822i滚珠丝杆Word格式.docx
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图8-10滚珠丝杆的内循环结构
3.轴向间隙的消除
轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时,丝杠和螺母之间的最大轴向窜动。
除了结构本身的游隙之外,在施加轴向载荷之后,还包括弹性变形所造成的窜动。
滚珠丝杠副通过预紧方法消除间隙时应考虑以下情况:
预载荷能够有效地减小弹性变形所带来的轴向位移,但过大的预加载荷将增加摩擦阻力,降低传动效率,并使寿命大为缩短。
所以,一般要经过几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下,既消除了间隙,又能灵活运转。
除少数用微量过盈滚珠的单螺母消除间隙外,常用双螺母结构消除间隙。
图8-11是双螺母齿差调隙式结构,要两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮,而且齿数差Z2-Z1=1,两只内齿圈的齿数与外齿轮的齿数相同,并用螺钉和销钉固定在螺母座的两端。
调整时先将内齿圈取出,根据间隙的大小使两个螺母分别在相同方向转过一个齿或几个齿,使螺母在轴向彼此移近了相应的距离。
间隙消除量Δ可以用以下简单公式计算:
或
Δ(8-1)
式中n——两螺母在同一方向转过的齿数;
t——滚珠丝杠的导程;
Z1、Z2——齿轮的齿数。
虽然齿差调隙式的结构较为复杂,但调整方便,并可以通过简单的计算获得精确的调整量。
4.滚珠丝杠的支承
滚珠丝杠常用支承方式见图8-12。
图a为一端轴向固定一端自由,常用于短丝杠和竖直安装的丝杠。
图b为一端固定一端简支,常用于较长的卧式安装丝杠。
图c为两端固定,常用于长丝杠或高转速、要求高精度、高刚度的地方。
这种方式还可以预拉伸。
这种安装方式虽优点显著,但工艺上比较困难。
图d为两端固定且两端均装有两个向心推力球轴承固定,并经调整预紧。
这种支撑结构只要轴承无间隙,丝杆的轴向刚度比一端固定形式高约4倍且无压杆稳定性问题,固有频率比一端固定的高,可预拉伸。
在它的一端装有蝶形弹簧和调整螺母,这样既可对滚珠丝杆施加预紧力,又可使丝杆受热变形得到补偿保持预紧力恒定。
它结构工艺都较复杂,适用于长丝杆。
5.滚珠丝杠的预拉伸
滚珠丝杠在工作时难免要发热,其温度将高于床身。
丝杠的热膨胀将使导程加大,影响定位精度。
为了补偿热膨胀,可将丝杠预拉伸。
预拉伸量应略大于热膨胀量。
发热后,热膨胀量抵消了部分预拉伸量,使丝杠内的拉应力下降,但长度却没有变化。
需进行预拉伸的丝杠在制造时应使其目标行程(螺纹部分在常温下的长度)等于公称行程(螺纹的理论长度,等于公称导程乘以丝杠上螺纹圈数)减去预拉伸量。
拉伸后恢复公称行程值。
减去量称为“行程补偿值。
”
6.滚珠丝杆副的选用和标注
(1)主要技术参数。
选用滚珠丝杠副时,主要参数有公称直径d0(或丝杠外径d)、基本导程L0、滚珠的工作圈数j、列数R、这些参数均与滚珠丝杆副的承载能力、精度要求、传动效率和寿命等有关。
1)公称直径d0。
滚珠的中心径。
应根据承受的载荷和杆度要求选取,d0愈大,丝杆的承载能力和刚度愈大。
为了满足传动刚度和稳定性的要求,通常d0应大于丝杆长度的1/30。
2)基本导程L0。
主要根据机床的传动要求及位移精度确定。
位移精度要求高时,应将基本导程取得小些,这样在一定的轴向力的作用下,丝杆的摩擦阻力距小。
