滾珠絲槓的應用
滾珠絲槓機構作為一種高精度的傳動部件,大量應用在數控機床、自動化加工中心電子精密機械進給機構、伺服機械手、工業裝配機器人、半導體生產設備、食品加工與包裝、醫療設備等各種領域。
滾珠絲槓機構的結構
如果將滾珠絲槓機構沿縱向剖開,可以看到它主要由絲槓、螺母、滾珠、滾珠迴流管防塵等組成。
在圖13-4中,各部分結構的作用如下:
絲槓屬於轉動部件,是一種直線度非常高、上面加工有半圓形螺旋槽的螺紋軸,半圓形螺旋槽是滾珠滾動的滾道。絲槓具有很高的硬度,通常在表面淬火後再進行磨削加工保證具有優良的耐磨性能。絲槓一般與驅動部件連接在一起,絲槓的轉動由電機直接或間接驅動。既可以採用直聯的方法,即將電機輸出軸通過專用的彈性聯軸器與絲槓相聯傳動比為1;也可以通過其他的傳動環節使電機輸出軸與絲槓相連,例如同步帶、齒輪等
(2) 螺母
螺母是用來固定需要移動的負載的,其作用類似於直線導軌機構的滑塊。一般將所需要移動的各種負載(例如工作臺、移動滑塊)與螺母連接在一起,再在工作臺或移動滑塊上安裝各種執行機構螺母內部加工有與絲槓類似的半圓形滾道,而且設計有供滾珠循環運動的迴流管,螺母是滾珠絲槓機構的重要部件,滾珠絲槓機構的性能與質量很大程度上依賴於螺母。
(3)防塵片
防塵片的作用為防止外部汙染物進入螺母內部。由於滾珠絲槓機構屬於精密部件如果在使用時汙染物(例如灰塵、碎屑、金屬渣等)進入螺母,可能會使滾珠絲槓運動副嚴重磨損,降低機構的運動精度及使用壽命,甚至使絲槓或其他部件發生損壞,因此必須對絲槓螺母進行密封,防止汙染物進入螺母
4 滾珠
在滾珠絲槓機構中,滾珠的作用與其在直線導軌、直線軸承中的作用是相同的,滾珠作為承載體的一部分,直接承受載荷,同時又作為中間傳動元件,以滾動的方式傳遞運動。由於以滾動方式運動,所以摩擦非常小。
(5) 油孔
滾珠絲槓機構運行時需要良好的潤滑,因此應定期加註潤滑油或潤滑脂。油孔供加潤滑油。
2.滾珠絲槓機構的工作原理
滾珠絲槓機構的工作原理與螺母和螺桿之間的傳動原理基本相同。當絲槓能夠轉動而螺母不能轉動時,轉動絲槓,由於螺母及負載滑塊與導向部件(如直線導軌、直線軸承)連接在一起,所以螺母的轉動自由度就被限制了,這樣螺母及與其連接在一起的負載滑塊只能在導向部件作用下作直線運動
3.滾珠絲槓機構的類型
根據加工製造方法及精度的區別,目前市場上的滾珠絲槓機構主要有以下兩種類型
磨製滾珠絲槓
軋製滾珠絲槓
磨製滾珠絲槓是用精密磨削方法加工出來的,精度更高,但製造成本較高,因而價格也更貴，一般非標選擇軋製滾珠絲槓
按滾珠循環方式區
內循環與外循環的選擇一般按尺寸安裝大小選擇。尺寸位置過小選擇內循環。如果沒有安裝尺寸問題建議選擇外循環
第四節滾珠絲槓的安裝方式
絲槓軸安裝方式:；
固定——支撐；
固定——固定；
支撐-- ----支撐
固定--- ---自由
所謂“固定”支承就是指採用一對角接觸球軸承支承,使絲槓端部在軸向、徑向均受約束
所謂“支承”也稱為簡支支承,就是採用深溝球軸承,只在徑向提供約束,在軸向則是自由的而不施加限制,當絲槓因為熱變形而有微量伸長時,絲槓端部可以作微量的軸向浮動
所謂“自由”支承就是指絲槓端部沒有支承結構,呈懸空狀態
