滚珠丝杠副寿命试验台
滚珠丝杠副寿命试验台（精选7篇）
滚珠丝杠副寿命试验台 第1篇
1.1预紧力矩可控性的意义
滚珠丝杠副是机床进给系统的关键功能部件,由于制造和安装的误差,滚珠丝杠副总是存在间隙的。同时,滚珠丝杠副在轴向工作载荷作用下,使滚珠与螺纹滚道相接触部位产生弹性变形。如果滚珠丝杠副中有轴向间隙或在轴向载荷作用下滚珠与滚道接触面处有弹性变形,则当丝杠反向转动时,将产生空回误差,从而影响传动精度,降低滚珠丝杠副的刚度。因此,对于有严格要求轴向间隙和轴向刚度的精密滚珠丝杠副(如数控机床和精密仪器等),必须采取消除轴向间隙和提高轴向刚度的措施,从而达到较高的目标精度。这就需要对滚珠丝杠副施加合适的预紧力。预紧力过大,摩擦力变大进而造成过大的温升和丝杠的磨损,噪声增大,振动加大,影响精度和寿命。如果预紧力过小,不能完全消除间隙,不能保证精度。所以,预紧力的可控性是滚珠丝杠副以理想的预紧力工作的基础。设计合适的测量装置具有重要的意义。
1.2各预紧方式的特点
施加预紧力消除轴向间隙及提高刚度的方法有很多,目前广泛采用的预紧方式主要有以下几种:双螺母垫片预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母增大滚球预紧。各种预紧方式的特点如表1所示。
2测量系统总体设计及工作原理
本预紧测量系统是为北京机床所与北京信息科技大学合作研制的高速滚珠丝杠副寿命试验台所设计的。
2.1试验台总体结构简介
试验台采用铸造床身,床身长2780mm,用地脚螺栓固定在地基上。可装夹的丝杠最大长度为2200mm,直径测量范围为32～80mm。实验装置采用“伺服电动机+联轴器+丝杠”作为主驱动,直线电动机提供运动阻力,直线电动机的动子与滚珠螺母刚性连接,与螺母一起作高速往复运动。被测丝杠两端用轴承座固定,并对丝杠进行预拉伸。直线电动机采用美国科尔摩根的IC44-200有铁芯、水冷型直线电动机,它能够提供最大推力为10000N,持续推力为8000N,移动速度达到80m/min,加速度大于1g。直线导轨选用THK公司的SHS55LV型导轨,精度等级P级。旋转伺服电动机选用科尔摩根的AKM64,额定转速4500r/min,额定功率5.61kW。直线电动机和旋转电动机通过PMAC卡控制。测量预紧力矩时,注意要把螺母从螺母座中脱出同时直线电动机不加载。驱动电动机带动丝杠旋转,由于螺母法兰盘上插有传力销。所以当传力销压紧测量仪的受力杆时,螺母将不能转动而开始做直线运动。直线电动机的动子要与螺母的移动速度保持一致,这样固定在动子上的测量装置就与螺母保持相对静止。传感器将测到的力P传给与工控机连接的数据采集卡。将力乘以力臂因子即得要测的力矩值。高速滚珠丝杠副寿命试验台的总体结构如图1所示。
2.2传感器的选择
传感器的特性分为静态特性和动态特性2个方面。静态特性是指传感器在被测输入量的各个值处于稳定状态时的输入输出关系。传感器可完成将某一输入量转换为可用信息,因此总是希望输出量能不失真地反映输入量。在理想情况是线性关系,在实际工作中,由于非线性和随机变化量等因素的影响,不可能是线性关系。所以,衡量传感器的静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。而其动态特性是指传感器对随时间变化的输入的响应特性。这种特性总是希望传感器的输出量随时间变化的关系能和输入量随时间变化的关系同步[1]。
对于测量系统来说,往往希望传感器具有良好的静态特性和动态特性,使要测量的信息不失真地被传感器提取并传输出来,因此对传感器的选取和分析是检测技术的一个重要环节[2]。在此选用的是北京正开仪器的S型拉压力传感器。它的特点是:高精度、低漂移、超小体积、量程宽、抗偏载能力强。量程选100N,如果安装半径为100mm,则可测扭矩最大为10 Nm,输出:1.5mV/V或 0～5V,1～5V,0～10mA,4～20mA;非线性:0.03,0.1%FS;滞后:0.03,0.1%FS;不重复性:0.03,0.1%FS;温漂:0.03,0.01%FS;零位输出:2%FS ;激励电压:10V或12V,15V,24VDC;工作温度:-20℃～80℃;过载能力:150%FS。
2.3系统机械部分设计
将S型拉压力传感器下端与底板固连,上端与盖板固连。盖板上铣有浅槽,受力杆放置在浅槽中,用压板固定。2个测力传感器对称分布在水平放置的测量仪上,以方便测量正反转信号。采用左右2个传感器对称分布,测量范围广,体积小,安装极为方便,检测不同规格的丝杠,调整非常简单。在正、反向测量时,传感器受力方向一致,并且在受力母线上加载时,不会因为位置不同而影响测量结果。有学者在做摩擦力矩研究的时候也设计过类似的装置[3]:其采用的是传感器上下放置,在实验时将丝杠副装夹在床身上,用夹紧装置夹紧螺母,通过传力杆将丝杠副的摩擦力矩变换成压力,然后传递到传感器箱里面的上下2个力传感器上,传感器的输出信号由采集仪来采集。实验中,丝杠转动,螺母作直线运动,由拖动杆带动传感器箱沿机床导轨运动,由电器控制柜来控制实验台的正反转,由限位开关控制测量行程。这种方法的缺点是由于通过传力杆来拖动,等于额外增加了摩擦力矩,从而造成相对大的误差。而上面的设计很好地避免了这一点。
2.4控制部分设计
将测力传感器与数据采集卡相连,采集卡插在工控机上与P-MAC控制卡对接实现信号传输。操作系统用VC++编写。操作面板总体设计如图2所示。正中为显示屏,显示所测采样曲线。左方分别为:“预紧力矩的最大、最小值”、“实测转矩带宽”、“理论预紧转矩”。右方分别为:“丝杠参数”(包括导程、公称直径等)、“测量位置”(显示所测丝杠的位移量)、“放大曲线”、“缩小曲线”(对测量所得曲线的放大缩小处理)。面板的下方按钮分别为:“启动”、“复位”(在测量运行中出现死机时来手动复位,使其重新运行)、“打印”。
3结语