但对于一定的公称直径d0,基本导程减小,则螺旋开角随之也小使传动效率降低。
同时L0小时,滚珠直径相应较小,会导致承载能力的降低。
因此在满足机床传动要求及精度的前提下,基本导程应尽可能取得大些。
(a)
(b)
(c)
(d)
图8-12滚珠丝杠常用的支承方式
3)滚珠得工作圈数j和列数R。
增加滚珠工作圈数和列数可以提高承载能力及刚度。
在同样得负载和刚度要求下,选用较多得圈数和列数可以减小丝杆直径,从而可以减小惯量,提高进给传动速度。
(2)国产的滚珠丝杠副结构类型代号见表8-1。
(3)滚珠丝杠副的精度等级。
滚珠丝杠副的精度等级及应用范围见表8-2。
(4)各类机床采用滚珠丝杠副的推荐精度等见表8-3。
(5)滚珠丝杠副的标注。
滚珠丝杠副的标注方法采用汉语拼音字母、数字及汉字结合标注法,如图8-13所示。
图8-13滚珠丝杠副的标注
例如:
WD3005—3.5*1/B左—800*1000,表示外循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杠副,名义直径为30mm,基本导程为5mm,一个螺母工作滚珠3.5圈,单列,B级精度,左旋,丝杠的螺纹部分长度为800mm,丝杠的总长度为1000mm。
表8-1滚珠丝杆副结构类型代号表
结构型号
表示意义
W
WI
C
N
WCH
WICH
WD
WID
WIL
CCH
CD
CL
NCH
ND
NL
外循环单螺母式滚珠丝杆副
外循环不带衬套的单螺母滚珠丝杆副
外循环插管形的单螺母滚珠丝杆副
内循环单螺母式滚珠丝杆副
外循环齿差式调隙式的双螺母滚珠丝杆副
外循环不带衬套齿差式调隙式的双螺母滚珠丝杆副
外循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杆副
外循环不带衬套垫片调隙式的双螺母滚珠丝杆副
外循环不带衬套螺纹调隙式的双螺母滚珠丝杆副
插管形齿差调隙式的双螺母滚珠丝杆副
插管形垫片调隙式的双螺母滚珠丝杆副
插管形螺纹调隙式的双螺母滚珠丝杆副
内循环齿差调隙式的双螺母滚珠丝杆副
内循环垫片调隙式的双螺母滚珠丝杆副
内循环螺纹调隙式的双螺母滚珠丝杆副
表8-2滚珠丝杠副的精度等级及应用范围
精度等级
应用范围
代号
名称
P
B
J
普通级
标准级
精密级
超精级
普通机床
一般数控机床
精密机床、普通数控机床、加工中心、仪表机床
精密机床、精密数控机床、高精度加工中心、仪表机床
表8-3各类机床滚珠丝杠副的推荐精度等级
机床种类
坐标方向
X(纵向)
Y(升降)
Z(横向)
W(刀杆、镗杆)
数控车床
B,J
数控线切割机床
数控钻床
数控铣床
数控镗床
数控坐标镗床
J,C
加工中心
螺纹磨床、坐标镗床
(四)数控机床的导轨
1、导轨的基本要求
机床上的运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等零件上的导轨而运动,导轨的功用概括为起导向和支撑作用。
因此,导轨的制造精度及其精度保持性对机床加工精度有着重要的影响。
在设计导轨时应考虑以下问题:
1)有一定的导向精度导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性(对直线导轨)或真圆性(对圆运动导轨)及它与有关基面之间的相互位置的准确性。
各种机床对于导轨本身的精度都有具体的规定或标准,以保证该导轨的导向精度;
2)有良好的精度保持性精度保持性是指导轨能否长期保持原始精度,丧失精度保持性的主要因素有导轨的磨损,导轨的结构形式及支撑件(如床身)材料的稳定性。
