性较差，适用于工作行程较小的场合。,按丝杠和螺母相对运动情况分为四种类型：,二、丝杠螺母传动,2）丝杠转动，螺母移动：,特点：结构紧凑，丝杠刚性要求高。要限制螺母转动，故需导向装置，丝杠刚性好，适用于行程较大的场合。,二、丝杠螺母传动,3）螺母转动，丝杠移动：,特点：结构复杂，占用空间大，传动时需限制螺母移动和丝杠转动。,二、丝杠螺母传动,4）丝杠固定，螺母转动并移动：,特点：结构简单，紧凑，丝杆刚性较高，但使用不方便，应用较少。,二、丝杠螺母传动,5）差动传动：,特点：调节方便，可实现微动或快速移动，应用广泛。,二、丝杠螺母传动,设螺杆2左、右两段螺纹的旋向相同,且导程分别为Ph1和Ph2。当螺杆2转动角时,可动螺母1的移动距离L为,如果Ph1 与Ph2相差很小,则 L很小。因此差动螺旋常用于各种微动装置中。,二、丝杠螺母传动,若螺杆2左、右两段螺纹的旋向相反,则当螺杆2转动角时,可动螺母1的移动距离为,可见,此时差动螺旋变成快速移动螺旋,即螺母1相对固定端快速趋近或离开。这种螺旋装置用于要求快速夹紧的夹具或锁紧装置中。,二、丝杠螺母传动,三、滚珠丝杠副传动部件,1、滚珠丝杠副的组成及特点（1）组成,滚珠丝杠螺母副的组成：,带螺纹槽的丝杠 带螺纹槽的螺母 滚珠 反向器,（2）特点,优点：,1）传动效率高（0.9)2）轴向刚度高3）运动平稳，传动精度高4）磨损小，寿命长,缺点：,1）不能自锁2）结构复杂3）成本高,2、滚珠丝杠副的典型结构类型,（1）螺纹滚道型面的形状及主要尺寸,主要尺寸：,理想接触角=450,单圆弧型,特点：接触角随轴向载荷的变化而变化,双圆弧型,特点：角基本保持不变，加工成本高,（2）滚珠的循环方式,内循环外循环,1）内循环,滚珠在循环的过程中始终没有脱离丝杠。,在螺母2的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器4，利用反向器引导滚珠3越过丝杠1的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。,浮动式反向器的循环,反向器弧面上加工有圆弧槽，槽内安装碟片4，外有弹簧套2.借助拱形片簧的弹力，始终给反向器一个径向推力，使位于回珠圆弧槽内的滚珠与丝杠3表面保持一定的压力。,特点：,滚珠循环回路短，流畅性好，效率高；,螺母的径向尺寸小，加工困难，装配调整不易；适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密进给系统。,2）外循环,滚珠在循环反向时离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动。,特点：,滚珠循环回路长，流畅性差，效率低；,工艺简单，螺母的径向尺寸大，易于制造；挡珠器刚性差，易磨损。,螺旋槽式,在螺母的外表面铣出螺纹凹槽，槽的两端钻出两个与螺纹滚道相切的通孔，螺纹滚道内装入两个档珠器4引导滚珠3通过,通过这两个通孔，应用套筒1盖住凹槽，构成滚珠的循环回路。,插管式,用一插管代替螺纹凹槽，弯管的两端插入与螺纹滚道相切的两个内孔，用弯管的端部引导滚珠进入弯管，构成滚珠的循环回路。,端盖式,特点：应用较少，常以单螺母形式用作升降传动机构。,3、滚珠丝杠副的主要尺寸参数,公称直径,丝杠大径,丝杠小径,滚珠直径,螺母小径,螺母大径,（1）公称直径do,指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠副的特征尺寸。,（2）基本导程Ph,定义：丝杠相对螺母旋转2弧度时，螺母上基准点的轴向位移;,导程小精度高承载能力小,（3）行程,转动滚珠丝杠或滚珠螺母时，滚珠丝杠或滚珠螺母的轴向位移量。,（4）滚珠直径 db,滚珠直径大，则承载能力也大。应根据轴承厂提供的尺寸选用,（5）滚珠个数N,N过多，流通不畅，易产生阻塞；N过少，承载能力小，滚珠自载加距磨损和变形,一般取：N150,（6）滚珠的工作圈（或列）数 j,由于第一、第二、第三圈（或列）分别承受轴向载荷的50%、30%、20%左右，因此工作圈（或列）数一般取:,j=2.53.5,4、滚珠丝杠副的精度等级及标注方法,（1）精度等级 根据GB/T17587.3-1998（与ISO 3408-3：1992同）标准：将滚珠丝杠副的精度分成为七个等级,1、2、3、4、5、7、10，1级为最高,按实际使用要求，在每一精度等级内指定了行程偏差和变动量允差大小。,行程偏差的验收检验项目,（2）标注方法,滚珠丝杠 规格：R40-10B2-FSV-185-340-0.018R：右旋；40：公称直径40毫米；10：导程10毫米；B2：每列2.5圈滚珠，共2列；F：法兰型螺母；S：单螺母；V：插管式外循环；185：丝杠螺纹部分长度185毫米；340：丝杠总长340毫米；0.018：任意300毫米内的导程误差是0.018毫米。