滚珠丝杠（精选7篇）
滚珠丝杠 篇1
1 滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素
1.1 摩擦力矩的组成
滚珠丝杠副的摩擦主要来自以下方面:材料弹性所引起的纯滚动摩擦;在滚动接触面上的差动滑动所引起的摩擦;滚动体沿接触面中心法线的自旋滑动所引起的摩擦;滑动接触部位的纯滑动摩擦;润滑剂的粘性摩擦。
1.2 丝杠的结构形式对摩擦力矩的影响
对于不同的结构形式,摩擦力矩相差很大。滚珠丝杠在某一位置反复摆动而使钢球相互靠拢时,钢球之间摩擦增大,加上钢球中心的移动而向滚道楔入,这两方面相互影响,就使摩擦扭矩变得很大,通常把这种情况称为“摆动扭矩”或“球阻”现象;单圆弧滚道的滚珠丝杠,钢球中心的移动量比较大,“摆动扭矩”的增大表现得明显;双圆弧状、单边间隙很小的滚珠丝杠,钢球和螺纹滚道3点接触,摩擦有所增加,但钢球向滚道楔入的现象比单圆弧形的少,“摆动扭矩”增大的程度不明显。
1.3 丝杠的尺寸和球径大小对摩擦力矩的影响
摩擦力矩M可按下式计算
式中,μ为摩擦因数;P为丝杠负荷;d为丝杠内径。
摩擦力矩与丝杠外形尺寸成正比,也和球径成正比,因此修复丝杠时更换滚珠直径越大摩擦力越大。
1.4 加工精度对摩擦力矩的影响
当外负荷相同,接触的变形和圆度相同时摩擦力的大小取决于加工精度。
2 滚珠丝杠副的润滑方式及使用注意事项
2.1 润滑方式
为使滚珠丝杠副充分发挥机能,必须润滑。其方式主要有以下两种。
(1)润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3,滚珠丝杠副出厂时在螺母内部一般已加注GB7324-942号锂润滑脂。
(2)运动粘度为(2.8 5~7.4)×1 0-5m2/s的润滑油,给油量随使用条件(加抑制量)等不同而有所变化。
2.2 使用注意事项
(1)滚珠螺母应在有效行程内运动,必要时在行程两端配置限位,以避免螺母脱离丝杠轴而使滚珠脱落。
(2)滚珠丝杠副由于传动效率高,不能自锁,在用于垂直方向传动时,如部件重量未加平衡,必须防止传动停止或电机失电后因部件自重而产生的逆传动。
2.3 工作环境
在丝杠实际工作中,由于环境因素(振动、温度、湿度等)不断变化,将影响到丝杠的使用寿命。所以,一般滚珠丝杠副正常工作环境温度为±60℃。
滚珠丝杠内进入污物及异物很快就会被磨损。因此,必须采用防尘装置(折皱保护罩、丝杠护套等)将丝杠轴完全保护起来。
另外,如没有异物但有浮尘时可在滚珠螺母两端增加防尘圈。
3 滚珠丝杠修复方法
3.1 滚珠的更换
在更换滚珠时,滚珠的直径很重要。选配滚珠丝杠滚珠的直径时要精确到0.01 mm。而生产厂家选配滚珠丝杠滚珠的直径时精确到0.001 mm。
3.2 返向器的修理
在内循环的滚珠丝杠副中,通常借助于返向器将相邻的螺纹滚道连接起来,构成一条滚珠内环回路。为了使工作滚道上的滚珠能够连续循环工作,在内循环滚珠丝杠副中返向器非常重要,是不可缺少的部分。实践表明,滚珠丝杠的损坏,大多数是返向器先损坏,造成滚珠破裂,可以利用补焊、手工修磨的方法修复返向器。
3.3 预紧力的调整
因为滚珠丝杠总是存在轴向间隙的,滚珠丝杠在轴向工作载荷作用下,滚珠与螺纹滚道相接触部位产生弹性变形,当滚珠丝杠反向转动时将产生空回误差,从而影响滚珠丝杠传动精度,降低滚珠丝杠的刚度。因此,在对轴向间隙和刚度有严格要求的精密滚珠丝杠必须采取消除轴向间隙和提高轴向刚度的措施。目前,广泛采用的是双螺母调整预紧装置。对于滚珠丝杠,当采用双螺母预紧时必然增加摩擦力,可见预紧力很重要。修理时根据经验调整,而在生产厂是按给定预紧力进行调整的。
3.4 润滑剂的选用
对滚珠丝杠进行润滑可以降低滚珠与螺纹滚道之间的摩擦阻力,减轻磨损;同时润滑剂还可以起冷却、防尘、防锈和防振等作用,即通过润滑可以提高滚珠丝杠的使用寿命和传动效率,且有利于减小启动力矩。根据摩擦力矩的性质和不同的测量方法,可将滚珠丝杠副的摩擦力矩分为启动力矩(即静摩擦)、最大力矩和平均力矩(即动摩擦)。另外,润滑剂的种类及用量也影响启动力矩,由于脂的粘性阻力较仪表油增大许多,脂润滑较稀油润滑的启动力矩急剧增大,因此采用稀油润滑可减小启动力矩;滚珠丝杠的启动力矩随润滑剂用量的增多而增大,润滑剂过少不足以润滑,反之,润滑剂过多,多余的部分被挤在滚动体内,阻碍了丝杠的转动,因而润滑剂用量应根据丝杠的实际工作条件确定。
3.5 滚珠丝杠的安装
(1)滚珠丝杠副仅用于承受轴向负荷。径向力、弯曲会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等负荷,从而可能造成丝杠的永久性损坏。因此,滚珠丝杠副安装到机床时,应注意以下几点。
a.丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行,机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线;
b.安装螺母时,尽量靠近支撑轴承;
c.同时安装支撑轴承时,尽量靠近螺母安装部位。
(2)滚珠丝杠安装到机床时,请不要把螺母从丝杠轴上卸下来。如必须卸下来要使用辅助套,否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意以下几点。
a.辅助套外径应小于丝杠底径0.1~0.2 mm;
b.辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩;
c.卸装时,不可使用过大力以免螺母损坏;
d.装入安装孔时要避免撞击和偏心。
滚珠丝杠副反向间隙调整方法 篇2
关键词：滚珠丝杠副,反向间隙,调整
一、反向间隙测量
