滾珠絲杠機構(gòu)作為一種高精度的傳動部件,大量應(yīng)用在數(shù)控機床、自動化加工中心電子精密機械進給機構(gòu)、伺服機械手、工業(yè)裝配機器人、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備、食品加工與包裝、醫(yī)療設(shè)備等各種領(lǐng)域。
滾珠絲杠機構(gòu)的結(jié)構(gòu)
如果將滾珠絲杠機構(gòu)沿縱向剖開,可以看到它主要由絲杠、螺母、滾珠、滾珠回流管防塵等組成。
在圖13-4中,各部分結(jié)構(gòu)的作用如下:
絲杠屬于轉(zhuǎn)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。絲杠具有很高的硬度,通常在表面淬火后再進行磨削加工保證具有優(yōu)良的耐磨性能。絲杠一般與驅(qū)動部件連接在一起,絲杠的轉(zhuǎn)動由電機直接或間接驅(qū)動。既可以采用直聯(lián)的方法,即將電機輸出軸通過專用的彈性聯(lián)軸器與絲杠相聯(lián)傳動比為1;也可以通過其他的傳動環(huán)節(jié)使電機輸出軸與絲杠相連,例如同步帶、齒輪等
(2) 螺母
螺母是用來固定需要移動的負(fù)載的,其作用類似于直線導(dǎo)軌機構(gòu)的滑塊。一般將所需要移動的各種負(fù)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(zhí)行機構(gòu)螺母內(nèi)部加工有與絲杠類似的半圓形滾道,而且設(shè)計有供滾珠循環(huán)運動的回流管,螺母是滾珠絲杠機構(gòu)的重要部件,滾珠絲杠機構(gòu)的性能與質(zhì)量很大程度上依賴于螺母。
(3)防塵片
防塵片的作用為防止外部污染物進入螺母內(nèi)部。由于滾珠絲杠機構(gòu)屬于精密部件如果在使用時污染物(例如灰塵、碎屑、金屬渣等)進入螺母,可能會使?jié)L珠絲杠運動副嚴(yán)重磨損,降低機構(gòu)的運動精度及使用壽命,甚至使絲杠或其他部件發(fā)生損壞,因此必須對絲杠螺母進行密封,防止污染物進入螺母
（4） 滾珠
在滾珠絲杠機構(gòu)中,滾珠的作用與其在直線導(dǎo)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。由于以滾動方式運動,所以摩擦非常小。
(5) 油孔
滾珠絲杠機構(gòu)運行時需要良好的潤滑,因此應(yīng)定期加注潤滑油或潤滑脂。油孔供加潤滑油。
2.滾珠絲杠機構(gòu)的工作原理
滾珠絲杠機構(gòu)的工作原理與螺母和螺桿之間的傳動原理基本相同。當(dāng)絲杠能夠轉(zhuǎn)動而螺母不能轉(zhuǎn)動時,轉(zhuǎn)動絲杠,由于螺母及負(fù)載滑塊與導(dǎo)向部件(如直線導(dǎo)軌、直線軸承)連接在一起,所以螺母的轉(zhuǎn)動自由度就被限制了,這樣螺母及與其連接在一起的負(fù)載滑塊只能在導(dǎo)向部件作用下作直線運動
3.滾珠絲杠機構(gòu)的類型
根據(jù)加工制造方法及精度的區(qū)別,目前市場上的滾珠絲杠機構(gòu)主要有以下兩種類型：
磨制滾珠絲杠、軋制滾珠絲杠
磨制滾珠絲杠是用精密磨削方法加工出來的,精度更高,但制造成本較高,因而價格也更貴，一般非標(biāo)選擇軋制滾珠絲杠
按滾珠循環(huán)方式區(qū)
內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)的選擇一般按尺寸安裝大小選擇。尺寸位置過小選擇內(nèi)循環(huán)。如果沒有安裝尺寸問題建議選擇外循環(huán)
第四節(jié)滾珠絲杠的安裝方式
絲杠軸安裝方式:；
固定——支撐；
固定——固定；
支撐-- ----支撐
固定--- ---自由
所謂“固定”支承就是指采用一對角接觸球軸承支承,使絲杠端部在軸向、徑向均受約束
所謂“支承”也稱為簡支支承,就是采用深溝球軸承,只在徑向提供約束,在軸向則是自由的而不施加限制,當(dāng)絲杠因為熱變形而有微量伸長時,絲杠端部可以作微量的軸向浮動