力的测试方法分为直接比较法和间接比较法,前者是把待测力和选定基准量进行比较,这种方法简单易行,易于获得较高精度,但只适合力的静态测量,有一定的局限性;后者则是将待测力通过测力传感器转换为其他物理量,然后对接收信号进行处理,此方法尤其适合动态检测。本测量系统采用的检测方法就是这一种。实验表明,测量系统在动态测量的同时,测量精度能达到0.1/100Nm。采用的是左右2个传感器对称分布,测量范围广,体积小,安装极为方便,检测不同规格的丝杠,调整非常简单。它能够很好地完成直径在32～80mm范围的各类型丝杠预紧力矩的检测。同时,在正、反向测量时,传感器受力方向一致,并且在受力母线上加载时,不会因为位置不同而影响测量结果。
参考文献
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滚珠丝杠副寿命试验台 第2篇
滚珠丝杠副具有传动效率高、定位精度高、传动可逆、使用寿命长、同步性能好等优点,在机床行业得到了广泛的应用。滚珠丝杠副作为机械传动与定位的首选部件,其可靠性影响着系统的正常工作。我国滚动功能部件起步于20世纪60年代,是伴随着国产数控机床的发展而逐渐发展起来的。经过几十年的不断改进,在产品种类、规模以及技术水平上都取得了巨大成就[1,2]。目前,国内外公开的关于滚珠丝杠副可靠性的相关研究成果很少,很多技术与研究成果仅限于在国外公司内部使用,国内企业普遍缺少专用的滚珠丝杠副可靠性检测与试验设备。正是由于基础理论、试验研究的不足以及生产技术的差距,国产高端滚动功能部件与NSK,THK等国外知名企业的同类产品相比在产品品质与可靠性方面还有一定差距。为了提高国产高端滚动功能部件的可靠性水平,研制出高品质、高可靠性的滚动功能部件,对试制产品进行试验、分析和改进是一种有效的途径。可靠性试验是研究内容较广、研究深度较深的一类试验,其对应的分析与评估方法能全面、深入地反映出滚动功能部件的精度、性能、疲劳寿命等重要特性,因此,研究滚动功能部件可靠性试验、分析与评估方法,将是滚动功能部件产品改进与提高的基础[3]。
在滚珠丝杠副理论和基础研究方面,虽然国内针对滚珠丝杠副性能测试与力学分析、结构与受力分析的研究相对较多[4,5,6,7],且取得了一定的研究成果,但是直接针对滚珠丝杠副可靠性进行试验、分析与评估方法研究的成果很少,只有GB/T 23568.1《机床功能部件可靠性评定总则》概括介绍了功能部件在进行可靠性试验时的一般要求、试验方式、试验内容、试验要求、故障判定准则、可靠性评定指标以及结果判定等。针对该现状,结合滚珠丝杠副可靠性试验台对滚珠丝杠副的可靠性试验方法和评估方法进行研究。
1 滚珠丝杠副可靠性概念与体系
根据国家标准GB/T 3187-94《可靠性、维修性术语》,可靠性定义为“产品在规定条件下和规定的时间区间内完成规定功能的能力。”滚珠丝杠副主要包括以下几个部分:滚珠丝杠、丝杠螺母、滚珠、回珠器、密封件等。滚珠丝杠副的失效模式主要有2种:1)滚珠与滚道面在工作负载作用下相互接触,当接触应力超过弹性极限后,就要产生塑性变形,在滚道表面出现永久性印痕;2)滚珠不断地从滚道表面某一定点滚过,接触处承受着重复接触应力的作用,经过一定的应力循环次数后,滚道表面就要产生疲劳点蚀。任何一种失效形式的产生都会使传动品质下降,最后导致失效[8]。
当滚珠丝杠副工作过程中出现任何一种失效形式,都会产生振动和噪声,严重的会发生卡死现象。一旦误差值超过允许值,丝杠副就无法正常工作,要进行维护、修理、更换部件或报废等相关处理,这些情况都很大程度上降低了滚珠丝杠副的可靠性水平。
2 滚珠丝杠副可靠性试验方案
可靠性试验是为了了解、评价、分析和提高产品的可靠性而进行的各种试验的总称,其主要因素就是可靠性定义中的“三规定”在试验过程中的具体体现,其对应关系见图1[9]。
图1 可靠性试验考虑的因素与可靠性“三规定”的关系
滚珠丝杠副有高速、精密、重载三种,对于高速滚珠丝杠副,可靠性试验以检验性能指标为主,其性能参数包括速度、加速度、定位精度、噪声、温升、温位移等,其可靠性以性能可靠性进行评估;对于重载滚珠丝杠副,可靠性试验以检验寿命指标为主,通过测定滚珠丝杠副的反向间隙、摩擦力矩以及观察疲劳点蚀来判定,其可靠性以疲劳寿命进行评估;对于精密滚珠丝杠副,可靠性以检验精度指标为主,通过测定丝杠精度和有效精度保持时间来判定,其可靠性以精度保持性进行评估。
根据上述滚珠丝杠副的主要失效模式和可靠性试验的主要因素,制定了以下试验方案:试验装置采用模拟加载跑合的方案,能对滚珠丝杠副进行较为全面的试验。为了尽可能的模拟工作工况,滚珠丝杠副可靠性试验在恒温20℃±5℃下进行。为了提高测试效率,可同时测量几根被测件;用于试验的样品来自同一批次并已检验合格的产品,每批随机抽取至少2根,产品公称直径在20 mm~63 mm之间,长度<2 100 mm。在试验过程中,通过听和看来判断滚珠丝杠副是否发生噪声、振动、卡死等故障,予以及时处理。可靠性试验采用定时截尾试验,当试验时间达到5 000 h时截止试验,记录整理数据进行分析和评估。
2.1 试验台简介及分析
根据滚珠丝杠副可靠性试验方案,自主设计了滚珠丝杠副可靠性试验台。如图2、图3所示,该试验装置的总体结构组成,具体表述如下:
该试验台主要由头架组件、尾架组件、加载组件、传动组件、测量组件、限位组件和润滑组件构成。头架组件采用一体式设计,便于安装和定位,同时固定了3根被测丝杠副之间的距离,避免了加载组件运行时产生干涉的问题。尾架组件采用分离式设计,单独定位安装,便于调节被测丝杠副的同轴度。头、尾架组件的丝杠支撑单元均采用可更替工装,通过更换相应的工装可以满足φ20 mm-φ65 mm丝杠的拆装,并且尾架可以移动,可适应被测丝杠的不同长度,且便于被测丝杠的拆装。加载组件通过伺服电机带动,经齿轮传动和梯形丝杠传动,可以在较短的长度范围内达到所需的加载载荷,最大可达2 t,并通过拉压力传感器实时对载荷大小进行监测,其主要结构如图4所示。传动组件采用变频机驱动,圆弧齿同步带传动,可实现零转速全转矩、低频大力矩、高精度转速控制、位置控制及快速动态响应控制,并准确保证了被测丝杠副的同步度。测量组件包括动态扭矩传感器、振动传感器、噪声传感器和应变式拉压力传感器。限位组件包括接近开关和限位开关。润滑组件包括润滑泵、定量注油器、油管等,主要采用点润滑,每隔20 min润滑一次。
