滚珠丝杠副的设计流程选用及应用的探讨

使物体运动时,一般来讲需要将动力产生的运动直接或通过其他机构间接地传达到最终运动部。当今世界中,能代表机械的、有各种运动机构的装置,可以说无一不是具有某种形式的运动传导机构。滚珠丝杠副是将回转运动转化为直线运动,或将直线运动转化为回转运动的最合理的产品。由于滚珠丝杠直接影响数控机床的精度、参数以及制造成本，因此在机床的设计中必须合理地选用滚珠丝杠副并进行一系列的计算校核。

1 滚珠丝杠的选用　

滚珠丝杠是一种精密、高效的传动元件，它以其高速度、高刚性、可逆性、长寿命、同步性、高灵敏度、无间隙、维护简单等优点而广泛应用在当代数控机床进给伺服机构中，同时，滚珠丝杠的使用也是数控机床区别于普通机床的根本特征之一。由于滚珠丝杠直接影响数控机床的精度、参数以及制造成本，因此在机床的设计中必须合理地选用滚珠丝杠副并进行一系列的计算校核，其基本流程如图。

1.1导程精度的选择

滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300P应小于目标设定位的定位精度值的l／3～1/2，在最后精度验算中确定。滚珠丝杠分为7个精度等级，即1-7和10级，1级精度最高，依次递减。

1.2 公称型号的选择

公称型号主要是指丝杠的公称直径和导程。设计初始阶段可根据机床的技术要求(主要包括负载、快移速度、伺服电机转速等)初步选择滚珠丝杠型号，然后进行计算校核，计算结果符合设计要求后才能最终定型。

1.3 支撑方式的选择

数控机床设计中，滚珠丝杠的支撑方式通常选择“固定一支撑”或者“固定-固定”。“固定-支撑”的支撑方式装配相对方便、刚性较好、精度较高，主要应用于中等转速、较大行程、较重负载的环境下使用；“固定-固定”的支撑方式装配相对困难、刚性好、精度高，常在高转速、大行程、重承载的环境下使用。

2 丝杠的计算校核

2.1 允许轴向负荷的校核

(1)最大轴向载荷

式中μ为导轨面的摩擦系数；m为运动部件的总质量；f为导轨面的阻力(无负荷时);其中a=v/t，v为机床快移速度；t为系统反应时间。

分别计算出去路加速时、去路等速时、去路减速时、回程加速时、回程等速时、回程减速时的轴向负荷，取绝对值最大者为最大轴向负载。

(2)滚珠丝杠轴的压曲负荷

式中η2为不同安装方式的相关系数；d1-滚珠丝杠轴的沟槽直径；La-安装间距。

(3)滚珠丝杠轴的允许压缩拉伸负荷

如计算结果P1>F1且P2>Fa，则可继续进行其它项目校核，否则重新选定滚珠丝杠型号进行以上校核。

2.2 滚珠丝杠的允许转速的计算

(1)滚珠丝杠最大转速

式中v为运动部件快移速度，m／min；s为丝杠导程。

(2)滚珠丝杠临界转速

式中： Lb安装间距。

(3) 值许用转速： N2=DN／D式中，D为滚珠中心径。如计算结果N1>Nmax且N2> Nmax，则丝杠可用，否则重新选定滚珠丝杠型号进行以上校核。

3 螺母的选用校核与寿命计算

3.1 螺母的允许轴向负荷

式中Coa滚珠丝杠的基本额定静负荷；如计算结果Famax>Fa，则螺母可用，否则重新选定螺母型号进行以上校核。

3.2 螺母额定寿命的计算

(1)平均轴向载荷计算

式中：F1、F2、F3分别为去路加速时、去路匀速时、回程减速时的轴向载荷(只取相同方向载荷)；L1、L2 …L6分别为去路加速时、去路匀速时、去路减速时、回程加速时、回程匀速时、回程减速时螺母行程。

(2)寿命计算

式中：LR为螺母寿命(总转数) fw为负荷系数；Ca为基本额定动载荷。