滚珠丝杠的结构和原理.docx
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滚珠丝杠的结构和原理
滚珠丝杠的结构和原理
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2009-7-6
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。
滚珠丝杠的结构：
滚珠丝杠副的结构传统分为循环结构（以圆形反向器和椭圆形反向器为代表）和外循环结构（以插管为代表）两种。
这两种结构也是最常用的结构。
这两种结构性能没有本质区别，只是循环结构安装连接尺寸小；外循环结构安装连接尺寸大。
目前，滚珠丝杠副的结构已有10多种，但比较常用的主要有：
循环结构；外循环结构；端盖结构；盖板结构。
滚珠丝杠原理：
1、按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例，滚珠丝杠（目前已基本取代梯形丝杆，已俗称丝杆）是用来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执行元件，并具有传动效率高，定位准确等
2、当滚珠丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。
滚珠丝杠的特点：
1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3
滚珠丝杆的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。
与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。
在省电方面很有帮助。
2、高精度的保证
滚珠丝杆是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
3、微进给可能
滚珠丝杆由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。
4、无侧隙、刚性高
滚珠丝杆可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性（滚珠丝杠通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。
5、高速进给可能
滚珠丝杆由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动）。
◎精度公差:
C10,C7,C5,C3,C2,C1--数字越小，精度越高。
◎世界主要滚珠丝杆生产制造商：
ZTPM 正攀滚珠丝杆，上银 hiwin滚珠丝杆，ABBA滚珠丝杆，PMI滚珠丝杆，中国工艺滚珠丝杆，国SBC滚珠丝杆、日本THK滚珠丝杆、日本NSK滚珠丝杆，德国STAR滚珠丝杆等......
滚珠丝杠加工注意问题：
滚珠丝杠加工时，螺杆预拉就是在装配时用螺杆两端的锁紧螺母按要求对螺杆的长度方向施加一定的拉力以调整螺杆正反螺母的反向紧度，原因是螺杆在运行中温升时，热应力效应会使螺杆伸长，使螺杆的长度变得不稳定。
目的是为了有效消除该部件的弹性变量以期获得平稳的运动精度。
否则在微量进给时当滑鞍或工作台的阻尼力大于螺杆及螺母的弹性力矩时工作台不发生位移，随着不断的进给螺杆及螺母的累积弹性力矩超过工作台阻尼力矩此时的工作台产生冲动位移。
虽然总的进给量可能不受影响、但实际的步数、每步的进给量与控制器的输出产生误差，其后果是严重影响加工精度。
滚珠丝杠应用：
行业包括:
IT产业 、汽车、家用电器、工作机械、铁路、钢铁、工程机械发电厂电厂、石化机械等。
广泛应用于数控机床，电子设备，自动化设备，激光设备，医疗器械等领域
◎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。
◎滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。
它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。
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。
◎滚珠丝杠是工具机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覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。
编辑本段
特点
1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3
由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。
与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。
在省电方面很有帮助。
2、高精度的保证
滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
3、微进给可能
滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。
4、无侧隙、刚性高
滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性（滚珠丝杠通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。