1—尾架丝杠支撑单元;2—床身;3—被测丝杠;4—加载机构;5—被测丝杠螺母;6—应变式拉压力传感器;7—振动传感器;8—噪声传感器;9—头架丝杠支撑单元;10—联轴器;11—动态扭矩传感器;12—同步带传动轴
图2 滚珠丝杠副可靠性试验台的结构组成及连接组件示意图
图3 滚珠丝杠副可靠性试验台三维模型图
该试验台的工作原理为:被测丝杠两端采用丝杠支撑单元支撑,并由变频电机驱动其正、反转动,从而带动加载机构进行来回往复运动。变频机通过同步带传动,可同时带动3根或3根以下被测丝杠进行测试。同步带传动轴远离变频机端与动态扭矩传感器相连,动态扭矩传感器另一端与被测丝杠相连,可测量输入扭矩。该试验台通过滚珠丝杠副螺母轴向加载机构进行内部加载,并采用拉压力传感器对加载力进行实时测量。噪声传感器安装在被测丝杠螺母上,测量丝杠运行过程中的噪声。振动传感器分别布置在垂直于被测丝杠轴线的水平和竖直方向,来测量这两个方向的振动。
动态扭矩传感器、噪声传感器、振动传感器的信号读入计数卡,计数卡再将电子信号送入工控机。拉压力传感器通过放大,滤波后送入计算机进行处理。
图4 加载机构主要结构示意图
2.2 可靠性试验方法
采用本试验装置进行滚珠丝杠副可靠性的测量,试验方法步骤如下:
1)抽取样本。在已经验收合格的产品批次中,随机抽取同工艺、同规格产品,样本检验符合相关标准。同一类型的滚珠丝杠副至少抽取两根,并在滚珠丝杠副的非工作表面上编号。
2)检验被测件。对被测滚珠丝杠副进行检验,确定其精度,摩擦力矩等性能参数并进行记录,检测其预紧力是否达到要求,确定支撑轴承的安装是否达到试验所需的要求。
3)安装被测件。将被测滚珠丝杠副正确安装在试验台上,并确认各传感器可以测量出摩擦阻力矩、噪声、振动等信号;根据需求,确定是否进行预拉伸,如需预拉伸,在被测件尾端进行加载实施预拉伸,预拉伸量根据拉压力传感器进行监测。
4)调试试验台。检查传动链,确保其正确、无阻碍、无异常,对加载电机和减速器及其齿轮传动进行试验,确保试验台施加载荷误差控制在±5%范围内。对拖动电机和减速器进行试验,确保转速误差控制在±2%范围内。检验电气系统,确保其安全可靠,检查冷却、润滑等辅助系统,确保其安全可靠。
5)进行试验并采集数据。先启动润滑、冷却等辅助系统;然后启动加载伺服电机,对被测滚珠丝杠副进行轴向加载,通过控制系统将载荷加至试验指定值,并保持载荷不变;启动拖动变频电机,并通过变频器控制其进行正反转带动滚珠丝杠螺母往复运动。在试验过程中对摩擦力矩,噪声,振动等性能参数进行实时监测和记录。在试验过程中,若滚珠丝杠副出现超过允许值的噪声或振动,则判定为故障,更换受损部件并记录时间后继续试验。若经过维修、更换部件后仍无法正常工作,则视为失效,停止试验。停机时,先关闭拖动伺服电机,再关闭加载伺服电机,最后关闭润滑、冷却等辅助系统,并对其相关的性能参数进行检测和记录。
6)重复试验。重复步骤2)~5),对抽取样本的其他滚珠丝杠副进行可靠性试验,记录试验过程中出现的故障和各项性能参数。
7)分析结果并撰写试验报告。试验过程中,由于载荷不适当,转速异常,供油欠缺及烧伤卡死等原因所造成的失效品,不得计入正常失效数据中。有要求时,可按有关规定,对典型失效品进行失效分析。对记录的试验数据进行可靠性分析,绘制相关曲线图。
3 滚珠丝杠副可靠性评估方法
通过对试验过程中的观察、记录和试验结束以后测得的数据进行分析,得知各系列滚珠丝杠副故障信息,并建立失效模式与失效影响分析档案,同时可获得产品的可靠性水平。通过对试验过程中产品精度和性能的检测、记录与分析,可以得到滚动功能部件精度和性能的变化情况。通过环境应力试验暴露产品的问题以后,要针对问题进行改进,改进后仍需再试验,如有必要还需通过可靠性增长试验进一步改进产品,最终要使滚珠丝杠副的可靠性水平达到或超过指标的要求。
4 结语
滚珠丝杠副是高档数控机床的重要元件之一,国内在对滚动功能部件的研究方面与国外还存在较大的差距。文中针对滚珠丝杠副,总结了其主要的失效模式和故障,提出了对应的可靠性试验台设计方案,设计了试验装置,给出了可靠性试验方法与步骤,并对相应的评价过程进行了简要叙述。该试验台对常用型号和类型的滚珠丝杠副均可进行可靠性测试,能很好地反应出滚珠丝杠副运行过程中出现的各种故障,并及时记录发生故障时的相关数据,为以后滚珠丝杠副的可靠性研究提供依据。在后期的试验过程中,还要继续对可靠性试验方法和评估方法进行不断地完善,确保试验的精确性。
摘要：滚珠丝杠副作为数控机床机械传动与定位的首选部件,其可靠性影响着系统的正常工作。通过分析滚珠丝杠副可靠性包含的相关内容,总结滚珠丝杠副的主要失效类型,自主设计了滚珠丝杠副可靠性试验台,介绍了各影响因素的测量方法,提出了滚珠丝杠副可靠性试验方法和评估方法。
关键词：滚珠丝杠副,可靠性,试验方法,评估方法
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滚珠丝杠副热伸长测量系统设计 第3篇
数控机床的定位精度是反映机床性能的一项重要指标[1]。作为数控机床的传动部件, 滚珠丝杠副丝杠与螺母、支撑轴承间的摩擦将产生热变形, 影响数控系统的定位精度。针对热变形问题, 常见的有误差预防和误差补偿两种解决方案[2]。误差预防是通过改进设计和制造途径消除或减少可能的热误差源, 提高制造精度, 或者控制温度来满足加工精度要求。误差补偿是人为的制造新的误差去抵消当前成为问题的原始误差[3], 达到减小加工误差的目的。误差预防常用方法有空心丝杠冷却系统[4], 虽能一定程度上减少热变形, 但仍存在较大误差。相对误差预防, 误差补偿[5]投入的费用少, 性价比高。误差补偿法需知温升与伸长量的关系, 采取计算法时一般利用热传导方程[6,7] ( 简化为一维或二维) 首先计算丝杠长度方向各点的温度分布 θ ( x, t) , 然后根据温度分布计算变形量Δι[8,9]; 实测法[10]是在丝杠末端安装位移传感器, 实际测出温升与伸长量的关系。现采用实测法测量丝杠热位移。
1 测量系统硬件设计