在数控机床修理中, 调整滚珠丝杠副反向间隙最关键的一步是准确测量其间隙大小。只有准确测量出反向间隙, 才能有效地调整。滚珠丝杠副反向间隙可用百分表、千分表来测量。以千分表测量为例 (图1) , 先将机床数控系统参数表中原反向间隙补偿值设为零, 把千分表固定在机床导轨上, 按以下测量步骤操作。
(1) 通过数控程序, 将被测滚珠丝杠副带动的移动部件 (工作台或刀架) 从“+”侧向“-”侧移动一定距离L1。
(2) 将千分表表头对准移动部件“+”侧的表面, 并调整指针对准“0”位 (表头要有一定的压入长度) 。
(3) 通过数控程序, 设置移动位移参数, 将移动部件快速向“-”侧移动一定距离。假设移动部件实际移动距离为L2。
(4) 然后按第3步相同的位移参数反向移动, 即从“-”侧向“+”侧快速移动。假设移动部件反向移动实际距离为L3。
(5) 读千分表, 计算反向间隙值, 反向间隙δ=L2-L3。
二、反向间隙调整方法
滚珠丝杠副反向间隙调整方法可分为机械调整法 (也称硬件调整法) 和数控参数补偿法 (也称软件调整法) 两类。常见的滚丝杠副结构见图2～图9。
1. 机械调整法
因滚珠丝杠副结构型式不同, 其机械调整方法可分为垫片法、螺纹法、齿差法、旋转法、变导程法、选配法等6种。
(1) 垫片法。垫片法是指通过改变调整垫片厚度来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间反向间隙的方法。垫片法适用于上述图2和图3两种结构。调整垫片分为整体式、剖分式和缺口式3种结构形式 (图10) 。在调整中优先选用剖分式和缺口式两种结构。
(2) 螺纹法。螺纹法是指直接旋转滚珠螺母上的调整螺母或调节螺钉来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间反向间隙的方法。螺纹法适用于上述图4和图9两种结构。
(3) 齿差法。齿差法是利用两个螺母上的齿数差来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间反向间隙的方法。
此法只适用于图5所示结构。调整前, 先根据反向间隙的大小确定间隙消除量Δ, 运用式 (1) 计算出n的值。
式中n———滚珠螺母相对内齿圈转过的齿数
Δ———反向间隙消除量, mm
Z1、Z2———滚珠螺母A、B上的齿数
t———丝杠螺距, mm
调整时, 将内齿圈拆下, 相对原位同向旋转两个滚珠螺母n个齿数的角度, 装上内齿圈, 调整结束。
(4) 旋转法。旋转法是指通过相对旋转两个滚珠螺母来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间反向间隙的方法。双螺母腰形孔式图6结构适于旋转法, 调整时松开固定螺钉, 两个滚珠螺母相对滚珠丝杠反向旋转来消除间隙。其实上述的齿差法也属于旋转法, 双螺母齿差式图5的两个滚珠螺母相对滚珠丝杠是同向旋转, 其实对于两滚珠螺母来说, 就是相对旋转。
(5) 变导程法。变导程法是指改变单个滚珠螺母内螺纹中央处导程的大小来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间反向间隙的方法。此法多用于单螺母滚珠丝杠, 见图8。变导程法调整反向间隙只适用于滚珠丝杠专业制造厂。
(6) 选配法。选配法是指通过选配滚珠尺寸的大小来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间间隙的方法。单螺母预紧式图7结构中就运用了选配法, 通过筛选滚珠消除其间隙, 而且其选配的滚珠能达到大约为额定动载荷5%的预紧力。选配法只适用于滚珠丝杠专业制造厂。
2. 数控参数补偿法
数控参数补偿法是数控机床特有的反向间隙调整的方法。适用于上述滚珠丝杠副所有的结构型式。数控机床因机床生产厂家选用的控制系统不同, 其参数补偿法操作界面、指令和对应的参数号也有所不同, 但其补偿调整的基本步骤是相同的, 如图11所示。首先启动机床数控系统, 进入系统参数设置/修改模式。其次调出滚珠丝杠副所对应轴的参数号, 根据测得的滚珠丝杠副反向间隙的大小修改参数值。参数修改结束, 退出参数设置/修改模式。
(1) 圣维数控Fa系列控制系统
第一步:启动系统进入屏幕LOGO界面;
第二步:按〖F1〗～〖F2〗功能键任意一键进入系统主菜单;
第三步:按〖F2〗键进入参数设置, 屏幕显示相关参数主界面;
第四步:使用〖↑〗、〖↓〗选择用户参数, 按主ENTER著进入相应参数设置;
第五步:使用〖↑〗、〖↓〗选择反向间隙, 按主ENTER著进入相应参数设置, 屏幕显示当前X、Z轴自动补偿间隙值;
第六步:根据测定的数值, 修改相应坐标轴的反向间隙补偿值, 按主ENTER著键, 系统自动保存输入的数值;
第七步:按〖F6〗或主ESC著退出设置。
(2) 广州数控GSK980TA控制系统
第一步:启动系统进入屏幕初始界面;
第二步:按“录入方式”选择键, 进入录入 (MDI) 操作方式;
第三步:按“设置”键进入设置界面中的开关设置页面;
第四步:按“光标移动”键移动光标至“参数开关”项, 通过地址键切换开关到“开”状态, 这时系统会出现P/S100号报警, 可同时按“复位”键和“取消”键消除报警;
第五步:按“参数”键进入参数界面, 通过“前、后翻页”键选择坐标轴所对应的参数号所在页, X轴反向间隙补偿量对应的参数号为034, Z轴反向间隙补偿量对应的参数号为035;
第六步:按“光标移动”键移动光标选择对应轴的参数号, 根据测定的数值输入新参数 (设定范围0～2000, 单位0.001mm) , 按“输入”键, 系统自动保存输入的数值并显示;
第七步:按“设置”键进入设置界面中的开关设置页面, 将参数开关切换到“关”状态;
