滚珠丝杠传动
滚珠丝杠受力原理
滚珠丝杠受力原理1. 引言滚珠丝杠是一种常用于转换旋转运动为直线运动的机械传动装置。
它由丝杠和螺母组成，其中丝杠上有一定数量的滚珠，螺母上有相应数量的滚道，滚珠在滚道中滚动，通过螺母的移动来实现旋转运动到直线运动的转换。
滚珠丝杠的受力原理是指在滚珠和滚道之间的接触区域，滚珠和滚道之间存在着一定的力学关系。
了解滚珠丝杠的受力原理对于正确选择和使用滚珠丝杠具有重要意义。
本文将详细介绍滚珠丝杠受力原理的基本原理，包括滚珠丝杠的结构、滚珠与滚道之间的接触力分析、滚珠与滚道之间的摩擦力分析等内容。
2. 滚珠丝杠的结构滚珠丝杠主要由丝杠、螺母和滚珠组成。
其中，丝杠是一种带有螺纹的轴，螺母是与丝杠螺纹相配合的零件，滚珠则位于丝杠和螺母之间。
滚珠丝杠的结构如图所示：滚珠丝杠的丝杠和螺母上都有一定数量的滚道，滚道的形状可以是圆弧形、半圆形或V形等。
滚珠在滚道中滚动，通过螺母的移动来实现旋转运动到直线运动的转换。
3. 滚珠与滚道之间的接触力分析在滚珠丝杠中，滚珠与滚道之间存在着接触力。
接触力是指滚珠与滚道之间的力，它是滚珠丝杠传递力的关键。
滚珠与滚道之间的接触力可以通过以下几个方面进行分析：3.1 接触区域滚珠与滚道之间的接触区域是指滚珠与滚道之间实际接触的部分。
在滚珠丝杠中，滚珠与滚道之间的接触区域主要由滚珠的接触点和滚道的接触线组成。
3.2 接触压力接触压力是指滚珠与滚道之间的压力，它是由外部施加的力在接触区域上产生的。
在滚珠丝杠中，接触压力可以通过以下公式计算：P = F / A其中，P为接触压力，F为施加在滚珠上的力，A为滚珠与滚道之间的接触面积。
3.3 接触力分布滚珠与滚道之间的接触力分布是指接触区域内不同位置的接触力大小分布情况。
在滚珠丝杠中，滚珠与滚道之间的接触力分布不均匀，主要集中在滚珠的接触点和滚道的接触线上。
这是由于滚珠与滚道之间的接触是点对线的接触。
4. 滚珠与滚道之间的摩擦力分析在滚珠丝杠中，滚珠与滚道之间存在着摩擦力。
滚珠丝杠用途
滚珠丝杠用途滚珠丝杠是一种常见的机械传动装置，广泛应用于各个领域。
它的用途非常广泛，可以说是现代工业生产中必不可少的一部分。
下面将从几个方面来介绍滚珠丝杠的用途。
滚珠丝杠常被用作机床的传动装置。
在数控机床中，滚珠丝杠常用于实现工作台和滑台的快速移动。
由于滚珠丝杠具有高精度、高刚性、高传动效率等特点，因此非常适合用于机床的传动系统。
它可以实现工作台的精确定位和快速移动，提高了生产效率和加工精度。
滚珠丝杠也被广泛应用于自动化设备中。
在自动化生产线上，滚珠丝杠常用于各种机械臂、搬运设备等的传动装置。
通过滚珠丝杠的传动，可以实现自动化设备的高速、精确的运动控制，提高生产效率和产品质量。
滚珠丝杠还被广泛应用于航空航天领域。
在飞机、火箭等航空器中，滚珠丝杠常用于控制襟翼、襟翼等舵面的运动。
由于航空航天领域对传动系统的要求非常严格，滚珠丝杠的高精度和高可靠性使其成为首选的传动装置。
滚珠丝杠还被广泛应用于医疗设备、精密仪器等领域。
在医疗领域，滚珠丝杠常用于手术机器人、影像设备等的传动装置。
在精密仪器领域，滚珠丝杠常用于显微镜、光学仪器等的调焦和移动装置。
通过滚珠丝杠的传动，可以实现微小运动的精确控制，满足医疗和科研领域对高精度和高稳定性的要求。
滚珠丝杠作为一种重要的机械传动装置，具有广泛的应用领域。
它在机床、自动化设备、航空航天、医疗设备等领域发挥着重要的作用。
随着工业技术的不断进步和应用需求的不断增加，滚珠丝杠的应用前景将更加广阔。
我们可以期待滚珠丝杠在未来的发展中发挥更大的作用，为各个行业的发展贡献力量。
数控火焰切割机的三种传动方式
动方式就是用的皮带传动方式，特别在一些快速等离子 切割设备应用上，由于皮带传动自身所具备的特性，在 快速传动过程中将得到较充分的体现。但
考虑到皮带胶塑材质，在长期使用过程的势必存在老化 问题，其传动特性也将因此大打折扣，数据分析，使用 皮带传动等离子切割，其设备在使用1-
2年内其切割精度将降低30%左右。
控切割机上，主要原因在于保障设备在长期加工使用过 程中切割精度的稳定性。同时为了适用于快速切割加工 要求，等离子切割设备可根据用户要求换
