采用滚珠丝杆的直线滑台设计.docx
《采用滚珠丝杆的直线滑台设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《采用滚珠丝杆的直线滑台设计.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
采用滚珠丝杆的直线滑台设计
摘要
本论文课题主要是研究设计出一款滚珠丝杆型直线滑台。
滚珠丝杆型直线滑台是机械设备中必不可少的组成部分，目前已经广泛应用在测量、激光焊接、激光切割、涂胶机、喷涂机、打孔机、点胶机、小型数控机床、雕铣机、样本绘图机、分类机、试验机及适用教育等场所。
目前市场上已经研发并且投入使用的滚珠丝杆型直线滑台有两种类型，分别是开放式类型和封闭式类型。
开放式类型是指直线滑台的受力部分主要集中在中下部和两侧，将传递部分裸露在外；封闭式类型的直线滑台受力部分主要集中在外部材料，并将其传递部分封闭起来。
目前滚珠丝杆型直线滑台已经应用于高精密设备仪器中，而高精密设备对于防尘防异物等有较高的要求，因此，满足要求的是封闭式类型的滚珠丝杆型直线滑台。
本论文介绍的是一款封闭式类型的滚珠丝杆型直线滑台的设计过程，通过对市场现有的滚珠丝杆型直线滑台的研究比较，发现滚珠丝杆型直线滑台属于什么类型，主要取决于底座的结构设计。
本文通过设计底座的结构，其中运用皮带与滑块相互连接并且共同运动，能够将传递部分封闭起来，达到防尘防异物的效果。
关键词：
直线滑台；封闭式；高精密；防尘
Abstract
Thisthesisprojectismainlystudydesignedaballscrewtypelinearslide.Ballscrewtypelinearslideisanindispensablecomponentofmechanicalequipment,hasbeenwidelyusedinthemeasurement,laserwelding,lasercutting,coatingmachine,coatingmachine,punchingmachine,gluemachine,smallCNCmachinetools,engravingandmillingmachine,sampledrawingmachine,sortingmachine,themachineandthesuitableeducationandsoon.Currentlyonthemarkethasbeendevelopedandputintouseofballscrewtypelinearslidingtabletherearetwotypes,respectivelyisopentypeandclosetype.Opentypereferstothemechanicalpartmainlyfocusedonthepartoflinearslidingtableandtwoside,willtransferpartofthebare;Enclosedtypeoflinearsliderbearingpartmainlyintheexternalmaterial,andpassitpartiallyclosedup.Theballscrewtypelinearslideunithasbeenusedinhighprecisionequipment,instrumentandhighprecisionequipmenttotherequirementofdust-proofandforeignbodiesarehigher.Meettherequirements,therefore,enclosedtypeofballscrewtypelinearslide.
Thispaperintroducesthetypeisaclosedtypeofballscrewlinearslidedesignprocess,basedontheexistingmarkettypeballscrewlinearslidingtablecomparisonstudy,foundthattheballscrewtypelinearslideunitbelongtowhattype,mainlydependsonthebaseofstructuredesign.Inthisarticle,throughthebaseofthedesignstructure,includingusingthebeltandtheslideblockareconnectedandjointmovement,tobeabletotransferpartoftheenclosed,toachievetheeffectofdust-proofandforeignbody.
Keywords:
linearslidingtable;Enclosed;Highprecision;dust
目录
摘要 I
Abstract II
第一章绪论 1
1.1课题的研究背景 1
1.2国内外发展现状 1
1.3三维建模软件的辅助使用 2
第二章总体方案比较确定 4
2.1提出方案 4
2.2方案的对比和选择 5
2.3方案组成说明 5
2.4工作原理说明 7
2.5本章小结 7
第三章总体方案设计 8