5、高速进给可能
滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动）。
◎精度公差:
P5.P7--
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世界主要滚珠丝杠生产制造商
德国博士·力士乐（BOSCH-REXROTH）滚珠丝杠，德国布里斯（BLIS）滚珠丝杠，德国A·曼斯曼（A·MANNESMANN）滚珠丝杠，日本NSK滚珠丝杠、日本THK滚珠丝杠、日本黑田精工（KURODA）滚珠丝杠、工艺装备制造厂滚珠丝杠（商标“中国艺工”），汉江机床厂滚珠丝杠，上银HIWIN滚珠丝杠、ABBA滚珠丝杠、国SBC滚珠丝杠等。
编辑本段
THK滚珠丝杠系列产品与应用
超高DN值滚珠丝杠：
高速工具机，高速综合加工中心机
端盖式滚珠丝杠：
快速搬运系统，一般产业机械，自动化机械
高速化滚珠丝杠：
CNC机械、精密工具机、产业机械、电子机械、高速化机械
精密研磨级滚珠丝杠：
CNC机械，精密工具机，产业机械，电子机械，输送机械，航天工业，其它天线使用的致动器、阀门开关装置等
螺帽旋转式（R1）系列滚珠丝杠：
半导体机械、产业用机器人、木工机、雷射加工机、搬送装置等
轧制级滚珠丝杠：
低摩擦、运转顺畅的优点，同时供货迅速且价格低廉
重负荷滚珠丝杠：
全电式射出成形机、冲压机、半导体制造装置、重负荷制动器、产业机械、锻压机械
滚珠丝杠副故障诊断
滚珠丝杠副故障大部分是由于运动质量下降、反向间隙过大、机械爬行、润滑不良等原因造成的。
下表滚珠丝杠副常见故障以及诊断方法。
序号
故障现象
故障原因
排除方法
1
加工件粗糙度值高
导轨的润滑油不足够，致使溜板爬行
加润滑油，排除润滑故障
滚珠丝杠有局部拉毛或研损
更换或修理丝杠
丝杠轴承损坏，运动不平稳
更换损坏轴承
伺服电动机未调整好，增益过大
调整伺服电动机控制系统
2
反向误差大，加工精度不稳定
丝杠轴联轴器锥套松动
重新紧固并用百分表反复测试
丝杠轴滑板配合压板过紧或过松
重新调整或修研，用0.03mm塞尺不入为合格
丝杠轴滑板配合楔铁过紧或过松
重新调整或修研，使接触率达70％以上，用0.03mm赛尺不入为合格
滚珠丝杠预紧力过紧或过松
调整预紧力，检查轴向窜动值，使其误差不大于0.015mm
滚珠丝杠螺母端面与结合面不垂直，结合过松
修理、调整或加垫处理
丝杠支座轴承预紧力过紧或过松
修理调整
滚珠丝杠制造误差大或轴向窜动
用控制系统自动补偿能消除间隙，用仪器测量并调整丝杠窜动
润滑油不足或没有
调节至各导轨面均有润滑油
其他机械干涉
排除干涉部位
3
滚珠丝杠在运转中转矩过大
二滑板配合压板过紧或研损
重新调整或修研压板，使0.04mm塞尺塞不入为合格
滚珠丝杠螺母反向器损坏，滚珠丝杠卡死或轴端螺母预紧力过大
修复或更换丝杠并精心调整
丝杠研损
更换
伺服电动机与滚珠丝杠联接不同轴
调整同轴度并紧固连接座
无润滑油
调整润滑油路
超程开关失灵造成机械故障
检查故障并排除
伺服电动机过热报警
检查故障并排除
4
丝杠螺母润滑不良
分油器是否分油
检查定量分油器
油管是否堵塞
清除污物使油管畅通
5
滚珠丝杠副噪声
滚珠丝杠轴承压盖压合不良
调整压盖，使其压紧轴承
滚珠丝杠润滑不良
检查分油器和油路，使润滑油充足
滚珠产生破损
更换滚珠
电动机与丝杠联轴器松动
拧紧联轴器锁紧螺钉
WhataboutMaterialandHeat-Treatment?
（材料和热处理）
Thehardnessofballgrooveontheshaftlargelyinfluenceslifeexpectancyofaballscrew. Inaddition,theshaftmustpossessastrengthrequiredasadriveshaft.
滚道的硬度大大影响丝杠的寿命。
此外，丝杠必须有足够的强度以满足作为一个驱动轴的需求。
Thefollowingtableshowsthematerialcompositionandheattreatingdetailsofaballscrewsystem.
下表列出了丝杠部件的材料构成和热处理工艺。
PARTS
零件
MATRIAL
材料
HEATTREATMENT
热处理
Hardness
硬度
SHAFT
丝杠
Chromiummolybdenumsteel
AISI4150HV
（dia.15mmorlarger）
Inductionhardening
感应淬火
HRc58-62
Chromiummolybdenumsteel
SCM415（SCM21）
（dia.14mmorsmaller）
Carburization
渗碳
HRc58-62
NUT
螺母
Chromiummolybdenumsteel
SCM20（SCM22）
Carburization
渗碳
HRc58-62
STEELBALL
钢球
Center（Originalmaterialhardness）
High-carbonchromiumbearingsteel
SUJ2
ThroughHardening
通体淬火
HRc62-67
Ballscrewshaftsandnutsaresurfacehardenedforthefollowingreasons.丝杠和螺母表面淬火的原因如下：
（1）Ballracesarehardenedsinceitlargelyaffectslife.滚道必须淬硬，因为会大大影响寿命。
（2）Theyarenotthrough-hardenedtoavoidbecomingbrittleandpronetobreakage.