,（3）尺寸系列,公称直径系列（mm）6、8、10、12、16、20、25、32、40公称导程系列（mm）1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12.,注意：尽可能优先选用公称导程为4、5、6、8系列的滚珠丝杠螺母副,（4）推荐采用的精度等级,数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭环进给系统，根据定位精度和重复定位精度的要求可选用1、2、3级；一般传动可选用4、5级；全闭环系统可选用2、3、4级。,5、滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧,采用方法：,（1）双螺母螺纹预紧调整法,特点：结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量调整,（2）双螺母齿差预紧调整法,特点：,可实现定量调整，使用中调整方便；可进行精密微调（如0.002mm），使用中调整较为方便。,（3）双螺母垫片预紧调整法,结构简单，刚性高，预紧可靠，但使用中调整不方便,1-垫片；2-螺母,（4）弹簧式自动调整预紧式,能消除在使用过程中由于磨损或弹性变形产生的间隙，但结构复杂，轴向刚度低；适用于轻载场合。,（5）单螺母变位导程自预紧式和单螺母滚珠过盈预紧式,结构简单紧凑，但使用中不能调整，制造困难,6、滚珠丝杠副支承方式的选择,采用推力轴承为主的轴承组合来提高轴向刚度。,1）双推-自由式,特点：轴向刚度和承载能力低，多用于轻载、低速的垂直安装丝杠传动系统；当丝杠垂直安装时，必须采用制动装置。,（1）支承方式,2）双推-简支式,特点：预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统,3）单推-单推式,特点：轴向刚度较高，预紧力大，寿命低,4）双推-双推式,特点：适合于高刚度，高速度，高精度的精密丝杠传动系统。,轴承的组合安装支承示例简易单推-单推式支承,双推-简支支承方式,双推-自由式支承,四种支承方式的比较：,支承方式,刚度,承载能力,双推-自由,双推-简支,单推-单推,双推-双推,低,高,低,高,7、滚珠丝杠副的选择方法,（1）滚珠丝杠副结构的选择,根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，选择适当的结构型式。,（2）滚珠丝杠副结构尺寸的选择,1）公称直径d0,公称直径应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择；,公称直径的大小与承载能力有关，一般推荐,2）基本导程Ph,Ph应按承载能力及传动精度、传动速度选取；,要求传动速度快时，可选用较大导程的滚珠丝杠副。,Ph大，承载能力大Ph小，传动精度高,基本导程的选择原则：,在满足数控机床加工精度的条件下，导程应尽可能取大些.,四、齿轮传动部件,当齿轮传动系统传递转矩时，要求要有足够的刚度，其转动惯量尽量小，精度要求较高；,齿轮传动比 i 应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求。,（1）齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择,（2）各级传动比的分配,1）最小等效转动惯量原则2）质量最小原则3）输出轴的转角误差最小原则,三种原则的选择：,1）对于以提高传动精度和减小回程误差为主的降速齿轮传动链，可按输出转角误差最小原则设计；,2）对于要求运动平稳、启停频繁和动态性能好的伺服减速传动链，可按最小等效转动惯量和输出轴转角误差最小原则进行设计；,3）对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按质量最小原则进行设计；,4）对于传动比很大的齿轮传动链，可把定轴轮系和行星轮系结合使用；,5）对于相当大的传动比，并且要求传动精度与传动效率高、传动平稳、体积小重量轻时，可选用新型的谐波齿轮传动。,2、谐波齿轮传动,谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大（几十到几百）、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点。故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。