所謂“自由”支承就是指絲杠端部沒有支承結(jié)構(gòu),呈懸空狀態(tài)
(1) 一端固定一端支承
滾珠絲杠機構(gòu)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,滾珠絲杠機構(gòu)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。
應(yīng)用場合：該方式適用于中等速度、剛度及精度都較高的場合,也適用于長絲杠、臥式絲杠。
(2)兩端固定
兩端固定安裝方式就是在絲杠的兩端均采用兩只角接觸球軸承支承,使絲杠在軸向、徑向均受約束,分別用鎖緊螺母和軸承端蓋將軸承內(nèi)環(huán)和外環(huán)壓緊。
這種安裝方式下絲杠與軸承間無軸向間隙,兩端軸承都能夠施加預(yù)壓,經(jīng)預(yù)壓調(diào)整后,絲杠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(wěn)定性問題,固有頻率也比一端固定一端支承安裝方式髙,因而絲杠的臨界轉(zhuǎn)速大幅提高。但這種安裝方式也有缺點如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對絲杠的熱變形伸長較為敏感等合：
試用的場合：適用在高轉(zhuǎn)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杠兩端均采用深溝球軸承支承,兩端軸承均只在徑向?qū)z杠施加限制,軸向未限制。
C 兩端支撐
應(yīng)用場合:
該方式結(jié)構(gòu)簡單,屬于一般的簡單安裝方式,適用于中等速度、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杠的一端釆用固定端支撐單元,另一端則讓其懸空,處于自由狀態(tài)。
D 一端固定一端自由
這種安裝方式在固定端同樣采用兩只角接觸球軸承,使絲杠在軸向、徑向均受約束,分別用鎖緊螺母和軸承端蓋將軸承內(nèi)環(huán)和外環(huán)壓緊。絲杠另一端是完全自由的,不施加任何支承結(jié)構(gòu)。
應(yīng)用場合:
該方式結(jié)構(gòu)簡單,軸向剛度與臨界轉(zhuǎn)速低,絲杠穩(wěn)定性差,一般只用于絲杠長度較短轉(zhuǎn)速較低的場合,如垂直布置的絲杠。如果采用這種支承方式,為了保證機構(gòu)的工作精度,設(shè)計時應(yīng)盡可能使絲杠在拉伸狀態(tài)下工作,也就是使絲杠自由端在下方、固定端在上方,依靠絲杠及負(fù)載的重量使絲杠處于拉伸狀態(tài)。
滾珠絲杠的特點
(1)驅(qū)動扭矩小
由于滾珠絲杠機構(gòu)運行時滾珠沿絲杠與螺母共同組成的螺旋滾道作滾動運動,運動阻力極小,驅(qū)動扭矩僅為螺紋絲杠機構(gòu)的1/3以下,只需要很小的驅(qū)動功率。
(2) 運動可逆
滾珠絲杠機構(gòu)不僅可以將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺母(及負(fù)載滑塊)的直線運動,也可以很容易地將螺母的直線運動轉(zhuǎn)換為絲杠的旋轉(zhuǎn)運動。因此絲杠在豎直方向使用時,應(yīng)增加制動裝置。
(3) 高精度
滾珠絲杠機構(gòu)在加工、組裝、檢測等環(huán)節(jié)都經(jīng)過嚴(yán)格的控制,屬于高精度的傳動機構(gòu),加上運行時發(fā)熱較少,可以實現(xiàn)很高的傳動精度,使負(fù)載精確定位。
(4)能微量進給
由于滾珠絲杠機構(gòu)中的滾珠為滾動運動方式,啟動扭矩極小,不會出現(xiàn)如滑動運動中容易出現(xiàn)的低速蠕動或爬行現(xiàn)象,所以能實現(xiàn)高精度微量進給,最小進給量可達(dá)0.1pm
(5)高剛性
如果滾珠絲杠機構(gòu)存在軸向間隙,當(dāng)改變軸向負(fù)載的方向時,上述軸向間隙就成為負(fù)載運動誤差的重要來源。通過對滾珠絲杠機構(gòu)施加預(yù)壓,可以使上述軸向間隙為零或零以下(負(fù)間隙),從而獲得高剛性,提高機構(gòu)在負(fù)載狀態(tài)下的運動精度