(1) 一端固定一端支承
滾珠絲槓機構最典型、最常用的安裝方式為通常所說的一端固定一端支承安裝方式,滾珠絲槓機構最典型、最常用的安裝方式為通常所說的一端固定一端支承安裝方式。
（A）一端支撐一端固定
應用場合
該方式適用於中等速度、剛度及精度都較高的場合,也適用於長絲槓、臥式絲槓。
(2)兩端固定
兩端固定安裝方式就是在絲槓的兩端均採用兩隻角接觸球軸承支承,使絲槓在軸向、徑向均受約束,分別用鎖緊螺母和軸承端蓋將軸承內環和外環壓緊。
這種安裝方式下絲槓與軸承間無軸向間隙,兩端軸承都能夠施加預壓,經預壓調整後,絲槓的軸向剛度比一端固定一端支承安裝方式約高4倍,且無壓桿穩定性問題,固有頻率也比一端固定一端支承安裝方式髙,因而絲槓的臨界轉速大幅提高。但這種安裝方式也有缺點如結構複雜、對絲槓的熱變形伸長較為敏感等合：
試用的場合：
適用在高轉速高精度上
B兩端固定
（3）兩端支承
兩端支承安裝方式就是在絲槓兩端均採用深溝球軸承支承,兩端軸承均只在徑向對絲槓施加限制,軸向未限制。
(C)兩端支撐
應用場合:
該方式結構簡單,屬於一般的簡單安裝方式,適用於中等速度、剛度與精度都要求不高的一般場合。
(4) 一端固定一端自由
端固定一端自由安裝方式表示絲槓的一端釆用固定端支撐單元,另一端則讓其懸空,處於自由狀態。
(D)一端固定一端自由
這種安裝方式在固定端同樣採用兩隻角接觸球軸承,使絲槓在軸向、徑向均受約束,分別用鎖緊螺母和軸承端蓋將軸承內環和外環壓緊。絲槓另一端是完全自由的,不施加任何支承結構。
應用場合:
該方式結構簡單,軸向剛度與臨界轉速低,絲槓穩定性差,一般只用於絲槓長度較短轉速較低的場合,如垂直佈置的絲槓。如果採用這種支承方式,為了保證機構的工作精度,設計時應儘可能使絲槓在拉伸狀態下工作,也就是使絲槓自由端在下方、固定端在上方,依靠絲槓及負載的重量使絲槓處於拉伸狀態。
滾珠絲槓的特點
(1)驅動扭矩小
由於滾珠絲槓機構運行時滾珠沿絲槓與螺母共同組成的螺旋滾道作滾動運動,運動阻力極小,驅動扭矩僅為螺紋絲槓機構的1/3以下,只需要很小的驅動功率。
(2) 運動可逆
滾珠絲槓機構不僅可以將絲槓的旋轉運動轉換為螺母(及負載滑塊)的直線運動,也可以很容易地將螺母的直線運動轉換為絲槓的旋轉運動。因此絲槓在豎直方向使用時,應增加制動裝置。
(3) 高精度
滾珠絲槓機構在加工、組裝、檢測等環節都經過嚴格的控制,屬於高精度的傳動機構,加上運行時發熱較少,可以實現很高的傳動精度,使負載精確定位。
4能微量進給
由於滾珠絲槓機構中的滾珠為滾動運動方式,啟動扭矩極小,不會出現如滑動運動中容易出現的低速蠕動或爬行現象,所以能實現高精度微量進給,最小進給量可達0.1pm
5高剛性
如果滾珠絲槓機構存在軸向間隙,當改變軸向負載的方向時,上述軸向間隙就成為負載運動誤差的重要來源。通過對滾珠絲槓機構施加預壓,可以使上述軸向間隙為零或零以下(負間隙),從而獲得高剛性,提高機構在負載狀態下的運動精度
(6)能高速進給
由於滾珠絲槓機構可以製造成較大的導程,傳動效率高,發熱低,因而能實現高速進給。在保證低於滾珠絲槓機構臨界轉速的前提下,大導程滾珠絲槓副可以實現100m/min甚至更高的進給速度