用不同功率驱动电机。三、皮带传动所谓皮带传动是指 通过皮带带动生产连续的旋转运动，将力从一个传动轮 传导到另外一个上面。皮带传动具有抗变
形收缩性小，传动的贴幅面宽，内齿咬合面多，速度较 快，负重力较小等特点，多应用快速加工设备。目前部 分等离子切割设备所采用的Y轴与X轴传
式，主要用于数控冲床，数控激光切割机等高精度数控 设备上面的传动。但是结合等离子切割时，滚珠丝杠传 动应用相对较少，其主要原因在于，等离
子切割精度相较激光切割、冲床加工而言，还属于初加 工设备，类似于木桶原理，单独提高传动精度，对最终 切割精度的提高相对有限，可以理解为无
法充分发挥滚珠丝杠传动的精度优势；另一方面，对数 控设备做滚珠丝杠传动改造，为达到其精度效果，则相 应的需要对驱动电机及减速器作高配调整
数控火焰切割机传动控制组成根据所选用的配件不同主 要分为三类，此三类方式均在国内市场数控切割机中占 有一定的市场份额，分别为滚珠丝杠传动
、齿条传动和皮带传动。三类传动方式各有其应用特点： 一、滚珠丝杠传动所谓滚珠丝杠，是由螺杆、螺母和滚 珠组成。其功能是将旋转运动转化成直
线运动。由于轴承滚动动作变成滑动动作后具有很小的 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。机械传动精度最高的一种的传动方
滚珠丝杠工作原理
滚珠丝杠工作原理
滚珠丝杠是一种能够将回转运动转化为直线运动的传动装置，它由丝杠和滚珠组成。
滚珠丝杠通常由螺旋起子和一定数量的滚珠形成的环槽滚道组成。
当螺旋起子旋转时，滚珠在滚道内滚动，从而使丝杠产生直线运动。
滚珠的滚动减小了滑动摩擦，提高了传动效率和精度。
滚珠丝杠工作的基本原理是利用摩擦和滚动的相互作用。
当输入端旋转时，螺旋起子带动滚珠滚动，同时滚珠与滚道之间的摩擦力将滚珠推动沿着丝杠轴线方向运动。
滚珠的滚动接触减小了滑动摩擦，使得滚珠丝杠具有较高的效率和较低的磨损。
滚珠丝杠具有高传动效率、高刚性、高定位精度等特点，广泛应用于工业自动化领域中需要精准定位和较高转速的设备中，如数控机床、印刷机、机器人等。
滚珠丝杠通过调节输入端的旋转运动，可以实现直线运动系统的高速、高精度和稳定的定位控制。
滚珠丝杠传动效率和螺旋升角的关系
滚珠丝杠传动效率和螺旋升角的关系
滚珠丝杠传动是一种常见的机械传动方式，其效率与螺旋升角之间存在一定的关系。
滚珠丝杠传动效率是指输入功率与输出功率的比值，是衡量传动效率高低的重要指标之一。
而螺旋升角则是指螺旋线上两点之间的角度差，也是滚珠丝杠传动中一个重要的参数。
在滚珠丝杠传动中，滚珠作为媒介，使得螺杆和螺母之间的摩擦减小，从而提高传动效率。
滚珠的运动轨迹是螺旋线，而螺旋线的升角大小会直接影响到滚珠的运动状态和传动效率。
通常情况下，螺旋升角越小，滚珠的滚动速度越快，滚动摩擦越小，传动效率也就越高。
相反，螺旋升角越大，滚珠的滚动速度越慢，滚动摩擦越大，传动效率也就越低。
当然，滚珠丝杠传动效率和螺旋升角之间的关系并非线性的，而是一个复杂的非线性关系。
除了螺旋升角外，还有其他因素也会对传动效率产生影响，如滚珠的尺寸、材料、润滑状态等。
因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素，选择合适的滚珠丝杠传动参数，以提高传动效率。
滚珠丝杠传动效率和螺旋升角之间存在一定的关系，螺旋升角越小，传动效率越高。
然而，由于其他因素的影响，这种关系并非简单的线性关系，需要综合考虑各种因素，选择合适的传动参数，以提高滚珠丝杠传动的效率。
滚珠丝杠原理
滚珠丝杠原理滚珠丝杠是一种传动机构，是常见的传动机构之一，它可以实现相对运动，并可以在轴向和角向上传递动力。
它由丝杠（螺旋形滚珠花键）、一组滚珠和滚道组成。
滚珠丝杠的原理就是利用多菱形齿形的滚珠花键能够有效焊接滚珠，形成一种相对联动的传动机构，可以满足特定的传动要求。
滚珠丝杠的丝杠有曲面轨道、直面轨道和平面轨道三种。
曲面轨道又分为横向曲线轨道和纵向曲线轨道。
滚珠丝杠的丝杠有横向滚珠花键和纵向滚珠花键，横向滚珠花键有每菱形滚珠花键、每层滚珠花键、每对滚珠花键、水平滚珠花键等。
