<B9F6D6E9CBBFB8DCB8B1D1A1D0CD E696E6464>

Size: px

Start display at page:

Download "<B9F6D6E9CBBFB8DCB8B1D1A1D0CD E696E6464>"

北缵岂池
5 years ago
Views:

滚珠丝杠副选型 Jeff G. Johnson, 产品工程师 Thomson Industries, Inc. Wood Dale, IL 540-633-3549 www.thomsonlinear.com Thomson@thomsonlinear.

1 滚珠丝杠副选型 Jeff G. Johnson, 产品工程师 Thomson Industries, Inc. Wood Dale, IL 图 1: 滚珠丝杠副是一种常用的直线执行器简介滚珠丝杠副是一种将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动的装置滚珠丝杠副由滚珠丝杠和含有循环滚珠的螺母组成丝杠和螺母都有与滚珠配合的滚道, 二者通过循环滚珠联接在一起传递的力均布在大量的滚珠上, 这样每个滚珠上承载的力就会相对较小因为滚珠丝杠副含有滚动体, 因此摩擦系数非常小滚珠丝杠副的机械效率通常大于 90%, 因此较高的初始安装费用通常可以用降低使用功耗来抵消滚珠丝杠及其它直线执行器的特点总结如下表所示 : 1

2 手动执行器爱克米螺纹气缸滚珠丝杠超精密或精密带传动缆线和链条传动液压缸直线电机齿条和齿轮传动滚柱丝杠低成本低速低成本中速多点定位单点定位中等负载, 如果不具有气源则应用成本较高, 存在漂移现象高速重复精度高精度高中等成本, 螺母旋转型具有较长的行程高速多点重复定位中等精度中等负载低成本轻载应用稳健性欠佳负载非常高单点定位速度最高负载相对较轻精度最高中速, 长行程, 中等载荷至重载重载中速图 2: 直线执行器装置概要滚珠丝杠的重要技术参数额定静载荷最大的非操作负载能力, 超过此值将导致滚道发生布氏硬度压入失效载荷禁止大于额定静载额定动载荷滚珠丝杠能够运行百万英寸行程 ( 英制系列 ) 或百万转 ( 公制系列 ) 所允许的最大负载不推荐负载大于额定动载荷导程误差每英尺的定位误差 ( 英制系列 ) 或每 300mm 的定位误差 ( 公制系列 ), 用来量度运动精度背隙滚珠螺母与丝杠间的轴向自由运动, 用来量度滚珠丝杠的刚度和可重复性末端固定方式末端支承方式影响丝杠的速度和柱负载 2

3 可选输入参数螺母安装方式 ( 法兰螺纹圆柱 ) 螺纹方向 ( 右旋 / 左旋 ) 材料 ( 碳钢 / 不锈钢 ) 主体形状 ( 圆形 / 方型 ) 产品系列 ( 公制 / 英制 ) 一般参数单位 ( 英制 / 公制 ) 末端固定方式固定 - 自由支承 - 支承固定 - 支承固定 - 固定系统安装方向 ( 垂直 / 水平 ) 驱动系统丝杠驱动螺母驱动长度行程总长螺纹长度负载方向值摩擦系数可选输入参数电机参数 RPM 系统基本参数应用参数定位精度要求导程精度背隙预压环境刮片 (Y / N) 材料 ( 碳钢 / 不锈钢 ) 镀铬寿命预计寿命使用情况速度和加速度运动情况停留时间性能计算计算寿命计算导程计算惯性载荷计算扭矩 / 功率计算临界转速计算容许压缩载荷末端支承方式评估电机评估 ( 扭矩 / 功率 ) 图 3: 滚珠丝杠选型参数可选输入参数图 3 概述了滚珠丝杠选型过程中所需的参数可选输入参数能够让设计工程师在滚珠丝杠选型的早期就能够根据特定性能来选择具体类型的滚珠丝杠值得注意的是, 指定可选输入参数可能会不必要地限制滚珠丝杠的选择范围例如, 如果你选择了公制产品系列, 那就会放弃掉所有的英制系列产品, 但英制的滚珠丝杠也很可能很好地适合此应用系统基本参数系统基本参数确定了应用要求的基本几何尺寸系统的安装方向同样也很重要, 因为水平方向放置时负载等于有效载荷重量乘以摩擦系数, 而竖直方向放置时负载等于重力定位精度要求决定了应用所需滚珠丝杠的精度等级以下表中显示了不同类型滚珠丝杠的定位精度水平 3