数控机床的精度保持性比普通机床要求高,常采用摩擦系数小的滚动导轨,静压导轨或塑料导轨;
3)有足够的刚度机床各运动部件所受的外力,最后都由导轨面来承受,若导轨受力后变形过大,不仅破坏了导向精度,而且恶化了导轨的工作条件。
导轨的刚度主要决定于导轨类型、结构形式和尺寸大小、导轨与床身的联结方式,导轨材料和表面加工质量等。
数控机床常采用加大导轨截面积的尺寸,或在主导轨外添加辅助导轨来提高刚度;
4)低速运动平稳性运动部件在导轨上低速运动或微量位移时,运动应平稳,无爬行现象。
这一要求对数控机床尤其重要,它与导轨的结构类型、润滑条件等有关。
要求导轨的摩擦系数要小,以减少摩擦阻力,而且动摩擦、静摩擦系数应尽量接近,以及有良好的阻尼特性。
2、导轨的分类和特点
机床上常用的导轨,按其接触面间的摩擦性质的不同,可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三大类。
传统的铸铁-铸铁、铸铁-淬火钢的导轨副,其缺点是静摩擦力较大。
如果启动力不足以克服静摩擦力,这使被传动的工作台不能立即启动,作用力只能使一连串的传动元件(如步进电机、齿轮、丝杆及螺母等)产生弹性变形,并储存了能量。
当作用力超过静摩擦力时,弹性变形恢复,使工作台突然向前运动。
这时由静摩擦力变为动摩擦力,其数值就明显减小,使工作台产生加速运动。
由于工作台的惯性,使它冲过了平衡点而使工作台偏离了给定的位置。
由图可见,由于滚动导轨和静压导轨的静摩擦力较小,而且很接近于动摩擦力,还由于润滑油的作用,使它们的摩擦力随着速度的提高而增大,这就有效地避免了低速爬行,从而提高了定位精度和运动平稳性。
因此数控机床普遍采用滚动导轨和静压导轨。
1)滑动导轨
滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性强等优点,因此在一般的机床上应用最为广泛。
滑动导轨常用的导轨截面形状有矩形、三角形、燕尾形及圆柱形等四种。
图8-14贴料导轨
现代数控机床使用的导轨,尽管仍然是滑动导轨、滚动导轨和静压导轨,但在导轨材料和结构上与普通机床有着显著的不同。
数控机床所采用的滑动导轨是铸铁-塑料或镶钢-塑料滑动导轨(统称为贴塑导轨)。
目前导轨所使用的塑料常用聚四氟乙烯(PTFE)导轨软带和环氧树脂导轨涂层,它们的特点是摩擦特性好,能防止低速爬行,运动平稳,耐磨性好,对润滑油的供油量要求不高。
塑料的阻尼性好,能吸收振动。
塑料导轨还具有良好的工艺性,图8-14表示贴料导轨的结构。
2)滚动导轨
滚动导轨的最大优点是摩擦系数小,比塑料导轨还小,运动轻便灵活,低速运动平稳性好,位移精度和定位精度高,耐磨性好且润滑简单。
滚动导轨的缺点是抗
振性差,结构复杂,对脏物比较敏感,必须有良好的防护,图8-15是滚动导轨示意图。
滚动导轨是在工作面间放入滚珠、滚柱或滚针等滚动体,使导滚面间为滚动摩擦。
滚动导体可以大大降低摩擦系数,提高运动灵敏度。
滚动导轨由于摩擦系数小(f=0.0025~0.005),动摩擦、静摩擦系数很接近,且几乎不受运动速度变化的影响,因而运动轻便灵活,所需驱动功率小;
摩擦发热少,磨损小,精度保持性好;
低速运动时,不易出现爬行现象,因而定位精度高,很适合用于要求移动部件运动均匀、灵敏及实现精密定位的场合,在数控机床上也得到了广泛的应用。
图8-15滚动导轨
滚动导轨的缺点是结构复杂,制造较困难,因而成本较高。
此外,滚动导轨对脏物较敏感,必须要有良好的防护装置。