(6)能高速進給
由于滾珠絲杠機構(gòu)可以制造成較大的導(dǎo)程,傳動效率高,發(fā)熱低,因而能實現(xiàn)高速進給。在保證低于滾珠絲杠機構(gòu)臨界轉(zhuǎn)速的前提下,大導(dǎo)程滾珠絲杠副可以實現(xiàn)100m/min甚至更高的進給速度
(7) 傳動效率高
通常在螺紋絲杠機構(gòu)中僅能夠達(dá)到20%~40%的機械傳動效率,而滾珠絲杠機構(gòu)可以獲得很高的機械傳動效率,最高可以達(dá)到98%
(8)使用壽命長
滾珠絲杠機構(gòu)中螺母及絲杠的硬度均達(dá)到HRC8~HRC62,滾珠硬度達(dá)到HRC62HRC66,而且采用滾動的相對運動方式,幾乎在沒有磨損的狀態(tài)下運行,因而可以達(dá)到較長的使用壽命
滾珠絲杠機構(gòu)的缺點為價格較貴,但由于具有上述一系列的突出優(yōu)點,能夠在自動機械的各種場合實現(xiàn)所需要的精密傳動因而仍然在工程上得到了極廣泛的應(yīng)用
絲杠端部設(shè)計
絲杠端部的形狀是根據(jù)絲杠兩端的支撐結(jié)構(gòu)形式及傳動結(jié)構(gòu)形式來設(shè)計的,當(dāng)確定絲杠端部的支撐結(jié)構(gòu)形式及傳動結(jié)構(gòu)形式后,絲杠端部的形狀設(shè)計就可以確定了。支撐結(jié)構(gòu)決定絲杠與軸承之間的配合結(jié)構(gòu),傳動結(jié)構(gòu)決定絲杠如何與電機輸出軸連接。
例如電機通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動絲杠時,絲杠端部就必須設(shè)計為光軸的形式;如果電機通過齒輪或同步帶輪驅(qū)動絲杠,則絲杠端部就必須設(shè)計鍵槽結(jié)構(gòu);如果絲杠端部采用支撐端支撐單元,則絲杠端部就必須設(shè)計為帶彈性擋圈安裝溝槽的結(jié)構(gòu);如果絲杠端部采用固定端支撐單元,則絲杠端部就必須設(shè)計為帶鎖緊螺紋的結(jié)構(gòu).圖常用的幾種絲杠端部形狀。
為典型的絲杠固定端端部形狀,用于安裝固定端支撐單元。光軸部分用于與彈性聯(lián)軸器裝配在起,再通過聯(lián)軸器與電機輸出軸連接
(b)為典型的絲杠支撐端端部形狀,用于安裝支撐端支撐單元。端部裝人軸承孔后,用彈性擋圈將軸承軸向定位,絲杠端部與軸承一起可以在軸承座內(nèi)作軸向移動。
也屬于典型的絲杠固定端端部形狀,用于安裝固定端支撐單元。端部帶鍵槽部分用于連接裝配同步帶輪或齒輪
滾珠絲杠機構(gòu)的裝配附件及其選型
在使用滾珠絲杠機構(gòu)時,除向制造商訂購所需要的滾珠螺母及絲杠外,根據(jù)滾珠絲杠機構(gòu)的安裝方式,還需要訂購以下裝配附件:絲杠支撐單元、鎖緊螺母、螺母支座
絲杠支撢單元
在攴撐單元中,制造商將軸承座、軸承、鎖緊螺母、調(diào)整環(huán)、密封圈等零部件集成到起,并完成了裝配與調(diào)整,用戶訂購回來后直接與絲杠進行裝配調(diào)試即可使用。通常情況下都采用直接訂購的方式,簡化設(shè)計與制造。關(guān)于支撐單元的形式及訂購方法見前面的介紹.
如果自行設(shè)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杠與軸承進行軸向固定。為了保證鎖緊螺母在滾珠絲杠運行過程中不致松動,在鎖緊螺母上還設(shè)計了緊定螺釘及保護墊片,以獲得完全沒有松弛的固定 圖13-17
螺母支座
螺母支座用于連接滾珠螺母與負(fù)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,然后將負(fù)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(shè)計與制造,同時使機構(gòu)具有較低的安裝高度結(jié)構(gòu)非常緊湊（螺母支座圖13-18）
滾珠絲杠機構(gòu)在裝配時需要進行精確的位置調(diào)整,所以螺母支座與滾珠螺母的裝配孔一般都設(shè)計有約0.4mm的間隙,供裝配調(diào)試時調(diào)整滾珠螺母的位置用。