测控系统主要由驱动, 控制和数据采集3 部分组成, 如图1 所示。驱动选用西门子伺服电动机, 最大转速可达6 000 r / min, 功率13 k W; 控制系统选用西门子828D半闭环控制系统, 接受码盘反馈信号用于主轴伺服控制的位置反馈; 数据采集选用海德汉圆磁栅, 1024 刻线, 通过微量过盈与电机套筒配合, 并且使用螺钉安装在电机套筒上随电机输出轴转动, 用于实时检测丝杠旋转的角度; 海德汉计数器通过PCI总线接到工控机上; 激光位移传感器, 通过支座安装在丝杠尾架, 可实时监测丝杠的伸长; 床身两端装有接触式限位开关, 用于零点调试和预防系统过冲。如图2 所示。
1.1 支撑方式选择
滚珠丝杠副常见支撑方式有3 种: 1) 一端固定一端自由; 2) 一端固定一端支撑; 3) 两端固定。
由于该试验台用于测量丝杠副的热伸长量, 所以选择一端固定一端支撑的安装方式。
1.2 传感器安装
激光位移传感器的测量范围是28 mm~ 32 mm , 安装时注意使激光头到丝杠末端的距离为30 mm, 合理使用传感器。由于丝杠加工时采用双顶尖支撑方式, 丝杠末端中心处有顶尖支撑的孔洞, 激光位移传感器发出的光束需避开中心孔, 安装时将传感器安装支座倾斜一定角度。传感器安装图如图3 所示。
2 测控系统软件
2.1 软件选择
滚珠丝杠副热伸长测量软件是在Windows操作系统下采用Visual Basic6.0 进行编写的。利用Visual Basic可视化程序设计和事件驱动的编程概念, 能够非常方便快速的建立人机交互界面。
2.2 试验方案确定
方案1: 采用自动测量方式, 程序启动后先连续采集50 个数据点, 按大小排序后取中间20 个点取均值作为起始位置。伺服电机启动, 采集程序根据设定的采样周期自动采集激光位移传感器的信号, 同时通过RS232 串口向温度变送器发送指令读取温度传感器的值。
方案2: 采用中断采集方式, 程序启动后以电动机启动为信号启动中断采集程序, 中断程序以固定的采样周期采集100 个点, 这100 个点作为初始测量位置, 丝杠往返运行5 次后再次启动中断程序, 采集丝杠圆周方向对应位置的100 个点, 与初始位置100 个位置的热伸长信号做差, 结果按大小排序后取中间40 个数值做平均值计算得出伸长量。
方案1 测点过程中只需按周期采集激光位移传感器的信号, 测量程序简单, 操作方便。丝杠生产过程中对轴端的端面跳动并无要求, 采用方案1 连续测量时端面的跳动的变化量也算入丝杠伸长量中, 随机误差过大, 无法滤除。方案2 测量选用中断采集的方式, 将丝杠端面按周向平均划分为100 个点, 中断启动前采集圆磁栅信号, 判断丝杠周向转动到相同位置后启动中断采集, 如此每次采集的100 个点, 均为相同位置的点, 测量精度将有大的提升, 最终选择方案2 测量。
2.3 试验程序设计
监测系统启动测量前应对丝杠的基本参数进行设置, 初始化设置界面如图4 所示。测量启动后检测伺服系统是否启动, 伺服电机转动前则将圆光栅计数清零, 确保圆光栅能精确反应丝杠圆周方向位置。伺服电机启动到匀速转动需有加速过程, 因此要等转速平稳后再采集初始温度值及丝杠末端初始位置。初始温度及位置信号采集完成后, 丝杠副每运转5 个来回, 点击测定按钮采集该时刻的温度及位置信号, 单击测定完成按钮完成对该产品的检验, 程序采集界面如图5 所示, 程序操作流程如图6 所示。
3 试验数据处理与分析
3.1 试验数据处理
采集50 个数据点后, 分别做出丝杠的温升曲线 ( 图7) 和丝杠末端伸长量曲线 ( 图8) , 再以温升作为横坐标, 对应的伸长量作为纵坐标绘制丝杠伸长量与温升的关系曲线 ( 图9) 。
3.2试验结果分析
使用本试验台对汉江某型号丝杠做了温升与伸长关系试验, 共采集了50 个数据点, 去掉其中有明显错误的12 个点后, 对剩余数据点做温升与伸长的关系曲线, 利用最小二乘法计算得出丝杠温度每升高1 ℃ , 丝杠末端伸长量为11.4 μm。
因此数控系统采用该型号丝杠作为传动元件生产加工时, 温度每升高1 ℃ , 螺距补偿 Δp等于11.4 μm除以丝杠全长L, 再乘以丝杠导程P。
4 结语
针对丝杠副热伸长影响加工精度的问题, 设计了丝杠副热伸长测量系统。利用激光位移传感器采集丝杠末端的位置信号, 同时使用Pt100 温度传感器采集温度信号。上位机采用Visual Basic6.0 编制了数据采集系统, 对汉江某型号丝杠进行了测试, 得出了丝杠温升与伸长的关系曲线, 并对试验结果进行了分析。
摘要：针对滚珠丝杠副温位移测量的要求, 设计了滚珠丝杆副热伸长测量系统。介绍了试验台的硬件组成及数据采集流程。根据已有的设备制定了2种实验方案, 对比分析后采用更符合实际工况的试验方案2, 对汉江生产的某型号P3级精度丝杠的热伸长量进行了检测。运用最小二乘法对实验数据进行了处理分析, 得出丝杠温升与伸长的关系。
关键词：滚珠丝杠副,热伸长,测控系统
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简述滚珠丝杠副的装配及其相关问题 第4篇
1 滚珠丝杠副的安装形式
常见的安装形式有一端固定一端自由, 一端固定另一端支撑和两端固定三种形式如图1所示。图a是一端固定一端自由的安装形式, 固定端承受轴向力和径向力, 由于这样的安装形式定位精度不够可靠, 特别是对长径比大的丝杠, 其热变性非常明显, 所以这种形式主要用于行程短的短丝杠和全闭环的机床。但是这种形式简单方便安装。如果高精度的机床想采用这种结构, 必安装光栅和全闭环反馈。图b是一端固定一端支撑的结构, 同上一结构一样, 固定端承受轴向力和径向力, 支撑端不仅承受径向力, 还有微量的轴向浮动, 这样就尽量减少甚至避免了由丝杠自重而产生的弯曲。目前这种结构是应用最广泛的。图c是两端固定的形式。这种结构是两端都承受轴向力, 这样可以对丝杠产生一种预紧力, 以此来提高丝杠的支撑刚度。这种形式有比较高的精度, 所以大型重型机床都采用这种形式。
1电动机2弹性联轴器3轴承4滚珠丝杠5滚珠丝杠螺母
2 滚珠丝杠副的检测调整与装配