他们不进行通体淬火的原因是防止变脆易遭破坏。
Inothercaseswherehightemperatureimmunityandanti-corrosivepropertyaredesired,stainlesssteel（SUS440C）isused. ThestainlesssteelcomponentsareheattreatedtoachieveHRc56~59hardness.
在高温或者耐腐蚀的环境中，可以要求使用不锈钢制品（SUS440C）.不锈钢制品热处理后的硬度可以达到HRc56~59。
精密滚珠丝杠副选用和使用中的注意事项
预紧载荷的确定
为了防止造成丝杠传动系统的任何失位，保证传动精度，提高丝杠系统的刚度是很重要的，而要提高螺母的接触刚度，必须施加一定的预紧载荷。
施加了预紧载荷后，摩擦转矩增加，并使工作时的温升提高。
因此必须恰当地确定预紧载荷（最大不得超过10%的额定动载荷），以便在满足精度和刚度的同时，获得最佳的寿命和较低的温升效应。
润滑
在使用滚珠丝杠副时，必须要有足够的润滑，如果润滑不够，将导致摩擦和磨损的增加，造成故障或寿命缩短等。
油润滑
·一般情况下，用于滚动轴承的矿物油都适用。
·特别是在高转速情况下，以油润滑比脂润滑佳，这时滚珠丝杠副的温升较小。
·油润滑的补充润滑量和间隔，按下表，按表中的油量，至少可以达到8小时的补充润滑时间。
公称直径
首次润滑量
补充润滑量
16
0.3
0.05
20
0.6
0.08
25
0.8
0.1
32
1.0
0.2
40
2.0
0.5
50
2.0
1.0
63
4.0
1.0
80
6.0
1.5
100
10.0
2.0
脂润滑
采用脂润滑的优点可以使滚珠丝杠传动系统在一段很长时间后才需进行补充。
也就是说，在多数情况下，可以省去一套补充润滑的装置。
补充润滑脂的限量为大约填入螺母空间容积的一半。
可以使用所有高级滚动轴承润滑脂，但要注意润滑脂厂家的提示说明！
润滑脂的补充通常在半年或一年进行更换，更换前应清除旧润滑脂后才能更换新的润滑脂。
防尘
滚珠丝杠与滚动轴承一样，如果污物及异物（切屑碎屑）进入就会很快使它磨损，成为损坏的原因。
困此，必须采用防护装置（折叠式或伸缩式丝杠护套）将丝杠轴完全防护起来。
另外虽没有别的异物，但有浮尘时要在螺母两端采用刮屑式防尘圈。
本公司在供货时螺母两端采用刮屑式防尘圈。
本公司在供货时螺母两端已装有橡胶防尘圈，以达到防尘的效果。
设计与使用时注意
防止逆转滚动螺旋传动逆转率高，不能自锁。
为了使螺旋副受力后不逆转，应考虑设置防逆转装置，如采用制动电机、步进电机，在传动系统中设有能够自锁的机构（如蜗杆传动）；在螺母、丝杠或传动系统中装设单向离合器、双向离合器、制动器等。
选用离合器时，必须注意其可靠性。
防止螺母脱出在滚动螺旋传动中，特别是垂直传动，容易发生螺母脱出造成事故，设计时必须考虑防止螺母脱出的安全装置。
安装
·滚珠丝杠副安装到机床时，请不要把螺母从丝杠上拆下来。
·但在必须把螺母卸下来的场合时，要使用比丝杠底径小0.2～0.3mm安装辅助套筒。
将安装辅助套筒推至螺纹起始端面，从丝杠上将螺母旋至辅助套筒上，连同螺母、辅助套筒一并小心取下，注意不要使滚珠散落。
安装顺序与拆卸顺序相反。
必须特别小心谨慎的安装，否则螺母、丝杠或其它部零件可能会受损或掉落，导致滚珠丝杠传动系统的提前失效。
珠丝杠副的安装
滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。
滚珠丝杠副有多种结构型式。
按滚珠循环方式分为外循环和循环两大类。
外循环回珠器用插管式的较多，循环回珠器用腰形槽嵌块式的较多。
按螺纹轨道的截面形状分为单圆弧和双圆弧两种截形。
由于双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，因此目前普遍采用双圆弧截形的丝杠。
按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。
数控机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧力一般为轴向载荷的1/3。
滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：
传动效率高、灵敏度高、传动平稳：
磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。
滚珠丝杠螺母传动广泛应用于中小型数控机床的进给传动系统。
在重型数控机床的短行程（6m以下）进给系统中也常被采用。
1．滚珠丝杠副的安装
数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。
螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。
通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增大刚度。
为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的。
国目前主要采用两种组合方式。
一种是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，其结构虽简单，但轴向刚度不足。
另一种是把推力轴承或向心推力轴承和向心轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦阻力和发热而且增加了轴承支架的结构尺寸。
近年来国外的轴承生产厂家已生产出一种滚珠丝杠专用轴承，这是一种能够承受很大轴向力的特殊向心推力球轴承，与一般的向心推力球轴承相比，接触角增大到60º，增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。
这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高了两倍以上，而且使用极为方便，产品成对出售，而且在出厂时已经选配好外环的厚度，装配时只要用螺母和端盖将环和外环压紧，就能获得出厂时已经调整好的预紧力。
