滾珠絲杠機構作為一種高精度的傳動部件,大量應用在數控機床、自動化加工中心電子精密機械進給機構、伺服機械手、工業裝配機器人、半導體生產設備、食品加工與包裝、醫療設備等各種領域。
滾珠絲杠機構的結構
如果將滾珠絲杠機構沿縱向剖開,可以看到它主要由絲杠、螺母、滾珠、滾珠回流管防塵等組成。
在圖13-4中,各部分結構的作用如下:
絲杠屬于轉動部件,是一種直線度非常高、上面加工有半圓形螺旋槽的螺紋軸,半圓形螺旋槽是滾珠滾動的滾道。絲杠具有很高的硬度,通常在表面淬火后再進行磨削加工保證具有優良的耐磨性能。絲杠一般與驅動部件連接在一起,絲杠的轉動由電機直接或間接驅動。既可以采用直聯的方法,即將電機輸出軸通過專用的彈性聯軸器與絲杠相聯傳動比為1;也可以通過其他的傳動環節使電機輸出軸與絲杠相連,例如同步帶、齒輪等
(2) 螺母
螺母是用來固定需要移動的負載的,其作用類似于直線導軌機構的滑塊。一般將所需要移動的各種負載(例如工作臺、移動滑塊)與螺母連接在一起,再在工作臺或移動滑塊上安裝各種執行機構螺母內部加工有與絲杠類似的半圓形滾道,而且設計有供滾珠循環運動的回流管,螺母是滾珠絲杠機構的重要部件,滾珠絲杠機構的性能與質量很大程度上依賴于螺母。
(3)防塵片
防塵片的作用為防止外部污染物進入螺母內部。由于滾珠絲杠機構屬于精密部件如果在使用時污染物(例如灰塵、碎屑、金屬渣等)進入螺母,可能會使滾珠絲杠運動副嚴重磨損,降低機構的運動精度及使用壽命,甚至使絲杠或其他部件發生損壞,因此必須對絲杠螺母進行密封,防止污染物進入螺母
（4） 滾珠
在滾珠絲杠機構中,滾珠的作用與其在直線導軌、直線軸承中的作用是相同的,滾珠作為承載體的一部分,直接承受載荷,同時又作為中間傳動元件,以滾動的方式傳遞運動。由于以滾動方式運動,所以摩擦非常小。
(5) 油孔
滾珠絲杠機構運行時需要良好的潤滑,因此應定期加注潤滑油或潤滑脂。油孔供加潤滑油。
2.滾珠絲杠機構的工作原理
滾珠絲杠機構的工作原理與螺母和螺桿之間的傳動原理基本相同。當絲杠能夠轉動而螺母不能轉動時,轉動絲杠,由于螺母及負載滑塊與導向部件(如直線導軌、直線軸承)連接在一起,所以螺母的轉動自由度就被限制了,這樣螺母及與其連接在一起的負載滑塊只能在導向部件作用下作直線運動
3.滾珠絲杠機構的類型
根據加工制造方法及精度的區別,目前市場上的滾珠絲杠機構主要有以下兩種類型：
磨制滾珠絲杠、軋制滾珠絲杠
磨制滾珠絲杠是用精密磨削方法加工出來的,精度更高,但制造成本較高,因而價格也更貴，一般非標選擇軋制滾珠絲杠
按滾珠循環方式區
內循環與外循環的選擇一般按尺寸安裝大小選擇。尺寸位置過小選擇內循環。如果沒有安裝尺寸問題建議選擇外循環
第四節滾珠絲杠的安裝方式
絲杠軸安裝方式:；
固定——支撐；
固定——固定；
支撐-- ----支撐
固定--- ---自由
所謂“固定”支承就是指采用一對角接觸球軸承支承,使絲杠端部在軸向、徑向均受約束
所謂“支承”也稱為簡支支承,就是采用深溝球軸承,只在徑向提供約束,在軸向則是自由的而不施加限制,當絲杠因為熱變形而有微量伸長時,絲杠端部可以作微量的軸向浮動
