机械篇丨说说滚珠丝杆的那些事

机械篇丨说说滚珠丝杆的那些事


​哈喽,大家好,我是老张

前段时间,因为开始网络办公了,所以突然的上班,手上的事情就比较多,导致一直没时间更新,也请大家见谅啦。

今天就不说设备了,而是从以下的方面,咱们详细的聊一聊滚珠丝杆的那些事

滚珠丝杆的介绍
滚珠丝杆的组成和分类
滚珠丝杆的几种安装方式
滚珠丝杆的选型
滚珠丝杆的使用注意事项

关于滚珠丝杆,我想,它应该是我们在工业设备中很常见的一种传动机构了,它可以由旋转运动转换成直线运动,这里也提一下其他常用的传动机构:

齿轮/齿条机构、链轮链条、同步轮同步带、蜗轮蜗杆机构、连杆机构、凸轮机构等等

下面,咱们继续说回滚珠丝杆

一、滚珠丝杆的介绍

关于滚珠丝杆的介绍,我就直接上百度百科的内容吧:

滚珠丝杠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理想的产品。
滚珠丝杠是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件,其主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反复作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。

简单来说,滚珠丝杆就是可以由旋转运动转化为直线运动或者由直线运动转换为旋转运动的机构,但是一般对它的应用都是由旋转运动转换为直线运动,关于这个,我们知道它的作用就好。


二、滚珠丝杆的组成和分类

滚珠丝杆是由丝杆轴和螺母组成,而其中螺母又是由钢球、预压片、反向器、防尘器等组成。更详细的见下图:



关于滚珠丝杆,种类太多了,这里咱们就列举几种比较常见的

1、自润式滚珠丝杆:具有可拆换除油装置的自润式滚珠丝杆,不需要润滑管路系统与设备,减少了换油和废油处理成本;

2、静音式滚珠丝杆:它的原理是在滚珠之间设置有特殊沟型的滚珠间隔环,可以抑制住滚珠与滚珠之间碰撞所产生的噪音,使滚珠丝杆在运动的时候更加的安静、平顺;

3、高速化滚珠丝杆:具有高加速、高刚性、高速进给、低振动、低噪音的特点。使用在工具机的快速进给,磨具高速切削中心机和高速纵荷切削中心等领域;

4、重负荷型滚珠丝杆:能够承受较大的轴向负荷,适用于全电式设计机、空压机、半导体制造装置和锻压制造装置等。


还有轧制和研磨级丝杆的区分,轧制丝杆的精度相对低一点,适用于精度要求不是很高的场合;而研磨级丝杆,根据它的名称也可以看的出来,精度比较高,适合精度要求高的场合。

而根据螺母中的滚珠循环方式,可以分为外循环、内循环、端盖式。先说一下端盖式,这种是比较早期的结构,但是缺点比较明显,现在基本已经被淘汰了,用到的很少,所以这里就稍微提一下。

关于内外循环螺母的具体构造咱们就不聊了,毕竟咱们不需要造丝杆,只需要知道两者的区别以及各自的优缺点就可以。



内、外循环滚珠丝杆的优缺点:

1、内循环滚珠丝杠外形尺寸较小,反向器固定牢靠、刚性好且不易磨损;

2、滚珠丝杆的反向通道短,滚珠数目少,流畅性好,摩擦损失小,传动效率高;

3、相同公称直径的内循环螺母外径比外循环要小,适合安装空间比较紧凑的场合;

4、内循环螺母配合的滚珠丝杠轴必须有一头小于谷径;

5、相对于来说内循环的抗冲击能力比不上外循环,所以大型丝杆以及高负载丝杆大都使用外循环结构;

6、内循环多用塑料反向器,对工作温度有一定的要求。


三、滚珠丝杆的几种安装方式

本来这个滚珠丝杆的安装方式要放在后面的,后来想了一下,在确定丝杆的选型时,需要先确定安装方式,所以,就把它挪到前面来说了。

我列举几种比较常见的安装方式,没有说到的,欢迎大家在评论区补充。


一般的安装方式,就是以上的四种,大家可以根据自己的使用工况,选择丝杆的安装方式,而不同的安装方式,丝杆两端也是不同的,大家注意一下就好。


四、滚珠丝杆的选型

说到滚珠丝杆的选型,需要先来说一下它的常用参数,然后才能从这些参数下手,确定它的型号。

1、丝杆的公称直径

就是丝杆的轴径,常见的规格有(单位:mm):12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100,关于丝杆的轴径,和它相关的就是可以承受的负载,一般是轴径越大,负载越大。

而不同轴径的丝杆可以承受的负载大小可以查看厂家的样册,相关参数是动额定负荷和静额定负荷。静额定负荷指的是在静止状态下,丝杆可以承受的额定负荷,但是咱们用丝杆又不可能让它一直静止的,所以这里,咱们基本只关心动额定负荷就可以。

然后,实际负载和额定负荷的比值越小,丝杆的理论寿命越长。(注:额定负荷不代表最大负荷,但是一般都不要超过额定负荷,不然会降低丝杆的使用寿命)