2.1 检测与调整
滚珠丝杠螺母副安装前的检查与调整是非常重要的, 这是保证机床加工精度的重要的环节。首先需要进行后支承座孔的上母线及侧母线与导轨平行度的检测与调整。将后支承座和床身安装的基面清理干净, 为防止生锈和安装方便, 在支承座的孔内涂上润滑油。用螺钉将床身基面进行预紧。然后将后支承座放入适合的检验套内, 检验棒的悬伸长度应一致。把桥尺放在导轨上, 将表架固定在桥尺上, 压表调零, 反复移动桥尺, 检测后支承座的位置。这样反复检验使其达到要求即完成了第一步检测与调整。然后进行前后支承座孔同轴度的检测与调整。其次是滚珠丝杠螺母副支座孔的上母线及侧母线与机床床身导轨平行度的检测与调整。最后是滚珠丝杠螺母副支座孔与前支承同轴度的调整。
2.2 装配问题
在传统的工艺中, 滚珠丝杠副的安装一直是用检验棒和定位套将轴承座和母座连在一起校正, 用两种表来进行导轨找平。这种方式对于行程小的小型数控机床或是加工中心应用比较方便, 但是由于安装工艺的问题, 精度不够高。如果采用整体式检验棒将母座孔校正, 保证其与基准导轨的正、侧向平行度在0.01mm/1000mm以内。用同样的方法使丝母座孔距基准导轨的正、侧向距离保证同样的精度内。
同时, 在安装滚珠丝杠的过程时, 需要严格控制其轴向串动量, 因为这个直接影响滚珠丝杠进给系统的精度问题。而滚珠丝杠轴的预拉伸也是非常重要的, 这同样可以提高进给系统的刚度和精度。
3 运行时易出现的问题
滚珠丝杠在装配完成后运行时, 经常会出现卡死现象, 一般控制在3%以内。卡死主要是因为丝杠副装配质量不够好, 使得滚珠丝杠副的柔顺性差, 运转不良, 使得滚珠丝杠副的丝杠不能相对于螺母继续转动。经过不同类型不同几何参数的滚珠丝杠副卡死状态的研究, 发现其卡死有一定的特点:卡死现象与丝杠螺旋升角和导程的大小并无关联;精度高的滚珠丝杠副卡死概率低;预紧后也易发生卡死现象;单圆弧滚道丝杠副比双圆弧更易发生卡死现象;各种反向类型的滚珠丝杠副都有卡死的问题出现。
4 拆装以及维护
由于在丝杠和螺母之间放入适量的滚珠, 为了防止拆卸式滚珠滑落, 需使用比丝杠底径小0.2~0.3mm的辅助套筒。将辅助套筒放在螺纹的起端, 从丝杠上把螺母旋转下来, 到辅助套筒上。使得螺母和辅助套筒一起取下, 滚珠注意不要散落。滚珠丝杠螺母不仅对单一方向的进给运动精度有要求, 同时对轴向间隙也有严格的要求, 以此保证反向传动的精度。因此, 在使用过程中, 要用间隙调整法, 减少甚至消除由于丝杠螺母副磨损产生的轴向间隙。同时还要注意滚珠丝杠螺母副的密封和润滑情况, 防止灰尘和其他物质进入。
摘要：本文通过滚珠丝杠的安装形式, 安装前的检测调整与装配问题的分析, 运行时容易出现的问题, 以及拆装和维护四个方面对滚珠丝杠进行较为全面的介绍。
关键词：滚珠丝杠副,装配,检测与调试,维护
参考文献
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滚珠丝杠副寿命试验台 第5篇
1 滚珠丝杠副自重引起的变形有限元分析
滚珠丝杠弯曲挠度dg会引起丝杠轴向传动误差ug,ug=δgtanλ,其中λ为滚珠丝杠的螺旋导程角。本文以一端固定,一端游动支承形式(图1所示)的FFZD3210-5型滚珠丝杆为例进行分析。
FFZD3210-5型滚珠丝杆的主要参数如表1。
/mm
FFZD3210-5型滚柱丝杠的杨氏弹性模量为E=2.07105N/mm2,泊松比μ=0.282,密度ρ=7.9610-8Ns2/mm4。滚珠丝杠的有限元模型采用手动网格划分,Element edge length(单元边长)等于2mm的网格划分结果如图2所示。
有限元分析时的边界条件设定为:与电机相连的一端面约束所有自由度,另一端面的节点约束X、Y向位移自由度。施加重力载荷的方法如下:利用命令GUI:Solution>Define Loads>Apply>Structual>Inertia>Gravity,输入9800mm/s2。在丝杠模型划分网格前,添加四个硬点475、476、457、478。在这四个硬点上,分别施加周向9.16N力模拟轴向扭矩。用Contour(等高线)显示的ANSYS计算结果如图3所示,节点位移矢量变化结果如图4所示。
由图4可知丝杠的最大变形在丝杠的中部且最大线性变形为δmax=0.0194mm。
2 丝杆自重引起的弯曲变形对螺距误差的影响
假设丝杠在垂直面上由于受到重力作用而产生变形量δg,由图5所示图中几何关系可知δg引起的螺距误差为ug=δgtanλ,式中,λ为丝杠的螺旋升角;ug为垂直变形δg所造成的螺距误差。tanλ=Ph0/πD0,D0为节圆直径。当δg=0.0194mm=19.4μm时,
由计算结果可知,丝杠自重引起的变形对高精密丝杠是不可忽略的。
3 减小滚珠丝杠副变形引起误差的对策
若把滚珠丝杠简化为梁,虽然不能和有限元法一样精确计算出变形量,但可以定性分析丝杠变形量与丝杠本身参数的关系。
3.1 减小扭转变形产生的滞后量
由材料力学[2]知,对于等截面梁有
式中T-扭矩,Nmm;L-扭矩作用点之间的距离,mm,对加工中心丝杠来说,是指从丝杠端部装联轴节处到螺母中央之间距离,而且螺母处于在全程中离联轴节最远处时的距离;G-剪切模量8.1104MPa;d2-丝杠底径,mm。
由式(3)可以看出,轴向滞后量δT与d24成反比,因此增大丝杆直径有利于减小扭转变形产生的螺距误差。
3.2 减小自重引起的弯曲变形
对于一端固定一端游动的丝杆支承形式,由文献[2]知,其弯曲变形的最大值为
式中,q-丝杠每单位长度质量,kg/mm;g-重力加速度,9800mm/s2;l-两支承点间的距离,mm;E-丝杠杨氏弹性模量,N/mm2;I-丝杠最小惯性矩,
由式(4)可知,通过选用适当的d2、l可以减小自重引起的螺距误差或者对丝杆施加预拉伸力也可以减小自重引起的螺距误差。
4 结语
本文以FFZD3210-5型滚珠丝杠为例,介绍了运用有限元分析方法计算滚珠丝杠副在自重作用下产生的变形和由于变形引起的螺距误差。通过理论分析,指出了减小丝杆变形和减小由于变形引起的螺距误差的具体方法。