滚珠丝杠副安装方式通常有以下几种：
（1）双推一自由方式 丝杠一端固定，端自由。
固定端轴承同时承受轴向力和径向力。
这种支承方式用于行程小的短丝杠。
（2）双推一支承方式 丝杠一端固定，另一端支承。
固定端轴承同时承受轴向力和径向力；支承端轴承只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以避免或减少丝杠因自重而出现的弯曲。
同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长。
（3）双推一双推方式 丝杠两端均固定。
固定端轴承都可以同时承受轴向力和径向力，这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预拉力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。
（4）采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式 此时，螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动：
由于丝杠不动，可避免受临界转速的限制，避免了细长滚珠丝杠高速运转时出现的种种问题。
螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。
此种方式可以对丝杠施加较大的预拉力，提高丝杠支承刚度，补偿丝杠的热变形。
2．滚珠丝杠副的防护和润滑
（1）滚珠丝杠副的防护 滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。
如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。
安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。
如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。
接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。
非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。
工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。
（2）滚珠丝杠副的润滑 润滑剂可提高耐磨性及传动效率。
润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。
润滑油一般为全损耗系统用油：
润滑脂可采用锂基润滑脂。
润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间。
每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。
用润滑油润滑的滚珠丝杠副，可在每次机床工作前加油一次。
3．滚珠丝杠副在高速数控机床上的应用
高速加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航天航空、汽车工业、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得了越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。
为了实现高速加工，首先要有高速数控机床。
高速数控机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，才能实现材料切削过程的高速化。
为了实现高速进给，国外有关制造厂商不断采取措施，提高滚珠丝杠的高速性能。
主要措施有：
1）适当加大丝杠的转速、导程和螺纹头数。
目前常用大导程滚珠丝杠名义直径与导程的匹配为：
40mm×20mm，50mm×25mm，50mm×30mm等，其进给速度均可达到60m/min以上。
为了提高滚珠丝杠的刚度和承载能力，大导程滚珠丝杠一般采用双头螺纹，以提高滚珠的有效承载圈数。
2）改进结构，提高滚珠运动的流畅性。
改进滚珠循环反向装置，优化回珠槽的曲线参数，采用三维造型的导珠管和回珠器，真正做到沿着螺纹的导程角方向将滚珠引进螺母体中，使滚珠运动的方向与滚道相切而不是相交。
这样可把冲击损耗和噪声减至最小。
3）采用“空心强冷”技术。
高速滚珠丝杠在运行时由于摩擦产生高温，造成丝杠的热变形，直接影响高速机床的加工精度。
采用“空心强冷”技术，就是将恒温切削液通入空心丝杠的孔中，对滚珠丝杠进行强制冷却，保持滚珠副温度的恒定。
这个措施是提高中、大型滚珠丝杠高速性能和工作精度的有效途径。
4）对于大行程的高速进给系统，可采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式。
此时，螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动，由于丝杠不动，可避免受临界转速的限制，避免了细长滚珠丝杠高速运转时出现的种种问题。
螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。
5）进一步提高滚珠丝杠的制造质量。
通过采用上述种种措施后，可在一定程度上克服传统滚珠丝杠存在的一些问题。
日本和瑞士在滚珠丝杠高速化方面一直处于国际领先地位，其最大快速移动速度可达60m/min，个别情况下甚至可达90m/min，加速度可达15m/s2。
由于滚珠丝杠历史悠久、工艺成熟、应用广泛、成本较低，因此在中等载荷、进给速度要求并不十分高、行程围不太大（小于4～5m）的一般高速加工中心和其他经济型高速数控机床上仍然经常被采用。
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