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    滚珠丝杠副参数计算与选用

    2018-05-30 13:48:44      点击:
    滚珠丝杠副参数计算与选用
    1、计算步骤
    2、确定滚珠丝杠导程Ph
    根据工作台最高移动速度Vmax , 电机最高转速nmax, 传动比等确定Ph。按下式计算,取较大圆整值。
    Ph= (电机与滚珠丝杠副直联时,i=1)
    3、滚珠丝杠副载荷及转速计算
    这里的载荷及转速,是指滚珠丝杠的当量载荷Fm与当量转速nm。滚珠丝杠副在n1、n2、n3••••••nn转速下,各转速工作时间占总时间的百分比t1%、t2%、t3%••••••tn%,所受载荷分别是F1、F2、F3••••••Fn。
     
    当负荷与转速接近正比变化时,各种转速使用机会均等,可按下列公式计算:
     
    (nmax: 最大转速,nmin: 最小转速,Fmax: 最大载荷(切削时),Fmin: 最小载荷(空载时)
    4、确定预期额定动载荷
    ①按滚珠丝杠副预期工作时间Ln(小时)计算:
    ②按滚珠丝杠副预期运行距离Ls(千米)计算:
    ③有预加负荷的滚珠丝杠副还需按最大轴向负荷Fmax计算:Cam=feFmax(N)
    式中:
    Ln-预期工作时间(小时,见表5)
    Ls-预期运行距离(km),一般取250km。
    fa-精度系数。根据初定的精度等级(见表6)选。
    fc-可靠性系数。一般情况fc=1。在重要场合,要求一组同样的滚珠丝杠副在同样条件下使用寿命超过希望寿命的90%以上时fc见表7选
    fw-负荷系数。根据负荷性质(见表8)选。
    fe-预加负荷系数。(见表9)
    表-5 各类机械预期工作时间Ln 表-6 精度系数fa
    机械类型 Ln(小时)
    普通机械 5000~10000
    普通机床 10000~20000
    数控机床 20000
    精密机床 20000
    测示机械 15000
    航空机械 1000
    精度等级 1.2.3 4.5 7 10
    fa 1.0 0.9 0.8 0.7
    表-7 可靠性系数fc
    可靠性% 90 95 96 97 98 99
    fc 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21
      表-8 负荷性质系数fw
      负荷性质 无冲击(很平稳) 轻微冲击 伴有冲击或振动
    fw 1~1.2 1.2~1.5 1.5~2
    表-9 预加负荷系数fe
      预加负荷类型 轻预载 中预载 重预载
    fe 6.7 4.5 3.4
      以上三种计算结果中,取较大值为滚珠丝杠副的Camm。
    5、按精度要求确定允许的滚珠丝杠最小螺纹底d2m
    a.滚珠丝杠副安装方式为一端固定,一端自由或游动时(见图-5)
     
    式中:E-杨氏弹性模量21×105N/mm2
    dm-估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量(mm)
    Fo-导轨静摩擦力(N)。Fo=mow(mo为静摩擦系数)
    L-滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离(mm)
    L≈行程+安全行程+余程+螺母长度一半+支承长度的一半
    ≈行程+(2~4)Ph+4Ph+(4~6)Ph+(1/20~1/10)行程
    ≈(1.05~1.1)行程+(10~14)Ph
    b.滚珠丝杠副安装为两端支承或两端固定(见图-5)
     
    式中:
    L-两个固定支承之间的距离(mm)
    L≈行程+安全行程+两个余程+螺母长度+一支承长度≈(1.1~1.2)行程+(10~14)Ph
    其中 重复定位精度或 定位精度,
    上述两种方法估算出的小值为 为系统刚性最小处刚度值,见下文12、13项计算)
    滚珠丝杠副公称中径dom≈d2m+Dw(钢球直径)
    图-5
    一端固定,一端自由G-Z  
    一端固定,一端游动G-Y  
    二端支承J-J  
    二端固定G-G  
    6、确定滚珠丝杠副规格代号
    按照计算出的Ph,Cam及传动方式,使用情况,可在样本中先查出对应的滚珠丝杠公称直径do,应注意do≥dom, Ca≥Cam,但不宜过大,否则会使滚珠丝杠副转动惯量偏大,结构尺寸也偏大。接着确定循环圈数,滚珠螺母规格代号及相关的安装连接尺寸。
     