参考文献
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滚珠丝杠副寿命试验台 第6篇
滚珠丝杠副的摩擦力矩是反映滚珠丝杠副的加工质量及性能的一项综合机械性能指标。不同转速下滚珠丝杠副中摩擦力矩的波动直接影响滚珠丝杠副运动的流畅性和平稳性, 摩擦力矩的波动主要取决于滚珠丝杠副预紧力的变动量, 了解不同转速下滚珠丝杠副摩擦力矩波动的机理, 分析摩擦力矩波动的原因, 对提高滚珠丝杠副产品质量和提升数控机床的动态性能具有非常现实的意义。本文从滚珠在不同状态下的能量及受力特性出发, 分析了滚珠在不同状态下引起丝杠摩擦力矩波动变化的原因并经过了测试分析。
1 滚珠在滚道中的接触特性及弹性势能
1.1滚珠的接触特性分析
常见的滚珠丝杠副滚道的形状有圆弧形型面和哥特式型面两种, 哥特式滚道是由两个相同的圆弧面组成, 滚珠在滚道内同时和这两个圆弧面相接触, 在施加预紧力后, 滚珠与丝杠滚道和螺母滚道各有一个接触区域, 因此一个滚珠在丝杠副中有两个接触区域。滚珠与滚道之间的接触变形是非线性的, 下面首先分析滚珠在滚道中的接触特性。
根据赫兹接触理论, 滚珠丝杠和滚珠的接触区域为一个椭圆形区域, 可以计算滚珠的弹性变形量以及接触区域的尺寸。文献[1,2]中给出了一种近似求解接触区域尺寸的方法, 设接触椭圆的长半轴为a, 短半轴为b, 弹性变形量为δ, 则有
式中, E′为材料的当量弹性模量;N为两弹性体之间的法向作用力;ρ为两接触弹性体间的接触点主曲率;ka、kb分别为接触椭圆的长半轴系数和短半轴系数;K (e) 为接触椭圆的积分系数。
1.受力前的状态 2.受力后的状态
在已知丝杠各参数的条件下, 可根据各系数的计算公式分别求出接触椭圆的尺寸及弹性变形量, 根据滚珠在滚道中的受力状况 (图1) , 可以计算滚珠与丝杠滚道面接触点、螺母滚道面接触点所产生的弹性变形量δsN、δnN:
式中, 下标n、s分别表示螺母侧滚道和丝杠侧滚道。
由式 (2) 可得螺母滚道面与丝杠滚道面间由于弹性接触变形所产生的合弹性变形量δb N:
式中, K1为接触变形系数。
由式 (3) 可得滚珠接触变形与接触载荷的关系曲线, 如图2所示。由图2可知, 滚珠的接触刚度随着接触力的增大而呈现明显增大的趋势, 即滚珠的接触刚度随载荷的增大而增大。
1.2滚珠的弹性势能分析
由滚珠的接触特性分析可知, 处于丝杠滚道中的滚珠由于预紧力的作用产生弹性变形, 滚珠具有压缩弹性势能, 并且随着预紧力的加大, 弹性势能Ebk越大, 其关系式如下[3,4,5]:
2 滚珠进出滚道的受力分析
2.1滚珠在返向器中的受力及能量分析
如图3所示, 在外循环滚珠丝杠副的返向器中, 滚珠是依靠后面的滚珠推动前面的滚珠而向前运动的, 大多数情况下滚珠不受滚动力偶作用, 只做滑动运动, 而无滚动运动, 因此外循环滚珠丝杠副摩擦力矩值较大。
(a) 滚珠进入返向器 (b) 滚珠进入丝杠滚道
滚珠在进入丝杠滚道前的状态为平动, 这是由于滚珠在返向器中受到前后左右的摩擦力作用, 使得滚珠的滚动运动很快地丧失, 而仅仅保留了滚珠中心的平动, 并且由于返向器对滚珠的摩擦力作用, 当滚珠到达丝杠滚道入口时, 其运动速度小于在丝杠滚道中的中心速度。图4所示为返向器处于上位时, 滚珠进入丝杠滚道前, 在返向器中的受力状态, 滚珠受力有滚珠自身的重力及返向器的摩擦力, 此时滚珠的动能为
式中, v′为滚珠在返向器中的中心速度;mb为滚珠的质量。
2.2滚珠进入丝杠滚道过程中的受力及能量分析
随着滚珠进入丝杠滚道, 其受力如图5所示。滚珠在进入丝杠滚道的过程中, 承受返向器中其他滚珠对该滚珠的推力F″t及螺母和丝杠滚道的滑动摩擦力F″f n、F″f s等的作用, 其中螺母摩擦力F″f n对滚珠起负功作用, 而丝杠摩擦力F″f s对滚珠起正功加速的作用, 由于返向器处于上位, 则滚珠进入丝杠滚道的有用功为[6]
式中, WF″t为后珠对入口滚珠的推力做的功;Wmb为滚珠重力做的功;WF″f h为后滚珠对该滚珠的摩擦力做的功;WF″f s为丝杠滚道摩擦阻力做的功;WF″f n为螺母摩擦阻力做的功。
此时滚珠的受力及能量均处于变化状态中, 在不同的丝杠转速下滚珠的中心速度不同。
2.3滚珠在丝杠滚道中的受力及能量分析
图6所示为滚珠进入丝杠滚道后的状态, 两端作用有预紧力, 并在对应的滚道面产生接触变形, 此时滚珠具有动能及压缩势能, 在丝杠滚道中的滚珠运动形式主要为滚动, 根据滚珠的受力可知在丝杠滚道中滚珠的压缩势能Ebp1及动能Ebp2为
则丝杠滚道中滚珠的总能量Eb为
式中, Jb为滚珠的转动惯量;rb为滚珠的半径;ω b为滚珠的角速度;v为滚珠质心的线速度;r′d为丝杠与滚珠实际接触半径;ω d为丝杠转速。
3 不同速度下摩擦力矩波动分析
3.1低速下摩擦力矩波动分析
在返向器出口-丝杠滚道的入口, 由于丝杠的预紧效果, 滚珠必须达到丝杠摩擦阻力产生的扭矩才能进入滚道, 即需要作用力F″t作用在滚道入口的滚珠上, 而该力是由滚道出口处滚珠所提供的, 如图7所示。而在滚道出口处滚珠所受的力将产生极大的摩擦阻力F′t, 从而使得丝杠摩擦阻力矩产生波动[6]。
如图6所示, 在低速条件下, 滚珠在受到前面滚珠的作用力下, 为满足不打滑的条件, 在与螺母接触的地方必然产生向下的作用力, 在相同的润滑条件及摩擦因数前提下, 丝杠与滚珠的接触点将先产生滑动, 使得该点摩擦阻力F″f s达到最大, 如果仍不能满足推力的需要, 该作用力将对后面滚珠产生大的摩擦阻力, 该阻力将转化为丝杠的摩擦阻力矩。
后珠推动前珠的速度与滚珠在丝杠滚道中的速度相同, 即此时需要克服的是丝杠预紧力的作用以及提供滚珠转动的角速度, 也就是说推力主要是提供滚珠进入丝杠滚道所需的功, 丝杠滚道与滚珠间的摩擦力提供滚珠提速所需的动能, 在此过程中滚珠的推力F″t、摩擦力F″f s做正功, 滚珠与螺母滚道的摩擦力F″f n做负功。为简化分析, 设丝杠滚道、螺母滚道与滚珠之间的摩擦因数相等并且不随正压力的改变而变化, 则有:
式中, f为滚珠与滚道间的摩擦因数。