第八步:按“复位”键退出设置。
(3) BeiJing-FANUC Power mate 0控制系统
第一步:启动系统进入屏幕初始界面;
第二步:置MDI方式或紧急停止状态;
第三步:按功能键“offset/setting”;
第四步:按软键[SETTING]进入设定界面, 用光标移动键将光标移动至参数写入处;顺序按[ (操作) ]、[1:ON]软键, 置参数为写入状态, 这时系统CNC会出现P/S报警[NO.100]状态;
第五步:按功能键“SYSTEM“, 按软键[参数], 将光标移动到要设定或显示的参数号位置或按软键[NO.检索], X轴反向间隙补偿量对应的参数号为535, Z轴反向间隙补偿量对应的参数号为536;
第六步:按“光标移动”键移动光标选择对应轴的参数号, 根据第一步测定的数值用数值键输入新参数, 按软键[输入], 参数值被设定并显示;
第七步:按软键[SETTING]回到设定界面, 用光标移动键将光标移动至参数写入处;顺序按[操作]、[0:OFF]软键;
第八步:按“RESET”键, 系统CNC出现P/S报警解除。
三、结束语
谈数控机床滚珠丝杠副装配问题 篇3
滚珠丝杠副的装配关键在于滚珠丝杠旋转轴心线与机床主基准直线导轨平行, 侧基面的平行度。在实际的装配中影响平行度装配质量包括两个因素:位置 (支撑滚珠丝杠的轴承座和电机座在数控机床上) ;同轴度 (滚珠丝杠螺母的轴心线与电机座孔和轴承座孔轴心线) 。
1数控机床精度
数控机床滚珠丝杠副的装配质量和装配精度主要是由同轴度 (滚珠丝杠轴承座与螺母座中心线) 、平行度 (相关导轨) 决定的。作为数控机床传动和精度保证的重要组成部分, 滚珠丝杠副是主要是把电机或其他零件的转动变成执行零件的直线运动。在实际使用中, 磨损、重载荷等经常会引起滚珠破损或间隙过大, 从而导致整个机床的精度得不到有效地保证。
数控机床的精度包括三个方面:定位精度, 几何精度和切削精度。机床几何精度是综合反映了数控机床的关键性机械零部件加工精度以及数控机床装配后的几何形状误差。使用的检测工具和方法与普通机床基本相同, 但是对精度的要求就相对高很多。数控机床的几何精度包括平面度;各坐标轴的垂直度;主轴轴向的窜动;主轴径向圆跳动;主轴回转轴心线对工作台面的垂直度;主轴在z轴坐标方向移动的直线度;与滚珠丝杠副相关的平行度和平面度等。
从总体要求来看, 有些精度是对机床各运动大部件如床身, 导轨、主轴箱等运动的直线度、垂直度、平行度的相关要求。部分是对执行切削运动的部件自身回转精度及直线度的要求。综合这些几何精度反映了机床的几何精度。
2装配步骤
首先, 在垂直平面内调整和修正直线导轨与电机座孔的平行度。将电机底座与床身的电机座面相结合, 暂时不拧紧固定螺栓, 同时保证两结合面间0.02塞尺不能塞入。平尺上面位于电机座直线导轨两个滑块正基准面之上, 平尺上测量面放置千分表的表座。推动千分表座至千分表测头到达检棒的上表面, 在第一测量点时将千分表指针调零, 推动滑块使其与千分表、平尺工装组合体到达另一个测量点, 两点之间的测量数差值<0.01。即电机座孔自身轴心线与机床直线导轨正基准面的平行度<0.01, 如若不合格需要修刮电机座与机床结合面至要求。
将轴承座安装在床身轴承座结合面上, 同样暂时不拧紧螺栓固定, 两结合面之间0.02塞尺不准塞入。轴承座孔装、检棒, 推动滑块与平尺、千分表工装组合体靠近轴承座。用检验电机座孔自身轴心线与机床直线导轨正基准面平行度的同样方法和步骤, 检验轴承座孔自身轴心线与机床直线导轨正基面的平行度<0.01, 不合格时修刮轴承座与机床结合面至要求。
推动滑块与平尺、千分表工装组合体靠近电机座。推动千分表座至千分表测头触到检棒上表面, 测量点选在靠近电机座内测, 在测量最高点千分表指针调零, 推动滑块与平尺、千分表工装组合体靠近轴承座, 测量点在轴承座外测一端检棒最远点, 两测量点距离与电机座轴承座之间的距离相等。
电机座底面安装在数控机床的电机座结合面上, 拧紧螺栓固定。用轴承安装工具将轴承内环套入滚珠丝杠, 轴承内环端面与滚珠丝杠结合端面靠严, 结合面0.02塞尺不准塞入。按滚珠丝杠样本提供的拧紧力矩, 用扭矩扳手将螺母拧紧固定。将滚珠丝杠轴承装配组件装入电机座孔内, 轴承外环端面与电机座结合端面靠严, 结合面0.02塞尺不准塞入。用深浅千分尺测量轴承外环外端面与电机座外端面深浅尺寸, 圆周方向至少均匀测量4点。按测量深浅尺寸算术平均值加0.02尺寸, 配磨轴承外环压盖结合面高度尺寸, 合格后, 按螺栓拧紧力矩要求, 用扭矩扳手将轴承外环压盖装在电机座上拧紧螺栓固定。
然后再安装轴承座, 先将轴承座套入滚珠丝杠。用轴承安装工具将轴承内环套入滚珠丝杠, 轴承内环端面与滚珠丝杠结合端面靠严, 结合面0.02塞尺不准塞入。按滚珠丝杠样本提供拧紧力矩, 用扭矩扳手将螺母拧紧固定。将滚珠丝杠轴承装配组件装入轴承座孔内, 轴承外环端面与轴承座结合端面靠严, 结合面0.02塞尺不准塞入。用深浅千分尺测量轴承外环外端面与电机座外端面深浅尺寸, 圆周方向至少均匀测量4点。按测量深浅尺寸算术平均值加0.02尺寸, 配磨轴承外环压盖结合面高度尺寸, 合格后, 按螺栓拧紧力矩要求, 用扭矩扳手将轴承外环压盖装在轴承座上拧紧螺栓固定。轴承座装在床身轴承座结合面上, 拧紧螺栓固定。之后, 修刮工作台螺母座端面, 可以保证螺母座端面与螺母-滚珠丝杠轴线垂直, 使滚珠丝杠转动灵活, 防止螺母紧固后, 螺母与丝杠轴心线的倾, 别劲。另外要对装配后的滚珠丝杠副的平行度和直线度进行检测, 看安装是否达到相应的要求。
参考文献
[1]黄祖尧.精密高速滚珠丝杠副的最新发展及其应用.航空制造技术2003.[1]黄祖尧.精密高速滚珠丝杠副的最新发展及其应用.航空制造技术2003.