所謂“自由”支承就是指絲杠端部沒有支承結構,呈懸空狀態
(1) 一端固定一端支承
滾珠絲杠機構最典型、最常用的安裝方式為通常所說的一端固定一端支承安裝方式,滾珠絲杠機構最典型、最常用的安裝方式為通常所說的一端固定一端支承安裝方式。
應用場合：該方式適用于中等速度、剛度及精度都較高的場合,也適用于長絲杠、臥式絲杠。
(2)兩端固定
兩端固定安裝方式就是在絲杠的兩端均采用兩只角接觸球軸承支承,使絲杠在軸向、徑向均受約束,分別用鎖緊螺母和軸承端蓋將軸承內環和外環壓緊。
這種安裝方式下絲杠與軸承間無軸向間隙,兩端軸承都能夠施加預壓,經預壓調整后,絲杠的軸向剛度比一端固定一端支承安裝方式約高4倍,且無壓桿穩定性問題,固有頻率也比一端固定一端支承安裝方式髙,因而絲杠的臨界轉速大幅提高。但這種安裝方式也有缺點如結構復雜、對絲杠的熱變形伸長較為敏感等合：
試用的場合：適用在高轉速高精度上
B 兩端固定
（3）兩端支承
兩端支承安裝方式就是在絲杠兩端均采用深溝球軸承支承,兩端軸承均只在徑向對絲杠施加限制,軸向未限制。
C 兩端支撐
應用場合:
該方式結構簡單,屬于一般的簡單安裝方式,適用于中等速度、剛度與精度都要求不高的一般場合。
(4) 一端固定一端自由
端固定一端自由安裝方式表示絲杠的一端釆用固定端支撐單元,另一端則讓其懸空,處于自由狀態。
D 一端固定一端自由
這種安裝方式在固定端同樣采用兩只角接觸球軸承,使絲杠在軸向、徑向均受約束,分別用鎖緊螺母和軸承端蓋將軸承內環和外環壓緊。絲杠另一端是完全自由的,不施加任何支承結構。
應用場合:
該方式結構簡單,軸向剛度與臨界轉速低,絲杠穩定性差,一般只用于絲杠長度較短轉速較低的場合,如垂直布置的絲杠。如果采用這種支承方式,為了保證機構的工作精度,設計時應盡可能使絲杠在拉伸狀態下工作,也就是使絲杠自由端在下方、固定端在上方,依靠絲杠及負載的重量使絲杠處于拉伸狀態。
滾珠絲杠的特點
(1)驅動扭矩小
由于滾珠絲杠機構運行時滾珠沿絲杠與螺母共同組成的螺旋滾道作滾動運動,運動阻力極小,驅動扭矩僅為螺紋絲杠機構的1/3以下,只需要很小的驅動功率。
(2) 運動可逆
滾珠絲杠機構不僅可以將絲杠的旋轉運動轉換為螺母(及負載滑塊)的直線運動,也可以很容易地將螺母的直線運動轉換為絲杠的旋轉運動。因此絲杠在豎直方向使用時,應增加制動裝置。
(3) 高精度
滾珠絲杠機構在加工、組裝、檢測等環節都經過嚴格的控制,屬于高精度的傳動機構,加上運行時發熱較少,可以實現很高的傳動精度,使負載精確定位。
(4)能微量進給
由于滾珠絲杠機構中的滾珠為滾動運動方式,啟動扭矩極小,不會出現如滑動運動中容易出現的低速蠕動或爬行現象,所以能實現高精度微量進給,最小進給量可達0.1pm
(5)高剛性
如果滾珠絲杠機構存在軸向間隙,當改變軸向負載的方向時,上述軸向間隙就成為負載運動誤差的重要來源。通過對滾珠絲杠機構施加預壓,可以使上述軸向間隙為零或零以下(負間隙),從而獲得高剛性,提高機構在負載狀態下的運動精度
(6)能高速進給