式 (9) 中, 由于进入丝杠滚道过程中的速度一致, 即v=v′, 故有:
由以上的分析可知, 摩擦力做功WF″f s、WF″f n的大小与丝杠预紧力的大小有关, 预紧力越大则摩擦力做功越大, 表现为滚珠进入丝杠滚道越困难;随着转速的增加, 滚珠动能的增大有利于减小做功需求, 即速度越大, WF″t越小, 所需滚珠推力F″t越小, 由此可得摩擦力矩的波动量由两部分组成:滚珠进入返向器对返向器中滚珠的推力F′t对丝杠的作用产生的附加摩擦力F′f s的阻力矩波动, 以及滚珠进入丝杠滚道的摩擦力F″f s产生的对丝杠的阻力矩波动。
由于滚珠进入滚道时摩擦力矩波动以半正弦的形式变化, 故由入口滚珠上的摩擦阻力产生对丝杠的附加摩擦力矩为
式中, τ1为滚珠在后滚珠推动下进入丝杠滚道的作用时间系数;τ2为丝杠滚道摩擦使滚珠进入丝杠滚道的作用时间系数;τ3为滚珠进入丝杠滚道后到丝杠出口滚珠进入返向器的时间系数;rd1为滚珠与丝杠的实际接触半径;Trb为滚珠进入丝杠滚道的周期;Mb0为单个滚珠在滚道中产生的丝杠摩擦阻力矩。
由式 (12) 可得, 在低速下摩擦力矩的波动量与丝杠的预紧力Ns0相关, 预紧力越大则所需的推力F″t越大, 相应的丝杠滚珠出口的滚珠作用力F′t也增大, 从而使丝杠与返向器的进出口产生的附加摩擦力越大, 对应的丝杠摩擦力矩的波动量越大。
3.2摩擦力矩波动的临界速度分析
如图6所示, 滚珠以一定的速度进入丝杠滚道, 丝杠转速越大则滚珠所具有的动能越大, 在一定的速度界限下, 由于滚珠动能的增大, 滚珠能够自动进入丝杠滚道, 而不需要后续滚珠的作用力, 在此情况下, 丝杠出口滚珠不受该附加力的作用, 丝杠的摩擦力矩明显减小, 该速度被称为临界速度。
如上所述, 返向器中滚珠进入丝杠滚道时的速度小于丝杠滚道中的滚珠中心速度, 由图5可知, 此时F″t仅仅表现为丝杠滚珠的重力, 在此条件下, 丝杠摩擦阻力F″f s起到的作用仅仅是使进入滚道的滚珠动能的增大, 由于F″t反馈给丝杠进入返向器入口的作用力F′t为零, 故摩擦力矩的波动相应减小, 由进入丝杠滚道的滚珠前后能量式可得
可见, 在一定的滚珠速度下, 滚珠的动能及丝杠对滚珠的作用力能确保滚珠进入丝杠滚道, 使得滚珠进入滚道不需附加作用力F″t, 对应的滚珠出口的附加作用力仅仅为了克服重力的作用, 使得对应的丝杠附加摩擦力矩减小。
同样地, 丝杠滚道入口滚珠上的摩擦阻力产生对丝杠的附加摩擦力矩为
由上式可见, 随着滚珠动能的增大, 滚珠进入滚道所需的推力F″t逐渐变小, 在一定的速度下, 滚珠所具有的动能与滚珠进入滚道所需能量处于平衡状态, 此时处于临界状态。由于滚珠进入滚道所需能量的大小与预紧力有关, 预紧力越大则F″f s越大, 相应的临界速度也越大。
3.3高速下的摩擦力矩波动分析
随着速度的增加, 丝杠滚珠进入丝杠滚道难度减小, 但由于滚珠需要从平动状态转变为转动状态, 滚珠的角速度随着丝杠转速的增大而增大, 滚珠进入滚道所需的使滚珠加速的能量越大, 同临界速度状态, 进入丝杠滚道的滚珠前后能量式也可用式 (13) 表示。
可以设式 (13) 中Wmb、WF″f h项在速度变化时基本不变, 则
由以上的分析可得, 速度的进一步增大使得滚珠的动能增加, 滚珠由平动状态转变为转动状态, 摩擦力矩波动随速度的增大而有所增加, 可得丝杠转速对滚珠受力状态的影响, 使得摩擦力矩波动随丝杠转速发生变化。
4 摩擦力矩测试信号分析
为了验证滚珠能量与冲击响应的关系, 测试实验在滚珠丝杠副摩擦力矩实验台上进行, 如图8所示, 被测丝杠及基准丝杠由两个伺服电机通过联轴器带动, 基准丝杠采用THK的BNK2010, 公称直径为20mm, 导程为10mm, 基准丝杠安装有工作台。被测丝杠的螺母安装有螺母套及悬臂。调节电机参数, 使两个丝杠螺母以相同的轴向速度运动, 在工作台上安装测力传感器, 悬臂压在测力传感器上面, 可采集得到丝杠的摩擦力矩。数据采集系统采用美国NI公司的基于PC的测量自动化平台虚拟仪器软件LabVIEW进行显示与处理, 数据采集卡为NI公司的动态信号采集卡PCI 4472, 该数据采集卡可完成多通道同步数据采集任务以满足信号分析要求[6,7,8]。
图9所示为摩擦力矩信号自谱与转速之间的关系, 由图9可见摩擦力矩的波动呈显著的规律性, 波动频率随丝杠转速的改变而改变。图10为不同转速下摩擦力矩波动的峰峰值变化曲线图, 由图10可知, 随着转速的改变摩擦力矩的峰峰值按照一定的趋势变化, 先为随着转速的增大而减小, 而后又随着转速的增大而增大, 说明在低转速下, 丝杠摩擦力矩的波动主要由返向器阻力所造成;随着转速的增大摩擦力矩有所下降, 这与丝杠内滚珠动能的增加使得滚珠进入滚道的所需力减小有关;当丝杠转速达到滚珠进入丝杠滚道的临界速度时, 摩擦力矩的波动为最小;然后随转速的进一步增大, 摩擦力矩波动又进入增大状态, 与滚珠进入滚道所需转动动能的增大相关。
5 结束语
以上的分析及实验数据证明, 丝杠摩擦力矩波动的大小与丝杠转速有关。在低速下, 由于进入丝杠滚道的滚珠动能不足以促使滚珠进入滚道, 必须有后续丝杠滚道出口滚珠的作用力才能使得滚珠进入滚道。随着速度的增大, 滚珠动能也相应增大, 滚珠可以依靠动能进入丝杠滚道。在一定的预紧力条件下, 存在临界滚珠速度, 在此临界速度下, 必须有后珠的推动才能使滚珠进入滚道, 同时出口滚珠发生等间距碰撞。当滚珠速度大于临界速度, 滚珠所具有的动能使得滚珠可以进入滚道, 而不需要后珠的推动力, 在此情况下, 丝杠的摩擦力矩波动量减小。在临界速度下摩擦力矩的波动量最小。
随着速度的增大, 摩擦力矩必然有一个从大变小再变大的过程, 而最小摩擦力矩波动点为临界速度点, 从理论上可以分析得到其发展趋势, 而实验数据也验证了这一点。
参考文献
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滚珠丝杠副在强力铣削滑台中的应用 第7篇