    7、确定预紧滚珠丝杠副预紧力Fp
    当选择预紧螺母型式的滚珠丝杠副时需确定预紧力Fp。
    当最大轴向工作载荷Fmax能确定时
    Fp=1/3 Fmax
    当最大轴向工作载荷不能确定时
    Fp=ξCa
    其中ξ值按表10选择,Ca是额定动载荷,可在样本上查到。
    表-10
    预加负荷类型 轻载荷 中载荷 重载荷
    ξ 0.05 0.075 0.1
    8、计算行程补偿值C和预拉伸力F1
    考虑到丝杠运转过程中温升对丝杠副导程精度的影响,在精级要求较高的场合,应对滚珠丝杠副适当的预拉伸。对预拉伸的滚珠丝杠副规定目标行程值C,并计算预拉伸力。
     
    式中:
    C-行程补偿值(mm)
    Dt-温度变化值2℃~3℃
    a-丝杆的线膨胀系数11.8×10-6度
    Lu-滚珠丝杠副的有效行程(mm)
    Lu≈工作台行程+螺母长度+两个安全行程≈行程+(8~14)Ph
     
    式中:
    F1-预位伸力(N)
    d2-滚珠丝杠螺纹底径(mm)
    E-杨氏弹性模量2.1×105(N/mm2)
    Dt-滚珠丝杠温升2℃~3℃
    d2≈do-Dw (Dw:钢球半径)
    9、确定滚珠丝杠副支承用轴承规格型号
    ●计算轴承所受的最大轴向载荷FBmax,有预拉伸的滚珠丝杠副应考虑到预拉伸力Ft。
    ●按滚珠丝杠副支承的要求选择轴承的型号。
    ●确定轴承内径:为便于丝杠加工,轴承内径最好不大于滚珠丝杠的大径。在选用内循环滚珠丝杠副时必须有一端轴承内径略小于丝杠底径d2。其次轴承样本上规定的预紧力应大于轴承所承受最大载荷FBmax的1/3。
    ●有关轴承的其它验算项目可查轴承样本。
     
    10、滚珠丝杠副工作图设计
    ●滚珠丝杠副的螺纹长度LS=Lu+2Le
    Le余程见表-2  Lu=行程+螺母长度
    ●滚珠丝杠副螺母的安装连接尺寸可查样本。
    ●滚珠螺母不应该承受径向载荷及颠覆力矩,应使作用在螺母上的轴向合力通过丝杠轴心。
    ●可以用螺母的外圆柱面及法兰凸缘的内侧作安装基准,同时要求螺母座孔与丝杠轴承孔同心。螺母座孔端面与螺母座孔轴线垂直。当所受载荷冲击力不大时,可仅用螺母法兰凸缘的内侧面作安装基准面,这时应保证螺母座面与导轨垂直。装配时应找螺母外圆与丝杠支承轴承孔同心。
    ●插管式滚珠丝杠副水平放置时,为使滚珠的循环更加滚畅,应将插管置于滚珠丝杠轴线的上方。
    ●设计螺母座,轴承座及紧固螺钉时要注意保证足够的刚性。在承载方向设计加强筋。
    ●由工作图确定滚珠丝杠长度尺寸。
     
    11、电机的选择
    ●作用在滚珠丝杠副上各种转矩计算。外加载荷产生的摩擦力矩TF(N.m)
    滚珠丝杠副预加载荷Fp产生的预紧力矩Tp(N.m)
    式中
    Ph-滚珠丝杠副导程
    h - 未预紧的滚珠丝杠副效率
    1、2、3级精度的丝杠h =0.9
    4级精度以下的丝杠h =0.85
    F-作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷,不同情况下取值不一样。若计算电机启动转矩时,机械是空载起动,F是导轨摩擦力(垂直运动F还包括机构重量);若计算电机工作转矩时,F包括导轨摩擦力和工作载荷(垂向运动F还包括机构重量)。
    ●其他计算,请查找电机样本及相关资料。
     
    12、传动系统刚度计算
    ●一般校核计算按: 
    式中
    KS - 滚珠丝杠副的拉压刚度。计算见下面说明
    Kb - 滚珠丝杠支承轴承的轴向刚度。可查轴承样本及有关资料。
    Kc - 滚珠丝杠副滚珠与滚道的接触刚度可查样本。
    ●精确计算时,还需考虑伺服刚度,联接轴刚度,扭转刚度,螺母座、轴承座刚度等,详请查阅相关资料。
    ●KS的计算
    a. 丝杠支承形式为一端固定,一端游动或自由。
     