纵向滚珠花键有管式滚珠花键和多段滚珠花键。
以上是滚珠丝杠的丝杠机构原理。
滚珠丝杠由一组滚珠和滚道组成，这组滚珠和滚道之间形成一定的联结，允许两者形成相互作用。
滚珠丝杠的滚珠可以是圆球形或长方体形，而滚道可以是曲面、直面或平面。
而且滚珠丝杠还有一个关键特征：当它传输动力时，滚珠会在滚道内围绕螺旋轴线运动，最终将力传输到输出端。
滚珠丝杠可以实现相对运动，可以在轴向和角向上传递动力。
滚珠丝杠的好处在于可以实现精确的传动，而且运行平稳，耐空气磨损，耐高温，可靠性高，有良好的可塑性、耐冲击性，能够满足多种传动要求。
滚珠丝杠可以在液压系统、汽车行驶、工业传动装置等领域广泛应用。
总结而言，滚珠丝杠是一种传动机构，它由丝杠（螺旋形滚珠花键）、一组滚珠和滚道组成。
利用多菱形齿形的滚珠花键能够有效焊接滚珠，形成一种相对联动的传动机构，可以满足特定的传动要求，可以实现相对运动，并可以在轴向和角向上传递动力。
滚珠丝杠可以满足多种传动要求，它可以实现精确的传动，而且运行平稳，耐空气磨损，耐高温，可靠性高，有良好的可塑性、耐冲击性，因此它可以在液压系统、汽车行驶、工业传动装置等领域广泛应用。
滚珠丝杆的传动计算
滚珠丝杆的正常速度运行，非精准计算可以用以下公式：
Ta=（Fa*I）（/2*3.14*n1）Fa：
轴向负载N（Fa=F+μmg，F：
丝杠的轴向切削力N，μ：
导向件的综合摩擦系数，m：
移动物体重量（工作台+工件）kg，g:9.8）；
Ta：
驱动扭矩kgf.mm；
I：
丝杠导程mm；
n1：进给丝杠的正效率。
计算举例：
假设工况：
水平使用，伺服电机直接驱动，2005滚珠丝杠传动，25滚珠直线导轨承重和导向，理想安装，垂直均匀负载1000kg，求电机功率：
Ta=（Fa*I）（/2*3.14*n1），设n1=0.94，得
Fa=F+μmg，设切削力不考虑，设综合摩擦系数μ=0.1，得
Fa=0.1*1000*9.8=980N；
根据这个得数，可以选择电机功率。
以台湾产某品牌伺服为例，查样本得知，额定扭矩大于0.83N.M的伺服电机是400W。
（200W是0.64N.M，小了。
400W额定1.27N.M，是所需理论扭矩的1.5倍，满足要求）
端部安装部分和滚珠丝杠螺母预压以及润滑不良会对系统产生静态扭矩，也称初始扭矩，实际选择是需要考虑的。
另外，导向件的摩擦系数不能单计理论值，比如采用滚珠导轨，多套装配后的总摩擦系数一定大于样本参数。
而且，该结果仅考虑驱动这个静止的负载，如果是机床工作台等设备，还要考虑各向切削力的影响。
机械系统设计-滚珠丝杠传动
a) 双螺母垫片式预紧原理
预拉方向
调整垫片
预拉方向
螺母A
螺母B
预紧方向 垫片 预紧方向
丝杠侧
根据垫片厚度不同分成两种形式，当垫片厚度较厚时即产生“预拉 应力”，而当垫片厚度较薄时即产生“预压应力”以消除轴向间隙。
螺母侧
承载滚珠
螺母侧
间隔钢球
丝杠侧
丝杠侧
为了补偿滚道的间隙，设计时将滚珠的尺寸适当增大， 使其4点接触，产生预紧力，为了提高工作性能，可以在承 载滚珠之间加入间隔钢球。
d) 单螺母预紧原理（偏置导程法）
预拉方向 导程
导程+Δ 螺母侧
预拉方向 导程
丝杠侧
偏置导程法原理如上图所示，仅仅是在螺母中部将其导 程增加一个预压量Δ，以达到预紧的目的。
3
Q L fH fW Pmax (N )
fw---运转系数 fH----硬度系数 Pmax----最大工作载荷
1.0 ~ 1.2 fW 1.2 ~ 1.5
1.5 ~ 2.5
平稳或轻度冲击时 中等冲击时 较大冲击或振动时
1.0 HRC 58
fH 11..3151
HRC 55 HRC 52.5
➢工艺简单，螺母
的径向尺寸大，
易于制造；
回路管道 ➢挡珠器刚性差，
易磨损
外循环的三种结构形式
螺旋槽式 插管式
盖板
螺母 端盖式
滚珠丝杠的钢球循环机构
① 循环弯管式也称“外循环式 ”为最普通的，钢球从丝杠 轴上，沿弯管的牙嘴部导入 ，通过弯管返回，形成无限 循环运动。
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第四章 机械系统设计