(1).滚动导轨的结构形式滚动导轨可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨和直线滚动导轨块(副)组件。
1)滚珠导轨(图8-16)这中导轨结构紧凑,制造容易,成本较低,但是由于是点接触,因而刚度低、承载能力较小,只适用于载荷较小(小于2000N)、切削力矩和颠覆力矩都较小的机床。
导轨用淬硬刚制成,淬硬至60~62HRC。
(a)(b)
图8-16滚珠导轨
2)滚柱导轨(图8-17)。
这种导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大,适用于载荷较大的机床。
它对于导轨面的平行度要求较高,否则会引起滚珠的偏移和侧向滑动,使导轨磨损加剧和降低精度。
(a)(b)(c)
图8-17滚柱导轨
图8-17a的滚柱导轨结构简单,制造较方便。
导轨一般采用镶刚结构,如图8-17b所示。
图8-17c为十字交叉断滚柱导轨。
相邻滚柱的轴线交叉成90°
排列,滚柱的长度比直径小0.15~0.25mm。
这样排列使导轨能承受任意方向的力。
这种导轨结构紧凑,刚性好,不易引起振动,但制造困难。
3)滚针比滚柱的长径比大,由于直径尺寸小,故结构紧凑。
与滚柱导轨相比,可在同样长度上排列更多的滚针,因而承载能力比滚柱导轨大,但摩擦系数也要大一些。
滚针导轨使用于尺寸受限制的场合。
4)直线滚动导轨块(副)组件近年来,数控机床愈来愈多的采用了有专业生产制造的直线滚动导轨块或导轨副组件。
该种导轨组件本身制造精度很高,而对机床的安装基面要求不高,安装、调整都方便,现已有多种形式、规格可供使用。
图8-18为一种滚珠导轨块组件,其特点使刚度高、承载能力大。
当运动部件移动时,滚珠1栽支承部件的导轨愈本体之间滚动,同时绕本体2循环滚动。
每一导轨上使用导轨的数量根据导轨的长度和负载决定。
图8-19是滚珠导轨在机床上安装实例。
图8-20为日本THK公司生产的LM系列滚动导轨副组件,由滑块1、导轨体2、端盖4等组成。
使用时导轨体固定在床身上,滑块固定在运动部件上。
当滑块沿导轨体移动时,滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动,并通过端盖4内的滚道循环滚动。
该种导轨组件由于滚珠在导轨件为圆弧接触,因而刚度高、承载能力大,并能承受任意方向的载荷,运动灵活,适用于要求高精度、高速度的场合。
(a)(b)
图8-18滚珠导轨块
8-19滚珠导轨块的安装
2
图8-20LM系列滚动导轨副组件
图8-19为该种导轨的安装实例,当侧面用紧固螺钉固定时,可用于由振动或冲击的场合。
一般情况下可不用采用侧向紧固螺钉。
(2)滚动导轨预紧
预紧可以提高滚动导轨的刚度。
但预紧力应选择恰当,否则会使牵引力显著增加。
图
8-21所示为矩形滚柱导轨(曲线1)和滚柱导轨(曲线2)的过盈量与牵引力的关系。
为了达到下列目的,常对滚动导轨预紧。
如立式导轨上为了防止滚动体脱落或歪斜;
高精度机床为了提高接触刚度;
有些重量较轻的部件(如砂轮休整器)的滚动导轨是为了获得必要的刚度和移动精度;
为了防止滚动导轨脱离接触,甚至翻转,当颠覆力矩较大时,即M/PL≥1/6,式中,M为相对于导轨长度方向上中点水平轴线的总颠覆力矩,P为重力及切削力在垂直方向分力的总和,L为导轨的工作长度。
预紧的方法一般有两种:
1)采用过盈配合如图8-22(a)所示。