滚珠丝杠 篇4
关键词：滚珠丝杠,HyperWorks,疲劳寿命,仿真
1 引言
数控机床及各类机电一体化装备正沿着高精度、高速度、高可靠性及智能环保的方向迅速发展。作为数控机床伺服进给系统中的关键功能部件, 滚珠丝杠性能和功能也在不断提高, 精密高速滚珠丝杠在国内外已得到越来越广泛的应用, 但在高速化的要求下, 滚珠丝杠高速驱动时的振动、噪声、温升和工作可靠性等问题也亟待解决[1]。深入分析滚珠丝杠的疲劳寿命对提高其工作可靠性具有十分重要的意义[5]。
2 滚动接触疲劳理论
在安装、润滑、维护良好的条件下, 因为大量重复地承受变化的接触应力, 滚珠丝杠正常失效形式是滚珠或螺旋槽和螺母的疲劳点蚀。所以丝杠的寿命按疲劳点蚀失效进行计算。
由赫兹弹性理论知, 在压力F作用下两自由弹性体点接触时, 接触区域是一个椭圆, 而且接触椭圆区各点的接触应力按半椭圆规律分布[2]。即
式中, a、b为接触椭圆的长短轴, 其值由以下公式确定:
其中, m=4/ (ρ11+ρ12+ρ21+ρ22) , n=8/3[ (1-μ12) /E1+ (1-μ22) /E2], α、β是由主曲率值确定的几何系数, μ1、μ1和E1、E2分别为材料纵向泊松比和弹性模量。
影响滚珠丝杠副接触强度的主要因素有螺旋角λ和接触角β。轴向力相同时接触角β越大, 在相同扭矩输出下螺旋角λ越大, 每个钢珠所承受的法向力F越小, 且两个接触点处的曲率半径ρ22越大, 接触应力越小, 所以增加接触角β和螺旋角λ可以提高接触强度。
在转速为ni条件下, 滚珠丝杠副工作时间为ti, 所受载荷为Fi。当量转速计算公式为:
滚珠丝杠副在当量载荷Fm及当量转速nm条件下运转, 达到预期寿命时所能承受的最大轴向动载荷Cam, 设计时选用Ca≥Cam。若按滚珠丝杠副的预期工作时间Lh计算, 则
若按滚珠丝杠副的预期运行距离Ls计算, 则
式中:fw为载荷系数, fa为精度系数, 可以按照表1选取。载荷性质
额定疲劳寿命计算公式:
3 滚动接触应力疲劳分析流程
应力寿命法 (Stress-Life Method) , 也叫做S-N曲线法, 是最早的抗疲劳设计方法。应力-寿命模型疲劳分析的一般过程如图1所示。
疲劳寿命分析过程包括:准确描述材料的疲劳行为、确定合适的载荷历程、建立合适的疲劳评估模型、确定模型中危险区域及预测疲劳寿命[5]。
4 疲劳寿命分析文件流
滚珠丝杠疲劳寿命分析需要应用几个软件文件相互的转换和生成。Hyper Mesh作为前处理和后处理软件, 与CAD和求解器都有较好的接口。在Hyper Mesh中建立的有限元分析模型以hmnast模板生成输出文件.dat格式用来提交求解器Nastran求解计算。计算生成的结果文件.pch需要经过Hyper Mesh转换为可读的.res格式。
FE-Fatigue软件就是在静强度分析的基础上, 找到关键部位, 进而在已知的材料S-N曲线和载荷谱作用下求解关键部位的疲劳寿命。得到的疲劳寿命结果文件需导入Hyper Mesh软件进行后处理分析。疲劳寿命分析的文件流如图2所示。
其中有两种路线可以执行: (1) 通过Nastran直接生成.fes文件; (2) 由Nastran生成的.pch文件在Hyper Mesh中转换成FE-Fatigue所需要的.fes文件。为了能在Hyper Mesh中查看各个步骤的分析结果, 本文采用第二种方法。
5 载荷谱
应力测量是为了进行载荷谱统计处理。滚珠丝杠疲劳强度的载荷谱分析采用雨流循环计数方法 (应用相当广泛) 。考虑实际工况, 滚珠丝杠副中滚珠与螺旋槽接触处的应力测量目前没有试验数据, 可以通过计算机仿真得到。利用Radioss对滚珠与丝杠传动过程接触应力变化进行瞬态分析, 得到接触力随时间变化图作为载荷谱的原始数据, 如图3所示, 其中分析时间为0.03s。
根据以上接触力转化成滚珠的应力在一次滚珠丝杠传动的载荷谱, 如图4所示, 历时4.25s。生成的.dac格式文件用于滚珠丝杠疲劳寿命仿真。
6 疲劳寿命仿真
滚珠丝杠副中滚珠与丝杠一般超过一百万次循环以上才发生材料失效, 属于高周疲劳, 在进行滚动接触疲劳分析及预测寿命时适合采用S-N法。滚珠丝杠在传动过程中, 与滚珠啮合点处的应力较大, 是滚珠及丝杠引起疲劳失效的关键因素。对滚珠丝杠进行S-N疲劳寿命分析后的结果如图5所示。
在滚珠丝杠螺旋槽处与滚子接触的部分呈现不同颜色疲劳损伤云图。单次循环最危险处的损伤为2.63E-09。由图6可知在567号单元处, 其寿命为1.7068E8次。该结果完全满足丝杠1亿次的疲劳强度要求。
7 结语
用Hyperworks中的Hyper Mesh模块对滚珠丝杠作了模态分析, 并通过Radioss模块对滚珠与丝杠接触传动进行了瞬态分析, 从而为疲劳寿命分析所需的载荷谱编制提供了数据, 最后利用N-soft中的FE-Fatigue模块对滚珠丝杠疲劳寿命进行了仿真, 验证了其疲劳寿命符合设计要求。其结果为提高滚珠丝杠的可靠性提供了有力依据, 同时也为其结构优化设计提供了重要的参考数据。
参考文献
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[5]文孝霞, 等.随机载荷作用下微车车身结构疲劳寿命仿真分析[J].现代制造工程, 2012 (7) :78-82.