4.5 滚珠丝杠传动
4.5 滚珠丝杠传动
4.5.1 滚珠丝杠副的结构组成、工作原理及特点 4.5.2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整 4.5.3 滚珠丝杠副的主要尺寸、精度等级和标注方法 4.5.4 滚珠丝杠副的安装 4.5.5 滚珠丝杠副的设计计算
双轴工作台
滚珠丝杠副的特点
1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动效率η＝ 0.92～0.96，比常规的丝杠螺母副提高3～4倍。因此，功率 消耗只相当于常规的丝杠螺母副的1/4～1/3。 2）传动精度、定位精度高，无爬行现象，运动平稳。 3）能够预紧。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间 隙，反向时可消除空行程死区，提高接触刚度和传动精度。 4）运动具有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也 可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作 为主动件。
通常采用双螺母预紧或单螺母（大滚珠、大导程）的方 法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间 隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。
a) 双螺母垫片式预紧原理
预拉方向
调整垫片
预拉方向
螺母A
螺母B
预紧方向 垫片 预紧方向
丝杠侧
根据垫片厚度不同分成两种形式，当垫片厚度较厚时即产生“预拉 应力”，而当垫片厚度较薄时即产生“预压应力”以消除轴向间隙。
4.5.3 主要尺寸、精度等级和标注方法
滚珠丝杠副的主要尺寸参数 滚珠直径
公称直径 (滚珠中心圆直径)
丝杠大径 丝杠小径
螺母小径 螺母大径
导程Ph ：丝杠相对螺母旋转2π弧度时，螺母上基准点的轴向位移。
滚珠丝杠副的精度等级及标注方法
（1）精度等级
根据GB/T17587.3-1998（与ISO 3408-3：1992同）标准： 将滚珠丝杠副的精度分成为七个等级
➢始终与丝杠保持接触的称为内循环。
丝杠
螺母 滚珠
➢内循环方式的优点是滚
珠循环的回路短、流畅性
好、效率高、螺母的径向
尺寸也较小。
反向器
➢其不足之处是反向器加 工困难、装配调整也不方 便。
内循环：适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密进给系统。
滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。
➢有时与丝杠脱离接触的称为外循环；
螺母侧
承载滚珠
螺母侧
间隔钢球
丝杠侧
丝杠侧
为了补偿滚道的间隙，设计时将滚珠的尺寸适当增大， 使其4点接触，产生预紧力，为了提高工作性能，可以在承 载滚珠之间加入间隔钢球。
d) 单螺母预紧原理（偏置导程法）
预拉方向 导程
导程+Δ 螺母侧
预拉方向 导程
丝杠侧
偏置导程法原理如上图所示，仅仅是在螺母中部将其导 程增加一个预压量Δ，以达到预紧的目的。
螺旋槽
螺母
滚珠
特点： ➢滚珠循环回路长，
丝杠
流畅性差，效率
螺旋槽 低；
➢工艺简单，螺母
的径向尺寸大，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
易于制造；
回路管道 ➢挡珠器刚性差，
易磨损
外循环的三种结构形式
螺旋槽式 插管式
盖板
螺母 端盖式
滚珠丝杠的钢球循环机构
① 循环弯管式也称“外循环式 ”为最普通的，钢球从丝杠 轴上，沿弯管的牙嘴部导入 ，通过弯管返回，形成无限 循环运动。
5）磨损小，使用寿命长。 6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求 高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用， 下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动 装置。