4 滚珠丝杠类型精密英制超精密英制精密公制精度等级为 T7 级精密公制精度等级为 P5 级超精密公制精度等级为 P3 级精度 +/ in/ft +/ in/ft +/- 50mm/300m +/- 23mm/300m +/- 12mm/300m 背隙是指滚珠丝杠和滚珠螺母间的直线自由运动, 可以通过预压螺母进行调节变导程预压使螺母中的螺纹导程略小于丝杠导程, 从而实现精确的预压这种预压方式典型应用于既需要高重复精度又需要高刚度的场合双螺母调节预压方式中两个滚珠螺母通过中间的一个压缩弹簧进行轴向预压这种预压方式典型应用于重复定位要求高的定位应用如果没有预压, 那么丝杠和螺母间的轴向间隙通常为英寸, 具体数值取决于丝杠尺寸无预压滚珠丝杠通常应用于运输或竖直应用驱动系统类型是另一个基本丝杠参数在丝杠驱动系统中, 螺母是固定的, 丝杠用于驱动 ; 在螺母驱动系统中, 丝杠是固定的, 螺母用于驱动滚珠丝杠末端安装方式有支承和固定两种形式末端支承形式只在单点对滚珠丝杠进行支承, 不能够承受弯矩末端固定形式能够承受弯矩, 因为它通常使用两个充分隔开的轴承进行支承, 因此能够保证滚珠丝杠垂直于旋转轴承端面末端固定形式能够提供较大的裂断强度和更高的临界转速而另一方面, 末端支承形式结构更加紧凑, 成本更低末端支承形式通常比末端固定形式更容易调整和安装, 因此安装成本通常更低一些滚珠丝杠的固定方式通常有 : 一端固定, 一端自由两端支承一端固定一端支承两端固定应用参数首先要确定的应用参数是负载方向和水平滚珠丝杠最好只承受轴向负载滚珠丝杠在压缩载荷下避免屈曲的能力叫做裂断强度滚珠丝杠必须承受轴向力, 这个力与电机扭矩作用在滚珠螺母上的力大小相等, 方向相反总地来说, 裂断强度决定了设计参数, 因为对于长柱形产品, 裂断强度远低于其抗压强度因为长径比对于裂断屈曲非常重要, 于是滚珠丝杠的压缩负载强度将取决于丝杠的长度在支承相同负载而不发生屈曲的情况下, 两端固定滚珠丝杠的长度可以是两端支承滚珠丝杠长度的 1.5 倍, 是一端自由滚珠丝杠长度的 2.5 倍 4

5 滚珠丝杠的极限速度通常为滚珠丝杠自然频率对应的转速滚珠丝杠的临界转速通常是指滚珠丝杠发生谐波振动时的旋转速度, 它通常是滚珠丝杠振动的特征频率例如, 一根长 100 英寸齿根直径 1 英寸的滚珠丝杠两端固定时自然频率约为 18 Hz 同样的一根滚珠丝杠, 两端支承时自然频率将降为 8 Hz 如果丝杠的转动频率与丝杠的自然频率相同, 微弱的不平衡都能够导致丝杠的共振, 从而使丝杠过度弯曲, 导致丝杠不能够正常工作此外, 还可以使用各种类型的轨道进行导向, 如直线导轨和方轨导轨寿命取决于使用情况 ( 滚珠丝杠每天使用多少小时, 每周使用几天, 每年使用多少周 ) 和滚珠丝杠的总寿命要求对于更加复杂的应用, 你还可以选择构建更加完整的运动属性每段运动的属性只需输入初始速度结束速度运动时间和此段运动间的扭矩图 4: 门式焊机应用选型范例我们以三轴门式焊机应用为例来演示如何对滚珠丝杠副进行选型滚珠丝杠副在整个 X 轴上运动, 丝杠的两端采用轴承支座支承的安装方式为简单起见, 我们规定滚珠螺母的安装方式为法兰安装, 材料是合金钢, 右旋螺纹, 公制系列产品在此应用中, 系统螺旋传动方向为水平方向 X 轴的长度是 6 米安装方式为带有热稳定法兰的两端固定式因为此应用并不要求非常高的精度, 因此我们可以选择无预压的精密滚珠丝杠副因为工作环境为多尘环境, 因此滚珠丝杠副需要配置刮片, 刮片材料可选择合金钢, 不需进行特殊的表面处理 5