,（1）工作原理,圆柱齿轮传动,3、常用的齿轮传动间隙的调整方法,1）偏心套调整法2）轴向垫片调整法3）双片薄齿轮错齿调整法,斜齿轮传动,双片薄齿轮错齿调整法,偏心套（轴）调整法,特点：结构简单，但其侧隙不能自动补偿。,轴向垫片调整法,特点：结构简单，但其侧隙不能自动补偿。,双片薄齿轮错齿调整法,周向弹簧式可调拉簧式,其方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两个薄片齿轮组成，采取措施是使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左右两侧，以消除齿侧间隙。,五、挠性传动部件,同步齿形带传动钢带传动链条传动,同步带传动,带传动的类型、结构,特点：,优点：传动效率高（可达98%），能吸振，噪声低，传动平稳，能高速运行，维护保养方便等；缺点：带在带轮上有相对滑动，不能保证准确的传动比；传动效率较低，带的寿命较短；传动的外廓尺寸大；带传动需要张紧，支承带轮的轴和轴承受力较大。,棘轮传动机构,1、机构组成,六、间歇传动机构,它主要有摇杆、棘爪、棘轮、止动爪和机架组成。,摇杆逆时针摆动棘爪插入齿槽棘轮转过角度制动爪划过齿背摇杆顺时针摆动棘爪划过脊背制动爪阻止棘轮作逆时针转动棘轮静止不动因此当摇杆作连续的往复摆动时，棘轮将作单向间歇转动。,2、工作过程,工作原理：拨盘的连续运动转换为槽轮的单向间歇运动。槽轮每转动一次和停歇一次构成一个运动循环。,6.2 槽轮机构,一、槽轮机构的工作原理,2.3 导向支承部件的选择与设计,导向支撑机构用于保证运动部件沿着一定的轨迹（直线或圆）运动，并承受运动部件上的载荷。,作用：支承、限制运动部件按给定的要求和规定的运动方向运动组成：承导件、运动件分类：直线运动导轨副、回转运动导轨副、滑动导轨、滚动导轨,滚动轴承导轨,常用导轨形式,导轨副应满足的基本要求,基本要求：精度高、刚性好、运动平稳、耐磨性好、工艺性好（1）导向精度 概念 是指动导轨按给定方向作直线运动的准确程度。决定因素 导轨的结构类型、几何精度、接触精度 几何精度的指标,V、H平行度,导轨在垂直平面内的直线度,导轨在水平平面内的直线度,两导轨面间的平行度（扭曲度）,（2）刚度,概念静刚度、动刚度 抵抗恒定载荷的能力称为静刚度；抵抗交变载荷的能力称为动刚度。变形的三种基本形式：自身变形、局部变形、接触变形,产生自身变形的原因，解决办法由于作用在导轨面上的零、部件重量（包括自重）而引起，它主要与导轨的类型尺寸以及材料有关。产生局部变形的原因接触变形的产生机理在两个平面接触处。由于加工造成的微观不平度，使其实际接触面积仅是名义接触面积的很小一部分，因而产生接触变形。,（3）精度保持性,由耐磨性决定取决于导轨的材料、结构、表面情况、受力情况应进行正确的润滑与防护多层金属板伸缩式防护罩,多种形式的导轨防护罩,（4）运动灵活性和低速平稳性,什么是爬行现象？运动件在低速运行时（如0.05mm/min），往往不是作连续的匀速运动，而是时走时停，即爬行。主要原因是摩擦系数随运动速度的变化和传动系统的刚性不足。,机电一体化系统和计算机外围设备等精度和运动速度都比较高，低速运动或微量位移时不出现爬行现象；高速运动时应无振动。,传动系统带动运动件3在静导轨4上运动时，作用在导轨内的摩擦力是变化的。导轨副相对静止时，静摩擦系数较大。运动开始的低速阶段，动摩擦系数随着导轨副相对滑动速度的增大而降低。直到相对速度增大到某一临界值，动摩擦系数才随相对速度的减小而增加。,防止出现爬行现象的措施,采用滚动导轨、静压导轨、卸荷导轨，贴塑料层导轨等在普通滑动导轨上使用含有极性添加剂的导轨油；用减小结合面、增大结构尺寸、缩短传动链、减小传动副等方法来提高传动系统的刚度。,二、滑动导轨副的结构及选择,1、导轨副的截面形状及特点2、导轨副的组合形式3、导轨副间隙的调整4、导轨副材料的选择5、提高导轨副耐磨性的措施,滚动导轨副的选择及类型,优点：摩擦系数小启动阻力小，避免爬行现象刚度高，精度好润滑方便标准件，可外购,缺点：接触应力大，易震动对导轨的尺寸精度和表面精度要求高结构复杂，成本高需防护措施,对滚动导轨副的基本要求,1、导向精度 保证工作质量；2、耐磨性 保证精度和使用期限；3、刚度 保证运行平稳；4、工艺性 保证装配，维修和保养。,滚动导轨副的分类,滚动体不循环,滚动体循环,滚动导轨副的类型与选择,1、直线运动导轨副的特点及要求2、滚动导轨副的分类,2.5机电一体化系统的机座或机架,基本要求刚度与抗振性热变形稳定性,机座设计要点,保证自身刚度、局部刚度和接触刚度保证自身刚度的措施：合理选择截面尺寸合理布置肋板和加强筋合理开孔、加盖,提高接触刚度：提高固定接触面的粗糙度预压力合理的结构设计,机座的结构工艺性设计,机座一般体积较大、结构复杂、成本高,机座材料的选择：铸铁、钢、非金属材料焊接机架的设计：优点注意接头形式,