在装配导轨时,根据滚动件的实际尺寸量出相应的尺寸A,然后在刮研压板与溜板的接合面,或在其间加一个垫片,改变垫片的厚度,由此形成包容尺寸A-δ(δ为过盈量)。
过盈量的大小可以通过实际测量来决定。
2)采用调整元件实现预紧如图8-22(b)所示。
调整的原理与方法与滑动导轨调整间隙相似。
拧侧面螺钉3,即可调整导轨体1与2的位置而预加负载。
也可以用斜镶条来调整,此时,导轨上的过盈量沿全长分布比较均匀
(a)(b)
图8-22滚动导轨的预紧
(3)滚动导轨参数选择原则
1)滚动体尺寸和数目的选择滚动体直径愈大,滚动摩擦阻力及接触应力就愈小,滚动体的直径过小,不仅摩擦阻力加大,而且还会产生滑动现象。
所以在结构不受限制时,应尽可能选用较大的直径,滚珠和滚柱的直径应不小于6~8mm。
滚柱的长度应适当,过短会增加导轨面的压强,过长则会使滚柱的锥度误差影响增加,引起载荷分布不均匀。
一般,淬硬钢制造的导轨,滚柱的长径比最好不超过1.5~2。
滚动体的数目也应选择适当。
滚动体数目过少,则导轨的制造误差将影响动导轨的位置精度。
随着滚动体数目的增多,不仅提高了动导轨的位置精度,还可以降低导轨的压强。
通常,每个导轨上每排滚珠的数量最少为12~16个。
但若滚动体数目过多,则接触应力很小,会出现载荷在滚动体上分布不均匀的现象,部分滚动体可能受不到载荷而不起作用,使刚度反而下降。
实验表明,对于滚珠导轨每一滚珠所担负的运动部件重力
N时,对于滚柱导轨,滚柱长度每一毫米所分担的重力q≥4mm/N,载荷的分布是比较均匀的。
因此可用下式确定每一导轨上滚动体数目的最大值。
(8-2)
(8-3)
式中Z珠、Z柱——滚珠和滚柱的数目;
G——每一导轨上所分担的运动部件重力(N);
d——直径(mm);
L——滚柱长度(mm)。
在根据结构选择滚动体的尺寸和数目后,还要对滚动体进行承载能力验算,发现不能满足要求时,可加大滚动体的直径或增加滚动体的数目。
对于滚珠导轨,由于承载能力与滚珠直径的平方成正比,因此增大滚珠直径比滚珠数目有利。
对于滚柱导轨,则增大直径和数目效果相同。
2)滚动导轨的长度滚动导轨中的滚动体和保持架随着导轨移动,但它的移动速度只是移动导轨移动速度的一半。
图8-23a的形式中,滚动体与保持架长度
(Ld为动导轨长度,l为动导轨的行程长度),支承导轨长度
,这种形式可保证在动导轨移动到两端极限位置时,滚动体刚好移动到支承导轨的边缘,因而使动导轨在全长上始终与滚动体相接触,滚动导轨的刚度较好。
但是,此种导轨由于有l/2的保持架中的滚子始终露在外面,因此必须加强导轨的防护。
图8-23b的形式动导轨比滚动体与保持架的长度长l/2,支承导轨长度
,由于动导轨仅在部分长度上与滚动体接触,因而接触刚度较差,只适用于载荷均匀分布或集中于动导轨中部的场合,但对导轨的防护较为有利。
图8-25c采用滚动导轨块时,动导轨的行程只受支承导轨长度的限制。
(a)(b)(c)
图8-23滚动导轨的长度
3)静压导轨
静压导轨主要应用于大重型数控机床上,它的优点是摩擦系数极小,运动灵敏,位移精度和定位精度高,导轨精度保持性好,寿命长。
油膜具有误差均化作用,导向精度高。
油膜承载能力高,刚度高,吸振性好。
缺点是结构复杂,需要相应的液压设备。
静压导轨是在导轨工作面间通入具有一定压强的润滑油,使运动件浮起,导轨面间充满润滑油形成的油膜,因而始终处于纯液体摩擦状态。
静压导轨的基本形式有两类:
1)开式静压导轨依靠运动件自身重量及外载保持运动件不从床身导轨上分离,因而只能承受垂直方向的负载,只能用于颠覆力矩较小的机床上,其工作原理见图8-24a。