6 架在滑轨上的托板施加了 2,668.9 N (600 lbs) 的力行程为 4.5 m ( in), 跨距为 m ( in) 要求速度为 0.1 m/s (3.927 in/sec), 加速度和减速度为 (3.927 in/sec) 工况要求为 10 次 / 小时,8 小时 / 天,5 天 / 周,50 周 / 年对于滚珠丝杠的寿命要求为 20 年, 配件寿命要求为 5 年此外, 根据电气部门的要求, 与滚珠丝杠副配合的电机为步进电机接下来我们要为 X 轴选择直线导轨这个应用的首要要求是高承载能力和高刚度应用中滚珠丝杠的长度较长, 达 5.5 m (18 英尺 ), 但 6 m 以下的丝杠都可以做成一体式的, 不需要进行拼接此外, 少量维护是此应用的另一个重要要求根据以上要求, 最终选择 500 系列滚珠直线导轨 Thomson 500 系列滚珠直线导轨的寿命长, 刚度非常高, 动载和静载的承载能力大, 能够承受高扭矩载荷, 运动精度高, 多种密封和润滑油注入口可选按照选型结果, 我们可以计算出施加在滚珠丝杠上的负载大小 F = N x r 式中 r 表示摩擦系数, 对于此应用所选的直线导轨, 其值为 F = 2,698 N X = 13.3 N (3.0 lbs) F = ma = 2,668.9 N / 9.81 m/s 2 x 2.5 m/s 2 = N (153 lbs) F eq = N (68.3 lbs) 基于以上计算所得的负载值, 我们首先选择 NEFF KGF-D 滚珠螺母这种滚珠螺母具有整体式法兰整体式刮片及 DIN 安装基座, 丝杠的精度为 +/- 50 m / 300 mm 然后, 我们将考虑电机要求因为此应用要求使用步进电机驱动, 因此我们要保持电机转速非常慢电机转速可由以下公式确定 : 转速 (RPM) = 行进速度 (mm/min) / 导程 (mm) 以下导程可供选择 : 100 mm/s *60 / 1200 rpm = 5 mm 100 mm/s *60 / 600 rpm = 10 mm 100 mm/s *60 / 300 rpm = 20 mm 因为要保持较慢的转速, 所以我们选择了 20 mm 导程的滚珠螺母, 这样就能够在满足步进电机较低转速的条件下满足滚珠螺母的运动周期要求我们可以用以下公式计算所需扭矩 : T d [N M] = 1.77 x10-4 x F eq x P 式中 : T = Torque (Nm) 6

7 F = Load (N) P = Lead (mm) 计算出所需扭矩为 : T d = 2.15 Nm (304.5 oz-in) 加速过程中的最大扭矩为 : T d = 4.82 Nm (682.6 oz-in) 按照应用情况与扭矩数据, 选择的电机为 NEMA 42 步进电机下一步, 我们将用以下公式计算丝杠的临界转速 n c [rpm] = C s x 1.2 x 10 8 X d r / I 2 式中 : C s 为丝杠末端固定形式系数 : 末端固定形式 C s 一端固定, 一端自由 0.36 两端支承 1.00 一端固定, 一端支承 1.47 两端固定 2.23 d r = 齿根直径 (mm) I = 跨距 (mm) 在这种情况下, 此应用我们要考虑三种不同尺寸滚珠丝杠的临界转速 : 40 mm x 20 mm d r = 35.9 mm I = 5,818 mm n c = rpm n s = n c x S (S 表示安全系数, 取为 0.8) n s = rpm 300 > 不满足要求! 50 mm x 20 mm d r = 44.1 mm I = 5,818 mm n c = rpm n s = n c x S (S 表示安全系数, 取为 0.8) n s = rpm 300 > 不满足要求! 63 mm x 20 mm d r = 56.9 mm I = 5,818 mm 7