目前, 国内正在加紧研制一种高效、高速、高精度大平面强力铣削专用机床, 强力铣削滑台和强力铣削头是关键部件。其中, 强力铣削滑台主要包括滑座、滑台体、滚珠丝杠副、动力传动装置、排屑机构等, 强力铣削滑台结构见图1所示。对于平面铣削, 切削力不断变化, 不可避免地产生冲击或振动。在保证滑座和滑台体整体刚性和精度的情况下, 滚珠丝杠副的作用尤为重要, 它作为高速动力传动系统的关键零件, 具有高效、高精度、高速、可逆性等特点。
滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件, 是传统滑动丝杠的延伸发展, 其主要作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。其结构方式主要分为内循环结构和外循环结构两种, 对于此设计的强力铣削滑台, 考虑到螺母安装尺寸、制造难度及成本, 本文选用内循环浮动式滚珠丝杠副。
2 滚珠丝杠副的支承方式
滚珠丝杠副的支承方式主要有四种:一端固定, 一端自由;一端固定, 一端游动;两端支承;两端固定。对于此强力铣削滑台, 其滚珠丝杠副的支撑方式设计为两端支承, 但是轴承的支承上选择设计为止推轴承和球轴承配合, 具有安装方便、降低丝杠的热变形、提高支撑结构刚度等优点。滚珠丝杠副支承方式见图2所示。
3 滚珠丝杠副的参数计算及选用
强力铣削滑台主要用于柴油机缸体、变速箱缸体等两端面的粗、半精铣削加工的强力铣削组合机床中。通常缸体材料HT250, 加工余量6~8mm, 粗、半精铣加工后零件表面粗糙度为Ra3.2, 生产节拍为3min左右。在进行组合机床设计时, 可依据这些条件进行强力镗铣头和铣削滑台的设计。而在强力铣削滑台的设计中, 其滚珠丝杠副的选择主要由使用环境、负载、速度、加速度、最大行程、位置精度及寿命等因素决定, 计算步骤及流程见图3所示。
3.1 滚珠丝杠副导程的确定
滚珠丝杠副导程P是由工作台最高移动速度Vmax、电机最高转速nmax和传动比i确定的。
其中传动比i根据动力传动装置中传动路线进行确定, 与电机直联时为1。
由于此设计的强力铣削滑台动力传动装置传动路线分两路:一路是工进, 一路是快进, 因此需要分开计算传动比i, 计算出的P要取较大值并圆整。
3.2 滚珠丝杠副的载荷及转速计算
滚珠丝杠副的载荷主要有当量载荷Fm、最小载荷Fmin、最大载荷Fmax, 其中Fmin主要是指机床空载时滚珠丝杠副的传动力, Fmax主要是指机床承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力, 而Fm主要是由滚珠丝杠副在各种转速nn, 所占用的工作时间tn下分别承受的载荷为F1、F2Fn决定的。
其中nm为当量转速, 由以下公式计算得出:
正常情况下, 强力铣削组合机床切削方式主要有四种:强力切削、一般切削、精或半精切削、快速进给。因此上述公式下标n取值为4。
3.3 滚珠丝杠副预期额定动载荷的确定
滚珠丝杠副预期额定动载荷Ca可通过三种方式进行计算确定。
(1) 按滚珠丝杠副的预期运行距离Ls计算:
(2) 按滚珠丝杠副的预期工作时间h计算:
(3) 按有预加负荷的滚珠丝杠副的最大轴向负荷Fmax计算:Ca=feFmax (6)
其中, Ls为预期运行距离, 一般取250km;h为预期工作时间, 普通机床为10000~20000h。fw为负荷系数;fa为精度系数;fc为可靠性系数, 一般情况下取1;fe为预加负荷系数;对于此强力铣削滑台, 铣削时常伴有冲击或振动, 滚珠丝杠副精度等级选为5级, 中预载, 因此, 取fw=1.8, 取fa=0.9, 取fe=4.5。
通过以上三种计算, 选择结果较大值为丝杠螺母副的额定动载荷Ca。
3.4 滚珠丝杠副的最小螺纹底径的确定
滚珠丝杠副最小螺纹底径d2的确定可根据其安装方式进行估算, 对于铣削滑台, 其重复定位精度要求不高。因此, 安装方式可选为两端支承。此方式有利于安装, 但要保证一定的安装尺寸。对螺纹底径d2进行估算时, 可按以下公式估算:其中, F0为导轨静摩擦力, N;L为两个固定支承之间的距离, mm;δm为最大轴向变形, 可按重复定位精度的1/2~1/3倍或定位精度的1/4~1/5倍进行估算, 取二者之小值。
3.5 滚珠丝杠副型号的确定
根据传动方式及使用情况, 确定滚珠丝杠螺母型式, 这里选择应用场合最为广泛的内循环双螺母垫片预紧螺母, 然后依据P、Ca、d2等参数, 可进行厂家对应型号的查询。注意:所选的滚珠丝杠副对应的P、Ca、d2一定要大于所计算出的数值, 但又不宜过大, 否则会增大其转动惯量和结构尺寸。
3.6 滚珠丝杠副预紧力的确定
对于预紧螺母型式的滚珠丝杠副需确定其预紧力F。
当最大轴向工作载荷Fmax确定时, F可取Fmax的1/3倍, 否则按ξCa取值, ξ为预加负荷类型系数, 此处取值0.075。
4 滚珠丝杠副的校验
对于强力铣削组合机床, 高速铣削时, 常伴有冲击或振动。如果其铣削滑台整体刚性和精度满足的条件下, 滚珠丝杠副的整体性能将对整个滑台的综合性能起决定性影响。因此要对选定的滚珠丝杠副进行某些参数的校验, 比如临界压曲载荷Fc主要影响丝杠轴的稳定性;校验临界转速Nc, 可避免高速运转时产生共振;Dn值主要影响滚珠丝杠副的噪音、工作温度及回流系统的寿命, 一般Dn值不大于105。
5 结论
对于强力铣削组合机床, 强力铣削滑台和强力铣削头是设计时的难点。而对于强力铣削滑台, 滚珠丝杠副的设计是难点, 其支承方式、主要参数的计算和选用以及校验都值得研究, 此方面的研究可为强力铣削滑台产品通用化、系列化、市场化打下基础。
参考文献
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[2]周志红, 文怀兴, 杨东生.滚珠丝杠安装方式的研究[J].制造业自动化, 2007, 29 (6) :68-72.
[3]王智红, 宁献刚, 张健.大走刀高效强力铣削组合机床的研制[J].内燃机, 2009 (2) :29-30.
滚珠丝杠副寿命试验台
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