2、导程

导程指的是丝杆旋转一周,螺母直线运动的距离。常见的导程有(单位:mm):2、4、5、6、8、10、16、20、25、32、40,跟导程有关系的参数是螺母运动速度和滚珠丝杆可提供的直线推力。

导程越大,相同转速情况下,直线运动速度越快,具体的计算关系为:

v=r*i

v:螺母的移动速度(单位:mm/s)

r:丝杆的旋转速度(单位:r/s)

i:导程(单位:mm)

导程和丝杆推力的关系:

F=(2*π*T*n)/i

F:丝杆推力(单位:N)

T:电机提供的扭矩(单位N·m)

n:传动效率(滚珠丝杆的传动效率一般为85%-95%)

i:导程(这里的单位是m)

3、精度

滚珠丝杆,按国内分类,精度等级有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10,日本、韩国,还有中国台湾省采用JIS等级,即C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10;欧洲国家的标准采用的是IT0,IT1, IT2,IT3,IT4,IT5,IT7,IT10。

一般,像我们公司采购的都是台湾的滚珠丝杆,性价比比较高,再其次是日本的。


精度表示方法为:不论你的滚珠丝杆有多长,任取一段300mm,误差都在等级代表的精度之内,各等级代表的精度如下:


一般来说,普通机械采用C7,C10级,数控设备一般采用C5,C3级(C5较多,国内大部分数控机床都是C5级),航空制造设备,精密投影及三坐标测量设备等一般采用C3,C2精度(据我所知,国内民品市场买不到C3以上的滚珠丝杆)。

另外,C7,C10级一般采用轧制方法制造,C5级及以上采用研磨方法制造。

综上所述,非标设计常用的滚珠丝杆精度等级为C7(轧制方法制造或有些人称为转造),而对滚珠丝杆精度等级有更高的要求的,C5(研磨方法制造)也够用了。当然还是要说一句要具体问题具体分析。

4、预压等级

也叫预紧,关于预压,我们不用了解具体的预紧力和预紧方式,只需要按照厂家样本选择预压等级就可以了。预压等级越高,螺母与螺杆配合越紧;反之,等级越低越松。

遵循的原则是:大直径、双螺母、高精度、驱动力矩较大,当丝杆的应用出现以上的情况时,预压等级可以选高一点,反之选低一点。

了解了以上丝杆主要的参数后,咱们就可以根据自己的要求进行选型了。

第一步、根据上面“滚珠丝杆的分类”中提到的各种丝杆的应用场景,确定适用自己工况的丝杆种类;同时也可以确定丝杆的精度等级(一般为C7)和预压等级;

第二步、根据负载的大小,确定滚珠丝杆的轴径;

第三步、根据负载需要的移动速度,确定导程;确定导程后,再根据推力和导程的关系式,确定驱动电机要提供的转矩。

具体如下:

物体上下垂直运动,重量为60Kg,需要的移动速度为1m/s;

1)假如你选取了伺服电机为驱动,额定转速为3000r/min=50r/s,根据公式:v=r*i,确定导程为20;

2)然后再计算负载的大小:假设伺服电机的加减速时间设置为0.3s,那么加速度为3.3m/s²,负载F=600+60*3.3=798N(摩擦力这里忽略);

3)根据公式:F=(2*π*T*n)/i,n取90%,计算得T≈2.82N·m,查询1KW伺服电机是额定扭矩为3.18N·m,符合要求。

以上,就基本确定了滚珠丝杆的型号,最后,再根据自己所需要使用到的行程,还有上面说到的丝杆安装方式,确定丝杆的长度,就OK了。


五、滚珠丝杆的使用注意事项

1、在安装的时候,注意不要碰伤了丝杆的牙型表面;还有就是,一般丝杆采购回来后,螺帽和丝杆都是在一起的,所以在安装的时候,要特别注意,不要把螺帽和丝杆分开了,不然你自己不好装进去,如果不小心分开了,不要强行自己装,可以联系供应商,让他们去装;

2、润滑:滚珠和丝杆是金属摩擦,所以两者之间要加润滑油或润滑脂,不然会降低使用寿命;

而一般的添加方式有手动加油和自动加油,手动加油就是定期由工人进行注油;而自动加油,就需要自动注油系统,这个以后再细说;

3、防尘:滚珠丝杆与滚动轴承一样,当混入杂物或者水、切削液时,磨损会增加,有时会导致破损,所以,我们在设计的时候,就要注意丝杆的防尘;

4、当偏荷重现象发生时,会直接影响螺杆的寿命和噪音,而且基本都伴随着运转不顺的手感,如果螺杆空载时与组装后顺畅度不同,除了注意螺杆本身的精度外,大多是组合精度不良产生偏荷重现象,如下图所示:

好啦,以上就是关于滚珠丝杆的一些介绍,没有说到的,欢迎大家在评论区补充。

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对了,我准备了一些更详细的滚珠丝杆相关资料,大家可以在我的公号回复:滚珠丝杆 ,就OK啦!

编辑于 02-17

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