    Ks= ×10-3 =1.65 ×102
    式中
    E -杨氏弹性模量2.1×105 (N/mm2)
    d2 - 丝杠底径(mm)
    当a=L1(滚珠螺母至固定支承的最大距离)时刚度最小
    Ks min =1.65 ×102
    当a=Lo (靠固定端的行程起点处)时刚度最大
    Ks max =1.65 ×102
    b.支承形式为两端支承或两端固定。
    Ks = = 6.6 ×102
    当a=L•1/2时(即处在两支承的中点时)刚度最小
    Ks min = 6.6 ×102
    式中
    L1-两支承间的距离
    当a=Lo时(螺母在行程两端处)刚度最大
    Ks max =6.6 ×102
     
    13、传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择
    将Ksmax, Kb, Kc及其它有关值代入 
    将Ksmin 替换Ksmax 代入得Kmin。
    由于数控机床精度在机床空载下验收,△=2FO/Kmin, 称摩擦死区误差。FO是机床空载时导轨上的静摩擦力。
    ξK=Fo( )
    称为传动系数刚度变化引起的定位误差。按JB/GQ1140-89规定,数控机床反向差值主要取决于△,而定位误差主要取决于滚珠丝杠副的精度,其次是ξK。
    ●传动系数刚度验算
    0.8△≤反向差值,即Kmin≥1.6Fo/反向差值
    ●滚珠丝杠副的精度选择
    开环控制系统中使用的滚珠丝杠副
    ep+Vup≤0.8x(定位精度-ξK)
    ep+V300p≤0.8x(300mm定位精度-ξK)
    半闭环控制系统或可以行程补偿的开环系统:
    ep≤0.8x(定位精度-ξK)
    V300p≤0.8x(300mm定位精度-ξK)
    先根据使用情况选择滚珠丝杠副的类型(P类或T类),然后参照滚珠丝杠副的精度标准表(见表-1),按上述两式计算结果确定滚珠杠副的ep,Vup或V300p,从而确定滚珠丝杠副的精度等级。
    14、滚珠丝杠副临界压缩载荷F的校验(验算压杆稳定性)
    式中:
    d2-滚珠丝杠螺纹底径,d2≈do-Dw, do-公称中径,取样本数据。
    Lc1-滚珠丝杠副的最大受压长度(mm)(见表11)
    F′max- 滚珠丝杠副承受最大轴向压缩载荷(N)。 若滚珠丝杠承受最大载荷不是压缩载荷时,F′max不等于Fmax, 视工作情况进行计算
    K1- 安全系数。丝杠垂直安装K1=1/2
    丝杠水平安装K1=1/3
    K2- 支承系数。与支承方式有关(见表11)
    表-11
    支承方式 简 图 K2 λ f
    一端固定
    一端自由  
    0.25 1.875 3.4
    一端固定
    一端游动  
    2 3.927 15.1
    二端支承  
    1 3.142 9.7
    二端固定  
    4 4.730 21.9
    15、滚珠丝杠副极限转速nc校验(避免高速运转时产生共振)
    式中:
    nc-极限转速(r/min)
    Lc2-临界转速计算长度(mm) (见表11)
    E-杨氏弹性模量2.1×105(N/mm2),
    r-材料密度,钢密度 
    I-丝杠的最小惯性矩
    I= 
    A-丝杠的最小横截面积 
    K1-安全系数。一般取0.8
    f, λ-与支承形式有关的系数(见表-11)
     
    16、Dn值校验
    dom•nmax≤70000
    式中:
    dom-滚珠丝杠副的节圆直径(mm),dom≈d2+Dw(mm)
    nmax-滚珠丝杠副的最高转速
     
    17、滚珠丝杠副形位公差的标注见表-3及下图
    某些传动类(T类)滚珠丝杠副,对精度要求低,但传递的载荷较大,这时可不进行有关传动精度及传动系统刚度的计算,但需进行以下两项计算:
     
    18、基本轴向额定静载荷Coa验算 19、强度验算
     
    fsFamax≤Coa
    式中:
    Coa-滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷(N)。可在样本上查到。
    fs-静态安全系数。一般载荷fs= 1~2,
            有冲击或振动的载荷:fs= 2~3 
    Famax- 最大轴向载荷(N)  
    [б]-许用应力(N/mm2)
    d2-滚珠丝杠螺纹底径(mm)。 
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