滚珠丝杠副最佳接触角的研究 篇5
高性能滚珠丝杠副是高档数控机床的重要滚动功能部件。随着高速数控机床的进给速度不断提高, 滚珠丝杠也不断向高速方向发展。
接触角作为滚珠丝杠副的重要结构设计参数之一, 对于滚珠丝杠的传动性能有很大的影响[4]。在考虑工作效率、受力状况、系统工作流畅性和噪声等因素下, 普遍采用的接触角大小为β=45°。近年来, 对接触角的研究有:赵训贵分析了滚珠丝杠副产生弹性变形时实际接触角的计算;山东建筑大学唐文成用ADAMS仿真分析了不同接触角对滚珠丝杠副的摩擦力矩的影响。但对于最佳接触角的研究却不多。工程实际当中, 不同的滚珠丝杠副的型号、应用条件、受力情况等因素的不确定性, 使得最佳接触角的值仍处于一个模糊状态, 通常采用的接触角的值也只是相对合理的, 并不是最佳值。因此, 分析研究最佳接触角对提高滚珠丝杠副的精度, 延长使用寿命, 提高工作性能等具有重要意义。
1原理分析
接触角越大, 滚珠丝杠副的承载能力就越大, 传动效率越高;相同轴向负荷的作用下, 会使得径向力增大, 降低滚珠丝杠的使用寿命[8]。接触角越小, 丝杠能承受的轴向力越小。本文从接触角对滚珠丝杠副的速度、旋滚比, 接触变形的影响等方面进行分析。
1.1接触角对滚珠丝杠副转速影响的分析
根据滚珠和丝杠的受力及运动情况, 建立滚珠的活动坐标轴O-X′Y′Z′, O-XYZ为相对转动系, 丝杠轴线和Z′轴平行, 如图1所示, 滚珠法向受力图如2所示。
根据相对位置关系, 可以得出滚珠中心的转速与丝杠轴转速之间的比值为
滚珠的角速度与丝杠轴转速之间的比值为
式中:rb表示滚珠半径;rm表示丝杠公称半径;α表示螺旋升角;Ω表示丝杠轴相对固定坐标系的旋转角度;θ表示滚珠相对于丝杠轴的旋转角度;ωb为滚珠的角速度;β表示接触角。
1.2接触角对滚珠丝杠副滚珠旋滚比影响的分析
滚珠丝杠接触角的存在使滚珠不但沿着运动轨道运动, 而且存在对润滑油膜的生成的自旋运动, 自旋运动与摩擦力矩有关, 它是绕着接触点旋转的。
如图3所示, 在这一坐标系中, 忽略陀螺效应, 角度β为零, 则滚珠与螺母滚道接触处的旋滚比Sxg可参照角接触球轴承的分析方法得到:
1.3接触角对某滚珠丝杠副接触变形影响的分析
假设滚珠受到相同负载, 单个滚珠由于弹性变形所引起的轴向弹性位移与螺母轴向弹性位移相同。参考山东大学姜洪奎大导程滚珠丝杠副动力学性能与加工方法研究可知:螺母滚道面与丝杠滚道面间由于法向弹性接触变形所产生的弹性变形量δn为
式中:δsp表示滚珠与丝杠滚道面的接触弹性变形量;δnp表示滚珠与螺母滚道面的接触弹性变形量;∑ρs、∑ρn分别表示丝杠侧和螺母侧滚道的主曲率之和。
螺母在轴线方向上相对于丝杠有一个弹性位移δa, 它与δn的关系为
考虑螺旋升角, 假设单个滚珠受到的法向载荷为Q, 总体滚珠受到的法向载荷为Qz=z Q, 则总体承载滚珠的法向载荷和螺母受到的轴向推力Fa之间的关系为
由式 (6) 、式 (7) 可得
式中:δa表示滚珠丝杠副轴向弹性位移;∑ρs、∑ρn分别表示丝杠侧和螺母侧滚道的主曲率之和, α为螺旋升角。
2分析计算
2.1曲线分析
以DS4716型号的滚珠丝杠副 (公称直径47mm, 导程16mm) 为例, 应用Matlab分析, 根据式 (1) ~ (3) 、式 (8) , 得到曲线如图4~图7。
由图4可知, 随着接触角β由0°增大到80°, 丝杠轴的转速和滚珠中心的转速之间的比值逐渐增大, 当β小于45°时, 变化非常小;β大于45°时, 增长变化比较大。由图5得出, 随着β的增大, 在考虑绝对值的前提下, 当β在40°附近之前接触角对滚珠角速度与丝杠轴转速比值变化较平缓;而当β>45°时, 变化比较陡峭。从图6可以看出:β对滚珠旋滚比影响非常大, 在β<41°时, 随着β的增大, 旋滚比逐渐减小;在β>41°时, 随着β的增大, 旋滚比逐渐变大;当β=41°时, 达到最小。由图7得出, 随着接触角的增大, 滚珠丝杠的形变量在逐渐减小, 接触角在0到20°范围内, 变形量减小幅度很大, 而随着接触角的逐渐增大, 尤其是在40°以后, 接触角的大小对弹性变形量的影响极小, 综合以上因素初步确定该滚珠丝杠副的最佳接触角为41°。
2.2常用接触角与初步确定最佳接触角寿命与效率的对比
通过查阅滚珠丝杠副国家标准, 得到滚珠丝杠副额定寿命计算公式。滚珠丝杠副以转速计的额定寿命为
以小时计的额定寿命为
工作效率
式中:Ca为轴向额定动载荷;Fm为当量轴向载荷;nm为当量转速;α为螺旋升角;β为接触角, f为滑动摩擦因数, 由于旋滚比越小, 丝杠的滑动程度越轻, 则滑动摩擦对效率的影响就越小, 因此旋滚比对效率的影响可以转换为其他参数不变滑动摩擦因数变小;a=rb/rn。rb为滚珠半径, rn为滚珠中心到丝杠轴线的距离, ρ为滚动摩擦角。