8 n c = rpm n s = nc x S (S 表示安全系数, 取为 0.8) n s = rpm 300 < 满足要求, 通过! 现在, 我们将用以下公式校核螺母临界转速 : DN = d 0 x n 式中 : DN = 140,000 d 0 = 公称直径 (mm) n = rpm 校核滚珠丝杠的螺母临界转速是否满足滚珠临界转速要求 : DN = 63 x 300 = 18,900 18,900 < 140,000 满足要求, 通过! 接下来我们将用以下公式确定此应用的压缩载荷 : F c [N] = C s x 9,687 x 10 4 x d r 4 / I 2 式中 : F c = 临界弯力 (N) C s = 末端固定形式系数, 数值如下表所示 : 末端固定形式 C s 一端固定, 一端自由 0.25 两端支承 1.00 一端固定, 一端支承 2.00 两端固定 4.00 d r - 齿根直径 (mm) I = 跨距 (mm) 输入 : D r = 56.9 I = 5,818 mm C s = 4.00 输出 F c = 119,991.6 N F s = F c x S (S 表示安全系数, 取为 0.8) F s = 95,993 N 验证 N < 95,993.3 N 满足要求, 通过! 最后还要验证滚珠丝杠的预期寿命预期寿命通常用 L10 表示, 它表示在此时间后 90% 的滚珠丝杠仍然能够正常工作 8

9 L 10 [ 转数 ] = ( C am / F eq ) 3 x 10 6 在此应用中, 预期寿命为 1,035,752.6 年因为计算所得的预期寿命太长, 因此我们基于临界转速而非预期寿命来选择滚珠丝杠最后, 我们要验证轴承支承的预期寿命典型的固定轴承支承是 WBK 系列产品轴承支承的预期寿命可由以下公式计算 L 10 [ 小时 ] = (C am /P r ) 3 x (1 x 10 6 / 60 x n ) P r = (0.35 x F r ) + (0.57 x F a ) C am = 51.5 kn (11,577.7 lbs) F a = 68.3 lbs / 2 = lbs F r = 0.0 lbs P r = lbs L 10 = 22.1 years 22.1 > 5 满足要求, 通过! Y 轴和 Z 轴滚珠丝杠副的选型方法类似结论如本示例所示, 对于一个特定的应用, 滚珠丝杠副的正确选型是一个确定尺寸最小最具性价比的解决方案的迭代过程该过程先根据设计负载直线速度和定位精度来计算滚珠丝杠副的直径导程和负载能力, 然后根据寿命尺寸限制安装配置及环境要求选择独立的滚珠丝杠配件一种更加简单的滚珠丝杠副选型方法网页选型工具正成为一种日益流行的简化机械设计流程的方法这些资源可大大缩短选择最佳标准部件的时间, 满足绝大多数应用的需求例如 Linear MOTIONEERING :Thomson 滚珠丝杠和螺纹丝杠 ( motioneering_screws) 用户可简单地输入一些关键的产品和应用属性, 包括 : 系统放置方位定位精度要求使用环境条件负载条件运动轨迹输入这些信息后, Linear MOTIONEERING : 滚珠丝杠和螺纹丝杠页面将显示出所有符合要求的 Thomson 滚珠丝杠产品, 输出结果包括 : 技术参数尺寸信息可供下载的不同格式的 2D 和 3D CAD 文件报价和价格信息 9

10 关于 Thomson Thomson 拥有超过 60 年的运动控制单元生产经营历史, 是 Linear Ball Bushing 轴承 Profile Rail 轴承 60 Case 轴系磨削和轧制滚珠丝杠直线执行器减速机离合器制动器直线系统及相关配件的业内领先供应商 Thomson 于 1945 年发明了直线滚珠轴套轴承, 并凭借一系列无可比拟的机械运动控制解决方案始终引领全球商用航天航空和国防市场 Thomson 工业公司在北美欧洲和亚洲都设有制造厂, 并在全球拥有超过 2000 家分销商联系我们 : 电话 : 邮件 :sales.china@thomsonlinear.com 网站 : 10

Choosing Between Electromechanical and Fluid Power Linear Actuators in Industrial Systems Design (Chinese)

Choosing Between Electromechanical and Fluid Power Linear Actuators in Industrial Systems Design (Chinese) 在工业系统设计中如何在机电式和流体动力式执行器间做出选择文 / James Marek, Thomson Systems 公司业务部主管 Thomson Industries, Inc. 540-633-3549 www.thomsonlinear.com Thomson@thomsonlinear.com 直线执行器在