由于滾珠絲杠機構可以制造成較大的導程,傳動效率高,發熱低,因而能實現高速進給。在保證低于滾珠絲杠機構臨界轉速的前提下,大導程滾珠絲杠副可以實現100m/min甚至更高的進給速度
(7) 傳動效率高
通常在螺紋絲杠機構中僅能夠達到20%~40%的機械傳動效率,而滾珠絲杠機構可以獲得很高的機械傳動效率,最高可以達到98%
(8)使用壽命長
滾珠絲杠機構中螺母及絲杠的硬度均達到HRC8~HRC62,滾珠硬度達到HRC62HRC66,而且采用滾動的相對運動方式,幾乎在沒有磨損的狀態下運行,因而可以達到較長的使用壽命
滾珠絲杠機構的缺點為價格較貴,但由于具有上述一系列的突出優點,能夠在自動機械的各種場合實現所需要的精密傳動因而仍然在工程上得到了極廣泛的應用
絲杠端部設計
絲杠端部的形狀是根據絲杠兩端的支撐結構形式及傳動結構形式來設計的,當確定絲杠端部的支撐結構形式及傳動結構形式后,絲杠端部的形狀設計就可以確定了。支撐結構決定絲杠與軸承之間的配合結構,傳動結構決定絲杠如何與電機輸出軸連接。
例如電機通過聯軸器直接驅動絲杠時,絲杠端部就必須設計為光軸的形式;如果電機通過齒輪或同步帶輪驅動絲杠,則絲杠端部就必須設計鍵槽結構;如果絲杠端部采用支撐端支撐單元,則絲杠端部就必須設計為帶彈性擋圈安裝溝槽的結構;如果絲杠端部采用固定端支撐單元,則絲杠端部就必須設計為帶鎖緊螺紋的結構.圖常用的幾種絲杠端部形狀。
為典型的絲杠固定端端部形狀,用于安裝固定端支撐單元。光軸部分用于與彈性聯軸器裝配在起,再通過聯軸器與電機輸出軸連接
(b)為典型的絲杠支撐端端部形狀,用于安裝支撐端支撐單元。端部裝人軸承孔后,用彈性擋圈將軸承軸向定位,絲杠端部與軸承一起可以在軸承座內作軸向移動。
也屬于典型的絲杠固定端端部形狀,用于安裝固定端支撐單元。端部帶鍵槽部分用于連接裝配同步帶輪或齒輪
滾珠絲杠機構的裝配附件及其選型
在使用滾珠絲杠機構時,除向制造商訂購所需要的滾珠螺母及絲杠外,根據滾珠絲杠機構的安裝方式,還需要訂購以下裝配附件:絲杠支撐單元、鎖緊螺母、螺母支座
絲杠支撢單元
在攴撐單元中,制造商將軸承座、軸承、鎖緊螺母、調整環、密封圈等零部件集成到起,并完成了裝配與調整,用戶訂購回來后直接與絲杠進行裝配調試即可使用。通常情況下都采用直接訂購的方式,簡化設計與制造。關于支撐單元的形式及訂購方法見前面的介紹.
如果自行設計加工支撐單元,則需要訂購軸承、鎖緊螺母.
2. 鎖緊螺母
鎖緊螺母的作用為對絲杠與軸承進行軸向固定。為了保證鎖緊螺母在滾珠絲杠運行過程中不致松動,在鎖緊螺母上還設計了緊定螺釘及保護墊片,以獲得完全沒有松弛的固定 圖13-17
螺母支座
螺母支座用于連接滾珠螺母與負載滑塊(即工作臺),如圖13-18所示。將滾珠螺母直接用螺釘連接在螺母支座上,然后將負載滑塊用螺釘直接固定在螺母支座上方平面的螺紋孔中即可,安裝簡單,只要使用螺釘就可以完成裝配,簡化設計與制造,同時使機構具有較低的安裝高度結構非常緊湊（螺母支座圖13-18）
滾珠絲杠機構在裝配時需要進行精確的位置調整,所以螺母支座與滾珠螺母的裝配孔一般都設計有約0.4mm的間隙,供裝配調試時調整滾珠螺母的位置用。
