滚珠丝杠的选型计算.docx

滚珠丝杠的选型计算
摘要：
随着机床及自动化行业的高速发展，滚珠丝杠的使用变得越来越广泛。许多机械工程师在对自己的设备所需要的滚珠丝杠选型时，面对丝杠资料上给的复杂的计算公式和繁杂选型步骤，感觉无从下手，不知道那些是需要重点考虑的关键点。为了使滚珠丝杠的选型步骤更为清晰简便，更既具备可操作性，我结合多年来丝杠的选型经验，对丝杠的选型做了一些归纳、简化，让丝杠的选型选型更为简单明了。顺便对应的伺服电机的选型也做说明。
关键词：滚珠丝杠、计算选型、伺服电机、机床、自动化。
确认使用条件：
1、被移动负载的质量：M (KG)
2、丝杠的安装方向：水平、垂直、倾斜；
3、沉重导轨的形式：线轨、平面导轨、
4、丝杠的行程：L (mm)
5、负载移动的速度：v (m/s)
6、负载需要的加速度：a (m/s^2)
7、丝杠的精度：C3到C7级
8、丝杠使用的环境：特殊环境需求的考虑。
二、简化计算选型：
举例，使用条件如下：
被移动负载重量：M=50kg;
安装方向：垂直安装;
导轨形式：线性滑轨
速度：v=0.2m/s
加速时间：t=0.1s
行程：1000mm；
精度：0.1mm
三、计算过程：
计算加速度：a=v/t=0.2/0.1=2m/s^2 (v：速度；t：加速时间)
计算丝杠的最大轴向力：F=Mgμ+Ma +Mg (水平运动，去除Mg选型，M负载重量；g重力加速度9.8；μ：摩擦系数，平面导轨取值0.1，线轨取值：0.05；a加速度)
F=50*9.8*0.05+50*2+50*9.8=614.5N
计算出丝杠的轴向负载以后，选型会出现两个分支，一种情况是客户不知道设备的设计寿命年限，以及每一年中丝杠的使用平率，不做精确的丝杠寿命校核。那么我们推荐一种简单可行的方法，就是查询丝杠资料中的动负荷值C。结合第7项精度0.1mm的要求，我们推荐常备FSI螺帽形式的丝杠，尺寸参数表如下：

根据丝杠的轴向推力：F=614.5N=62.7kgf；我们推荐将F乘以4~8之间的一个系数，对于使用平率低，可靠度要求不高的情况，我们推荐4倍系数，对于可靠度要求较高，我们推荐8倍的系数。
根据举例：F*8=62.7*8=501.6kgf；查询丝杠的表格，16-5T3的丝杠，其动负荷是1000kgf；
大于501.6kgf，所以16-5T3的丝杠可以满足要求；该型号表示，丝杠的公称直径为16mm；丝杠导程为5mm；
对于丝杠寿命有明确要求的选型，举例如下：
根据此前的举例，丝杠用20s做一次往返运动，停留10s在进行下一个循环。每天工作16小时，每年工作300天，设计寿命10年。则计算丝杠的转数寿命为：
L=1000/5*2*2*60*16*300*10 (1000是行程，5是导程，2是往返，2是每分钟2次，60是每小时60分钟，16是天工作16小时，300是每年工作300天，10是设计寿命10年。)
L=2304000000转，这是一个转数寿命，含义是，丝杠在这个转数范围内，能够保证运行精度。
L/10^6=2304
32304=13.2倍
C/F=13.2，C=13.2*62.7=828kgf 丝杠的动负荷大于828kgf就可以满足要求。
所以，还是选择16-5T3的滚珠丝杠满足要求。
四、校核临界转速：
根据上面的计算，直径16，导程5mm的丝杠能够满足我们的负载要求，但是丝杠使用中噪音是经常出现的一个故障，为了改善丝杠的噪音状况，我们要求校核丝杠的临界转速。
此前的案例，丝杠的行程为1000，则估算丝杠两端的支撑轴承的间距1200mm，1200为估计值，实际值可以以机械设计的安装位置为准。临界转速：NC
NC=2,71*10^8*Mf*dr/Lt
丝杠根径：dr 约定于丝杠的工程直径减去丝杠的钢珠直径，单位：mm
安装系数：MfMf=1（固定+固定）Mf=0.689（固定+支撑）Mf=0.157（固定+自由）
轴承间距：Lt 单位：mm
原式=2.71*10^8*1*12.8/1200^2=2409rpm。
使用转速N=NC*0.8=2409*0.8=1927
根据负载移动速度：200mm/s的要求，四缸转速：200/5*60=2400rpm，所以，R16-5T3的丝杠不能满足要求。
五、调整办法：
增加丝杠的直径dr使其达到速度要求为止；
二、增加丝杠导程，采用10mm导程的丝杠，则丝杠的使用转速为：200/10*60=1200rpm
可以满足要求。
六、特殊需求
举例是常规丝杠的简化选型过程，有的情况下，一些特殊的要求会改变丝杆的选型步骤，例如：丝杆需要表面特殊耐腐蚀处理，丝杆需要垂直提升时实现机械自锁，丝杆需要非常高的进给速度等等，这是后需要特殊情况具体分析。
以上过程供参看，