根据DS4716型号滚珠丝杠副的参数代入公式, 对比常用45°接触角和初步确定的接触角下滚珠丝杠副的额定寿命和工作效率, 如表1。
通过表1可知:41°接触角比常用45°接触角的额定寿命长6800h, 工作效率提高了6.2%, 因此得出DS4716型号滚珠丝杠副的最佳接触角为41°。
3结论
研究了滚珠丝杠副接触角β对丝杠轴转速和滚珠中心转速的比值、滚珠的角速度与丝杠轴转速之间的比值、接触变形和滚珠旋滚比的影响, 通过运用Matlab工具对各比值进行编程, 得出相应的影响曲线, 综合各影响因素, 初步确定得出此种滚珠丝杠副最佳接触角为41°。通过计算得出接触角为41°时滚珠丝杠副的工作效率提高了6.2%, 使用寿命比45°时长6800h, 从而得出DS4716型号的滚珠丝杠副最佳接触角为41°。
摘要：接触角是滚珠丝杠的重要参数, 对其性能有很大的影响。通过理论分析, 分别得出接触角与滚珠中心的转速和丝杠轴转速的比值、滚珠的角速度和丝杠轴转速的比值、旋滚比、接触变形的关系式, 从而确定该丝杠副的最佳接触角为41°。通过计算得出最佳接触角下滚珠丝杠副的效率和寿命明显高于接触角为45°的情况。
关键词：滚珠丝杠副,最佳接触角,转速,旋滚比,接触变形
参考文献
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滚珠丝杠副加载测试试验台设计 篇6
随着电动伺服技术的发展，滚珠丝杠副因其优越的直线传动特性，在航天器电动伺服控制系统中的应用越来越广泛。由于滚珠丝杠副在伺服控制系统中受载情况比较复杂，因此，开展滚珠丝杠副性能测试的研究非常必要。本课题设计了一套滚珠丝杠副伺服加载测试系统，集伺服加载和测试功能为一体，能够模拟航天工况的加载环境，测试滚珠丝杠的效率和刚度等性能。
1 系统总体方案
基于国内外加载测试系统的研究现状，国内加载测试系统的功能还是比较单一，特别是滚珠丝杠副的综合性加载测试系统[1,2]，本课题研发了一套集加载和测试为一体，能实现自动化控制的滚珠丝杠副伺服加载测试系统。
1.1 系统功能
1)伺服模拟加载。实现连续、稳定、可调的对伺服机构进行模拟加载，以考核机构在实际工作情况下的工作性能及工作可靠性。
2)滚珠丝杠副的精度测量。可测量传动误差和间隙误差。
3)滚珠丝杠副力学特性试验。可进行轴向接触刚度和扭转刚度试验，启动力矩试验，摩擦、磨损和效率试验以及动态特性试验。
4)滚珠丝杠副的极限承载能力、失效及可靠性试验。
1.2 系统工作原理
滚珠丝杠副加载测试系统是集加载和测试一体的综合性测试系统。加载系统的原理是通过压力值为控制量实现对加载对象不同载荷的加载。伺服系统由压力传感器测得的压力值为反馈量来控制加载电机的输出，完成闭环回路控制[3]。上位机为系统终端，实现电机的往返运动和载荷大小的调节。测试系统的原理是通过多路采集卡完成对测试对象性能参数的采集，配合Lab VIEW软件进行运算分析，并在工控机中显示。加载测试系统总原理图如图1所示。
系统加载控制的具体工作原理:
1)通过上位机设定加载力大小，发出信号给控制器，控制器发送控制信号给驱动器驱动电机加载。
2)经压力传感器获取压力值对应的电压信号给控制器与驱动信号比较得到调节误差来实现闭环控制。
3)对比误差，采用数字PID运算，获得理想控制信号。
4)数字信号经D/A转换得到模拟量来得到控制信号。
5)模拟量由前置放大、功率放大给加载电机控制信号。
6)加载电机运动带动传动机构实现对加载对象的不同载荷的加载。
2 试验台结构设计
如图2所示，测试台采用卧式水平放置的方式，对测试对象4进行轴向力的加载。测试对象4由驱动电机1带动，经套筒5固定连接线性导轨9，实现滚珠丝杠的支撑和限转作用，右侧加载电机10通过传动部件9，由旋转运动变成直线运动，产生轴向力作用在测试对象连接的套筒5上，实现加载过程。中间压力传感器6分别与测试对象的套筒和加载部件的套筒固连，实时显示载荷大小。
1—伺服电机;2—转速转矩传感器;3—角度编码器;4—被测对象;5—套筒;6—压力传感器;7—传动丝杠;8—被测丝杠;9—直线导轨;10—加载电机;11—铸铁平台
3 系统软硬件设计
3.1 系统硬件总体结构
因传感器信号种类比较多，所以要求试验台的数据测量采集系统能够同步采集多种类型的数据信号。为此设计出基于Lab VIEW的多路信号同步采集系统。由一个加载台和控制柜构成，用于滚珠丝杠副加载并监测加载情况。系统的组成框图如图3所示。
