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进给滚珠丝杠副传动刚度的计算 |
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摘要：介绍了进给滚珠丝杠副传动刚度的计算公式与方法，为确定数控机床及精密机械的定位精度和传动精度提供了设计依据。
关键词：滚珠丝杠；刚度
随着现代科技的发展，机械制造业正不断面临着高速度、高精度等新的挑战。而低刚度的滚珠丝杠副是导致运动丢失的主要原因之一。为了提高数控机床及精密机械的定位精度和传动精度，除了正确设计、选择进给系统的各个部件，精确计算其强度、稳定性和驱动力矩外，还要对精密滚珠丝杠副在承受载荷下的刚度进行验算，以确保其安全、可靠、稳定工作。本文就进给滚珠丝杠副的刚度计算方法进行讨论，并以实例说明其实际应用。
1 进给滚珠丝杠副的轴向刚度
进给滚珠丝杠副轴向刚度表示滚珠丝杠副及其支承部件抵抗其轴向弹性变形的能力。用弹簧常数K1表示，按下式计算 K1=F/δ1
式中K1——进给滚珠丝杠副传动系统轴向刚度，N/μm
F——施加于进给丝杠的轴向负载，N
δ1——进给滚珠丝杠副轴向弹性位移，μm
KS——丝杠轴向刚度，N/μm
KN——螺母组件轴向刚度，N/μm
KB——支承轴承轴向刚度，N/μm
KH——螺母支架及轴承支架轴向刚度，N/μm
1.1丝杠轴向刚度计算
丝杠的轴向刚度因安装方式不同而不同。
1.1.1双推—支承安装丝杠的轴向刚度
采用双推—支承方式安装丝杠时，丝杠的轴向刚度随载荷作用点至双推支承端的距离变化而改变。其最小刚度KS按下式计算
式中A——丝杠的断面积，mm2，A=πd2/4 （d为螺纹小径，mm）
E——丝杠材料的弹性模量，对于钢材 E=2.07×105MPa
La——载荷作用点距双推支承的最大距离，mm
附图a为日本精机生产的标准滚珠丝杠双推—支承安装时的轴向刚度图。
滚珠丝杠轴向刚度图
1.1.2双推—双推安装丝杠的轴向刚度
采用双推—双推安装丝杠时，其轴向刚度计算公式为
式中L——两双推支承端距离，mm
由上式可以看出，丝杠采用双推—双推方式安装时，刚度也是变化的，且在x=L/2处轴向刚度值最小，其最小值Ks=4AE/100L。
附图b为日本精机生产的标准滚珠丝杠双推—双推安装时的轴向刚度图。
1.2螺母的刚度
为与多数生产厂家产品样本名称统一，本文仍沿用螺母刚度这一名称。螺母刚度实为螺母组件的刚度，包括滚珠和丝杠、螺母螺纹滚道的轴向刚度。
根据赫兹接触理论，滚珠和螺纹滚道间的轴向弹性变形量δN按下式计算 （μm）
式中α——滚珠的接触角，（°）
F——轴向载荷，N
d0——滚珠直径，mm
Z——每圈有效载荷滚珠数
Z=πDm/(d0cosφ)
Dm——螺母公称直径，mm
φ——螺旋升角，（°）
1.2.1单螺母轴向刚度
进给滚珠丝杠副为单螺母时，如果轴向工作载荷等于30％动额定载荷Ca，其刚度KN=0.8K′1（K′1为产品样本尺寸表中给出的刚度值）；如果轴向载荷不等于30％动额定载荷Ca时，其轴向刚度按下式计算
1.2.2带预压载荷的双螺母轴向刚度
当预压载荷Fao=0.1Ca时，其刚度KN按下式计算
KN=0.8K′1
当Fao≠0.1Ca时，刚度KN计算公式为
式中Fao——预压载荷，N
1.3支承轴承的刚度KB
不加预压载荷时，轴承轴向刚度按下式计算
KB=F/δB
式中F——轴向载荷，N
δB——轴承轴向弹性位移量，μm
施加预压载荷时，轴承轴向刚度计算公式为
KB=3Fao/δao
式中Fao——轴向预压载荷，N
δao——在预压载荷作用下，轴向弹性位移，μm
各种轴承的轴向弹性位移量δB计算公式如下：
①自动调心滚珠轴承
②圆锥滚柱轴承
③止推滚珠轴承
式中α——接触角，（°）
Q——加于轴承一个滚动体上的载荷，N
d0——轴承滚动体的直径，mm
l——轴承滚柱的有效接触长度，mm
Z——轴承滚动体个数
1.4螺母及轴承支承部件的刚度KH
螺母支架的刚度，已在螺母刚度计算时乘以系数0.8计入。
轴承安装部件的刚度可通过采用高刚度支承部件解决。
2进给滚珠丝杠副的扭转刚度
影响进给滚珠丝杠副扭转变形的主要因素是丝杠。下面仅就丝杠的扭转刚度进行讨论。
丝杠的扭转刚度是指丝杠抵抗扭转变形的能力，其计算公式为
式中KT——丝杠扭转刚度，N.mm/rad
θ——扭转角，rad
M——扭矩，N.mm
G——丝杠材料抗剪弹性模量，对钢材
G=8.24×104MPa
JP——截面惯性矩，对实心丝杠 Jp=(π/32)d4，mm4
3进给滚珠丝杠副的传动刚度
在载荷作用下，进给滚珠丝杠副的轴向弹性变形为 δ=F/K1
丝杠的扭转变形为 θ=M/Kt
此角折算成滚珠丝杠副的轴向变形量为
式中t——滚珠丝杠导程，mm
故滚珠丝杠副总的轴向变形为
由1/K=δ/F可得 （μm）
式中K——进给滚珠丝杠副传动刚度，N/μm
由于δ2<<δ1，所以计算丝杠扭转刚度KT时，x取以下数值
4计算实例
一进给滚珠丝杠副传动系统采用双推—支承方式。已知数据为：La=1800mm，双推支承端轴承为背靠背布置的自动调心滚珠轴承，钢珠直径5.556mm，钢珠个数Z=15，接触角α=30°，轴承预紧力Fao=3kN；滚珠丝杠型号为BNFN3612—2.5GO，滚珠中心圆直径dp=37.5mm，滚珠直径为7.144mm，基本动额定载荷Ca=27.2kN，预紧力Fao=0.1Ca，要求计算其系统传动刚度。计算步骤如下：
（1）丝杠轴向刚度计算
（2）计算螺母刚度按已知条件，从产品样本尺寸表中查得K′1=750N/μm，KN=0.8K′1=0.8×750=600N/μm。
（3）计算支承轴承刚度支承轴承为自动调心滚珠轴承且预紧，因此
（4）螺母支架及轴承座刚度KH螺母支架刚度已在前面计算螺母刚度以系数0.8计入，在此不予考虑。设轴承座刚度非常大，即1/Kh→0，于是，该系统滚珠丝杠副的轴向刚度K1可通过以下计算求得为
（5）丝杠扭转刚度由滚珠丝杠型号可知其导程t=12mm，从产品样本尺寸表中查得丝杠螺纹小径d=30.1mm，代入公式计算得
（6）计算系统传动刚度由公式
得K=60（N/μm）
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(5/19/2008) |
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