4.5.2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整
滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外， 对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。滚 珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的 弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。
特点：结构简单，装卸方便，刚性大，工作可靠，应用最为广泛。但 调整不方便，不能随时调隙预紧。
b) 双螺母螺纹式预紧原理
通过调整端部的圆螺母，使丝杠右螺母沿轴向向右移动，产生拉伸预紧， 从而消除间隙。 特点：结构紧凑，调整方便，工作可靠，应用广，但预紧量不容易控制。
c) 单螺母预紧原理（增大滚珠直径法）
1、2、3、4、5、7、10，1级为最高
任意300mm行程内行程变动量 V300p 6 8 12 16 23 52 210
丝杠分为：精密定位型（P型）和传动型（T型）。
（2）标注方法（各个厂家并不完全相同）
FFZD8010TR-6-P2/1294×1020 FFZD:内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆； 6:负荷滚珠总圈数 TR:梯形螺纹 P2:精密定位型，2级； 精密定位型（P型）和传动型（T型）。 1294:丝杠全长 1020:螺纹长度
目前制造的单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达0.05mm， 而双螺母式的经加预紧力调整后基本上能消除轴向间隙。应 用该方法消除轴向间隙时应注意以下两点：
（1）预紧力大小必须合适，过小不能保证无隙传动；过大将 使驱动力矩增大，效率降低，寿命缩短。预紧力应不超过最大轴 向负载的1/3。
（2）要特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙，这些 间隙用预紧的方法是无法消除的，而它对传动精度有直接影响。
L=
Ph
2
图中丝杠和螺母上都磨有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋 槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有滚珠。
当丝杠回转时，滚珠相对螺母上的滚道滚动，因此丝 杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。
为防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设 有回程引导装置，使滚珠能循环流动。
结构类型
滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。
② 回球器式也称“内循环式” 是最紧凑的丝母，钢球通过 回球器改变进行方向，返回
丝杠轴的原先位置。
③ 端盖式适用于高速进给 的丝母，钢球从端盖部 导入，通过丝母上的贯 通孔，返回起始位置。
④ 钢板循环式是如同弯管式 的，将钢球导入后沿钢板 上的沟进行循环，钢板回 球式与回球器式相比，较 多应用于小型滚珠丝杠。
4.5.1 滚珠丝杠副的结构组成、工作原理及特点
滚珠丝杠螺母副是机电一体化系统中将回转运动转换为 直线运动常用的传动装置，它以滚珠的滚动代替丝杠螺母 副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。
组成：丝杠 螺母 滚珠 滚道（回珠器） 螺母座
滚珠丝杠副的工作原理
• 滚珠丝杠副的特点是将螺旋运动变为直线运动或者将直 线运动变换为螺旋运动。