本试验台主要由交流伺服电机及其驱动器、压力传感器、转速转矩传感器、角度编码器、位移传感器和被测滚珠丝杠副等部件组成。电气部分由显示器、工控机、打印机、数据采集卡、计数卡、PLC及各个开关按钮等组成，能够完成对各部件供电和对交流伺服电机的控制，同时，上位机软件进行参数的采集、显示和分析等。
3.2 硬件功能实现
加载测试系统的设计分为2大类:加载部分的电机控制及驱动部分电机控制[4]。自动控制设计:选择合适的PLC模块以及外围接口硬件，设计最优闭环控制流程，选择合适的压力传感器、位移传感器和数据采集卡等硬件设备。通过采集到的实际压力值作为载荷反馈传给控制器。同时在Lab VIEW编程的采集面板中把采集所得的数据按照曲线或数字的形式显示。通过闭环控制程序，把载荷保持在设定的范围内，对整套系统进行自动控制。
系统应用PLC为主控制器，计算机作为上位机，实现实时控制和参数观测的功能和实验对象的模拟加载。硬件接线图如图4所示。
基于系统要求的可靠性和加载控制的特殊性，运用PLC的对被测对象实际载荷进行信号输入，模拟量信号输出对驱动器进行控制，工控机软件监控外围设备对异常信息发出警报、现场监控测试对象的性能参数，以及完成数据的处理、报表的输出等功能。
控制硬件实现方法:为了保证加载过程中的加载精度，需要不断地检测测试对象的收到的压力并进行协调控制。利用压力传感器可以进行压力的检测，它的主要作用是将压力值转换成模拟电压信号，然后传递到模拟量扩展模块，将模拟信号转成数字信号并用于PLC计算分析，通过计算输入的模拟电压值的大小，就能获得当前压力值。利用PID算法进行运算调节控制输出值，得到理想载荷。
驱动器选择扭矩控制(T):是通过PLC程序发送模拟信号给驱动器，通过压力传感器实际测量值反馈，实现闭环控制，最终控制伺服电机按照设定要求来运转。PLC控制的伺服电机力矩模式接线是通过模拟量扩展模块EM235接入驱动器模拟量输入口A12+、A12-。扭矩模式时伺服驱动器，模拟量扩展模块EM235输出选择信号范围-10 V～+10 V的电压输出方式。
4 系统软件设计
4.1 数据采集程序
针对测试对象滚珠丝杠副的性能，测试其启动力矩、刚度、效率，运用数据采集卡对转速、转矩、角度、位移和压力等参数进行采集。上位机显示部分由软件编写的程序来完成，通过传感器和采集卡将数据信号进行传递到计算机并实时显示。综合考虑系统要求，软件操作界面主要实现数据采集和显示，同时包括系统登录，系统设置，数据分析等功能。
操作界面由下面2部分组成:
1)采集操作模块:此部分主要包括对采集的相关操作，包含采集开始、采集停止和保存等功能选项。
2)采集数据的呈现模块:通过数字显示和图像显示2种方式为主，能够同步显示多个传感器采集到的数据信息。
图5是Lab VIEW软件的操作界面。
采集的子程序如图6所示。
4.2 控制软件设计
a)Lab VIEW软件设计
软件编程时，可以通过前面板输入信息到VI，或者调用其他子程序VI完成功能要求。Lab VIEW的子程序可以作为一个单独的程序运作，但是也可以把前面板当作用户界面，作为一个节点放到另一个VI程序框图中，通过连接器进行搭配[5]。
前面板设置不同操作按钮，完成对系统的采集功能，其中包含的功能操作有参数设置、开始采集、停止采集、历史数据检索、帮助、退出等。点击前面板不同的功能选项，便可以跳转到对应的执行程序进行查看，程序方便灵活。采集操作面板如图7所示。
b)PLC控制软件设计
1)主要参数设置:要指定回路编号(LOOP)及参数表(TBL)首地址，并设定好采样时间、增益、积分时间和微分时间。
2)程序编写:通过程序编写，把模拟量输入的真实值转换为PID对应的测量值(PV)及设定输出值转换为PID对应的设定值(SV)，然后传送到对应参数表的地址中，为PID运算做好前处理。
3)程序调用:为PID程序的执行指定输入信号，调用PID程序。通过编写定时中断的程序，在中断程序中调用PID程序。
4)程序处理:通过编写程序，把PID运算得到的输出值进行格式转化，并传输到指定模拟量输出模块的对应地址中，实现信号输出控制。
c)PID指令运行步骤:
1)上电后进入主程序，扫描第一个周期，调用子程序。
2)进入子程序，设定PID参数。
3)进入中断程序功能，将模拟输入量转为双字整数，将双子整数转换为实数，使PV处于0～1之间，将PV存于TBL首字，使用I0.0调用PID指令，M乘系数后已送累加器，四舍五入转换为双字整数，将双字整数转换为整数，将AC0写入模拟量输出[6]。
5 结语
滚珠丝杠副伺服加载测试系统，能够模拟航天工况的加载环境，完成滚珠丝杠的效率和刚度等性能测试。试验台结构设计合理，性能可靠，装卸方便。选择Lab VIEW软件及采集卡和PLC硬件进行信号采集和运动控制，实现了传感器信号的采集、处理和运算，及加载运动中载荷的PID精确控制，较好地实现了滚珠丝杠副模拟加载和性能测试。试验软件操作简单、方便快捷，极大地减轻了劳动强度，提高了工作效率。