油泵2由电动机传动,油从油箱经滤油器1吸人,再精滤油器4,通过节流器5进入运动轨道6与床身轨道7间的油腔内,溢流阀3起调节油压Ps作用,使经过节流后达到油腔压力Pr,使运动件浮起,形成轨道面间的间隙Ho,载荷增大时,运动件向下,使油膜间隙减小,使轨道面间的油液外流的阻力增大,由于节流器的调压作用,使油腔压力Pr随之增大,直至与载荷平衡时为止。
2)闭式静压导轨油腔分布在床身导轨的各个方向,只有运动方向未受限制,因而能用于颠覆力矩较大的场合(图8-24b)。
静压导轨由于导轨面处于纯液体摩擦状态,摩擦系数极低,约为F=0.0005,因而驱动功率大大降低,低速运动时无爬行现象。
导轨面不易磨损,精度保持性良好。
由于油膜有吸振作用,因而抗震性好、运动平稳。
但是静压导轨结构复杂,且需要一套过滤效果良好的供油系统,制造和调整都较困难,成本高,主要用于大型、重型数控机床上。
(a)开式静压导轨(b)闭式静压导轨
图8-24静压导轨
三、数控机床进给系统的间隙消除
(一)齿轮传动
数控机床进给系统中的减速齿轮,除了要求很高的运动精度和工作平稳性以外,还必须消除齿侧间隙。
消除或减少齿侧间隙的方法有多种,如刚性调整法和柔性调整法等。
1)刚性调整法。
调整后不能自动补偿的称为刚性调整法,它具有良好的传动刚度,结构简单,但它要求严格控制齿轮齿厚及周节公差。
如图所示为调整齿侧间隙的几种方法:
其中8-25为偏心套式结构,通过转动偏心套来调整中心距,从而消除间隙;
图8-26为带有小锥度圆柱齿轮结构,通过调整垫片来消除间隙,锥角太大会恶化啮合条件;
图8-27为斜齿消除间隙结构,通过修磨两片齿轮间垫片来消除间隙,此结构只有一片齿轮承载,故承载能力小。
1、2-薄片齿轮;
3-垫片;
4-宽齿轮1、2-薄片齿轮;
3-螺母;
4-弹簧;
5-宽齿轮
图8-27垫片调整法消除斜齿轮间隙图8-28圆柱齿轮双齿轮错齿消除间隙结
2)柔性补偿法。
这种方法是当调整完毕之后,齿侧间隙可以自动补偿,此方法可始终保持无间隙啮合,但结构复杂,传动刚度低。
图8-28为圆柱齿轮双齿轮错齿消除间隙结构。
图8-29为周向弹簧调整法,采用了可调拉力弹簧调隙。
在两片齿轮1和2上分别装上耳座3和8,弹簧4的一端钩在耳座3上,另一端钩在耳座8的螺钉7上。
用螺母5调节螺钉7的伸出长度即可调整弹簧的弹力,调整好后再用螺母6琐紧。
弹簧的弹力使薄齿轮1和2的左右齿面分别与宽齿轮的齿槽左右侧面贴紧,消除了间隙。
图8-30a为轴向压簧法锥齿消除间隙结构;
图8-30b为双片齿错齿法锥齿轮消除间隙结构,其中大锥齿轮被加工成两部分,齿轮的外圈1开有三个圆弧槽8,内圈2的端面带有三个凸爪4,套装在圆弧槽内。
弹簧6的两端分别顶在凸爪4和镶块7上,使内外圈1、2的锥齿错位与小锥齿轮啮合,达到消除间隙的作用。
螺钉5将内外齿圈相对固定是为了安装方便,安装完毕后便可卸去。
其方法类似于圆柱齿轮的消除间隙方法。
(a)(b)
图8-29周向弹簧调整法图8-30锥齿轮间隙调整法
(二)其他机构
滚珠丝杠以及轴承的间隙消除这里不再赘述。
在数控机床进给传动链中,当要实现回转进给或大降速比的传动要求时,常采用蜗杆蜗轮副,为了消除传动侧隙,可采用双导程结构;
对于工作行程很大的大型数控机床,一般采用齿轮齿条传动来实现进给运动,同样也可以采用双片薄齿轮错齿调整齿侧间隙。
此外,各传动元件的键与轴之间,轴与轴的联接间隙也必须注意。
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