(7) 傳動效率高
通常在螺紋絲槓機構中僅能夠達到20%~40%的機械傳動效率,而滾珠絲槓機構可以獲得很高的機械傳動效率,最高可以達到98%
(8)使用壽命長
滾珠絲槓機構中螺母及絲槓的硬度均達到HRC8~HRC62,滾珠硬度達到HRC62HRC66,而且採用滾動的相對運動方式,幾乎在沒有磨損的狀態下運行,因而可以達到較長的使用壽命
滾珠絲槓機構的缺點為價格較貴,但由於具有上述一系列的突出優點,能夠在自動機械的各種場合實現所需要的精密傳動因而仍然在工程上得到了極廣泛的應用
絲槓端部設計
絲槓端部的形狀是根據絲槓兩端的支撐結構形式及傳動結構形式來設計的,當確定絲槓端部的支撐結構形式及傳動結構形式後,絲槓端部的形狀設計就可以確定了。支撐結構決定絲槓與軸承之間的配合結構,傳動結構決定絲槓如何與電機輸出軸連接。
例如電機通過聯軸器直接驅動絲槓時,絲槓端部就必須設計為光軸的形式;如果電機通過齒輪或同步帶輪驅動絲槓,則絲槓端部就必須設計鍵槽結構;如果絲槓端部採用支撐端支撐單元,則絲槓端部就必須設計為帶彈性擋圈安裝溝槽的結構;如果絲槓端部採用固定端支撐單元,則絲槓端部就必須設計為帶鎖緊螺紋的結構.圖ABC為常用的幾種絲槓端部形狀。
(A)
為典型的絲槓固定端端部形狀,用於安裝固定端支撐單元。光軸部分用於與彈性聯軸器裝配在起,再通過聯軸器與電機輸出軸連接
（B）
(b)為典型的絲槓支撐端端部形狀,用於安裝支撐端支撐單元。端部裝人軸承孔後,用彈性擋圈將軸承軸向定位,絲槓端部與軸承一起可以在軸承座內作軸向移動。
(C)
也屬於典型的絲槓固定端端部形狀,用於安裝固定端支撐單元。端部帶鍵槽部分用於連接裝配同步帶輪或齒輪
滾珠絲槓機構的裝配附件及其選型
在使用滾珠絲槓機構時,除向製造商訂購所需要的滾珠螺母及絲槓外,根據滾珠絲槓機構的安裝方式,還需要訂購以下裝配附件:
絲槓支撐單元
鎖緊螺母
螺母支座
絲槓支撢單元
在攴撐單元中,製造商將軸承座、軸承、鎖緊螺母、調整環、密封圈等零部件集成到起,並完成了裝配與調整,用戶訂購回來後直接與絲槓進行裝配調試即可使用。通常情況下都採用直接訂購的方式,簡化設計與製造。關於支撐單元的形式及訂購方法見前面的介紹.
如果自行設計加工支撐單元,則需要訂購軸承、鎖緊螺母.
2. 鎖緊螺母
鎖緊螺母的作用為對絲槓與軸承進行軸向固定。為了保證鎖緊螺母在滾珠絲槓運行過程中不致鬆動,在鎖緊螺母上還設計了緊定螺釘及保護墊片,以獲得完全沒有鬆弛的固定 圖13-17
一鎖緊螺母;2-保護墊片;3一緊定螺釘
螺母支座
螺母支座用於連接滾珠螺母與負載滑塊(即工作臺),如圖13-18所示。將滾珠螺母直接用螺釘連接在螺母支座上,然後將負載滑塊用螺釘直接固定在螺母支座上方平面的螺紋孔中即可,安裝簡單,只要使用螺釘就可以完成裝配,簡化設計與製造,同時使機構具有較低的安裝高度結構非常緊湊（螺母支座圖13-18）
圖13-18螺母支座的結構及使用方法
—滾珠螺母:2—螺母支座
滾珠絲槓機構在裝配時需要進行精確的位置調整,所以螺母支座與滾珠螺母的裝配孔一般都設計有約0.4mm的間隙,供裝配調試時調整滾珠螺母的位置用
閱讀更多 SW機械設計教學 的文章