摘要：针对航天飞行器伺服控制系统中滚珠丝杠副受载情况的特殊性,开展对滚珠丝杠副的模拟加载和性能测试的研究,设计出一套伺服加载测试试验台,利用该试验台可测试精密滚珠丝杠副的多变载荷承载能力、轴向刚度、传动效率和启动力矩等性能,为用户提供准确可靠的检测报告。阐述了此加载测试系统的主要功能和工作原理、结构组成、电气硬件控制和系统软件的设计。
关键词：滚珠丝杠副,伺服加载,数据采集
参考文献
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滚珠丝杠 篇7
滚珠丝杠又称滚珠螺杆, 是将回转运动转化为直线运动的部件, 滚珠丝杠由丝杠螺杆、滚珠和丝杠螺母组成。滚珠在丝杠螺杆与丝杠螺母间滚动, 属于滚动摩擦, 因此能取得比滑动摩擦高的传动效率。与过去的滑动丝杠相比, 滚珠丝杠由于钢球做滚动运动, 启动扭矩极小, 所需驱动扭矩仅为前者的三分之一;不会产生滑动摩擦中出现的爬行现象, 所以能进行非常精确的微量进给。基于以上优点, 目前伺服电机直接驱动滚珠丝杠带动负载的情况越来越多。如何选择伺服电机的参数与运送的负载相匹配从而最大限度地发挥伺服电机的性能就成为系统选型的关键。本文主要从工件水平运动和垂直运动两方面介绍伺服电机的旋转扭矩的计算步骤。
1 伺服电机驱动滚珠丝杠水平运动时轴向负荷的计算
图1为用滚珠丝杠直接运送负载的装置, 水平左右往返运送负载时的轴向负荷Fan按式 (1) ~式 (6) 计算:
式中:Fa1为去路加速时的轴向负荷, N;Fa2为去路等速时的等速负荷, N;Fa3为去路减速时的等速负荷, N;Fa4为返程加速时的轴向负荷, N;Fa5为返程等速时的轴向负荷, N;Fa6为返程减速时的轴向负荷, N;m为运送质量, kg;μ为导向面上的摩擦因数;f为导向面的阻力, N;a为加速度, m/s2。
式中:Vmax为最高速度, m/s;t1为加速时间, s。
2 伺服电机驱动滚珠丝杠垂直运动时轴向负荷的计算
图2为用滚珠丝杠直接运送负载的装置, 垂直上下往返运送负载时的轴向负荷Fan按下式计算。
式中:Fa1为上升加速时的轴向负荷, N;Fa2为上升等速时的等速负荷, N;Fa3为上升减速时的等速负荷, N;Fa4为下降加速时的轴向负荷, N;Fa5为下降等速时的轴向负荷, N;Fa6为下降减速时的轴向负荷, N;m为运送质量, kg;f为导向面的阻力, N;a为加速度, m/s2。
加速度a可通过下式求出:
式中:Vmax为最高速度, m/s;t1为加速时间, s。
3 伺服电机所需的旋转扭矩的计算
将滚珠螺杆的旋转运动转换成丝杠螺母的直线运动所需要的旋转扭矩可以由式 (15) ~式 (21) 求出。
式中:Tt为等速时需要的旋转扭矩, N·mm;T1为由外部负荷引起的摩擦扭矩, N·mm;T2为滚珠丝杠的预压扭矩, N·mm;T4为其它扭矩, N·mm。
式中:Tk为加速时需要的旋转扭矩, N·mm;T3为加速时需要的扭矩, N·mm。
式中:Tg为减速时需要的旋转扭矩, N·mm。
驱动滚珠丝杠旋转所需的旋转扭力之中, 由外部负荷 (主要指接触面的摩擦阻力) 所需要的旋转扭矩, 可根据下式求出:
式中:T1为由外部负荷引起的摩擦扭矩, N·mm;Fa为轴向负荷, N;Ph为滚珠丝杠的导程, mm;η为滚珠丝杠的效率, 0.9~0.95;A为减速比。
由滚珠丝杠出厂前施加的预压力引起的预压扭矩
式中:Td为滚珠丝杠的预压扭矩, N·mm。
滚珠丝杠加速运送负载时所需的加速扭矩[1]
式中:J为转动惯量, kg·m2;ω′为角加速度, rad/s2。
式中:Ph为滚珠丝杠的导程, mm;Js为丝杠轴的惯性力矩, kg·m2;JA为丝杠轴侧齿轮等的惯性力矩, kg·m2;JB为马达侧齿轮等的惯性力矩, kg·m2。
式中:Nm为马达转速, r/min;t为加速时间, s。
式中:J为圆形物的转动惯量[3], kg·m2;m为圆形物的质量, kg;D为丝杠轴外径, mm。
计算出等速时的旋转扭矩Tt、加速时的旋转扭矩Tk、减速时的旋转扭矩Tg, 取其中数值最大者即为选用伺服电机时参考的最小扭矩。
4 结语
目前, 用该种计算方法所选用的伺服电机已经应用于实际中, 从伺服电机反馈的参数来看, 此种计算方法完全合理可靠。
摘要：针对伺服电机直接驱动滚珠丝杠带动负载的应用, 介绍了伺服电机旋转扭矩的计算步骤, 以及相应的公式。
关键词：伺服电机,滚珠丝杠,旋转扭矩
参考文献
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