3.1工作台的设计 8
3.2直线导轨的设计和计算 10
3.2.1直线导轨简介 10
3.2.2直线导轨的选型和计算 10
3.3总体参数设置 14
3.4本章小结 14
第四章零件选型和计算 16
4.1滚珠丝杆的设计和计算 16
4.2电机的计算和选择 22
4.3联轴器的选择 23
4.4本章小结 25
第五章结构设计计算 26
5.1底座的设计 26
5.2滚筒以及滚筒固定板的设计 27
5.3连接板的设计和皮带的选择 29
5.4顶板的设计 31
5.5本章小结 32
结论 33
参考文献 34
III
参考文献
第一章绪论
1.1课题的研究背景
滚珠丝杆型直线滑台有多个组成部件，部件有电机、底座、直线导轨、滚珠丝杆、滚珠丝杆螺母座、轴承支撑座、联轴器以及控制开关等等。
滚珠丝杆型直线滑台别名为滚珠丝杆直线模组。
德国最先研发滚珠丝杆直线模组并投入市场使用，投入市场后传播迅速，遍及世界各个国家，应用范围不断扩大，例如：
用于机床的传动系统时可单独使用，也可以多个组合使用，即可使用两个滚珠丝杆直线模组组合成两轴十字型或者使用三个滚珠丝杆直线滑台组合成三轴悬臂式型等；用在机械手抓取物品后进行上下料的操作；用于涂胶机器设备进行行进喷涂的操作，还用于贴片设备以及光伏设备等等。
滚珠丝杆直线模组能够迅速得到发展，是因为其具备多个优良特点，一是整体质量轻，二是占用的空间位置少，三是运行速度快，四是有很高的重复定位精度，五是有很长的使用寿命等等。
这些特点促使机械生产效率得到极大的提升，推动社会迅速向前发展，人类文明往前迈出了一大步。
滚珠丝杆能够把回转运动与直线运动进行相互转化。
滚动直线导轨副是20世纪70年代末发展起来的一种具有独特机械性能的新型滚动支承,它适应了精密机械的高精度、高速度、能环保以及缩短产品开发周期等要求,因此得到了广泛的应用[1]。
而且，滚珠丝杆因其高刚度，高精度和传动效率等突出优点而广泛应用于机床进给系统[2]。
滚珠丝杆的组成部件有螺杆、螺母以及螺母内部的滚珠。
运行时，螺杆做旋转运动，螺杆的旋转会推动滚珠一起运动，滚珠进而推动螺母进行直线运动。
滚珠丝杆的摩擦力非常小，同时具备高负载和高精度的特点，如今被广泛应用在各种机械设备和精密设备仪器上。
1.2国内外发展现状
自滚珠丝杆直线滑台出现以后，全球上逐渐涌现出一批极具代表性的生产滚珠丝杆直线滑台的厂商，国外的代表厂商有日本的KURODA、THK、NSK以及德国的INA公司等，国内的代表厂商有SATA东莞仕达通自动化有限公司、东佑达、台达、HIWIN、以及JONCHN中川自动化等等。
国外产品的做工方面更加精细，能达到的精度要求也非常高，使用寿命更加长久。
国内产品相比国外产品，任然存在着较为明显的差距。
滚动直线导轨副要想大规模生产，不仅需要较大的投资，还需要先进的技术以及设备的支持，因为它属于一种技术密集型产品。
目前,世界上只有少数几个先进工业国家,在滚动直线导轨副的生产、研究和开发新产品方面处于领先水平[3]。
滚珠丝杆直线滑台在应用范围、行进速度、规格、承重能力、定位精度等等方面的发展趋势非常迅速。
滚动直线导轨副的新类型、新功能目前正在不断涌现,并且正在向着高速度、高精度、高刚性、复合化、智能化、环保化方向发展[4]。
国内不断地加大对于滚珠丝杆型直线滑台的研发投入，使得我国的产品质量方面紧追国外的产品质量水平，逐渐缩小两者之间的差距。
滚珠丝杆直线滑台开发时，难以准确控制将其小型化或者大型化后的精度。
滚珠丝杆直线模组安装时，德国和韩国在20摄氏度的车间环境下进行设备的安装以及检测，这样能很好地控制精度的要求。
国内做滚珠丝杆直线模组的厂商有很多，但在生产时面临的最大困难是缺少符合条件的安装设备和检测设备。
1.3三维建模软件的辅助使用
本设计需要用到Solidworks三维建模软件来进行相关零件的建模和装配，然后画出零件图和工程图。
Solidworks是一款机械三维设计软件，它是由美国Solidworks公司研发推出的。
自1995年问世以来，以其优异的性能、易用性和创新性，极大地提高了机械工程师的设计效率[5]。
Solidworks有强大的功能，有创新的技术内容，容易学容易用。
这三大特点让Solidworks拥有很多的用户，已然成为三维CAD设计软件中的主流产品，深受广大用户的欢迎和喜爱。
Solidworks为工程师设计者提供多种不同环境下的设计方案，其中的模块分别有钣金设计部分、模具设计部分、装配体设计部分、工程图设计部分、运动仿真分析部分、力学分析部分、曲面设计部分等等，这些模块能够帮助工程师迅速完成设计工作，减少设计过程中的繁琐细节，降低设计中形成的错误，最终得到高质量的产品。
Solidworks使用简单，修改方便。
本轮文设计需要用到Solidworks的三大模块部分，首先，使用零件设计模块部分将所有零件的三维模型画出来，然后，使用装配体设计模块部分将所有的三维模型装配起来，最后，使用工程图模块部分画出零件图和装配图。
Solidworks中的零件设计，需要先建立一个二维草图平面，然后在该二维平面上画出草图，标注尺寸参数，接着用“特征”功能模块，给定特征参数后可将该二维草图拉伸变成一个三维实体模型。
一个复杂的零件需要多次画草图以及拉伸操作，每一步的操作会在软件窗口左边形成一个设计树，按顺序自上而下排列每一步的步骤。
工程师设计者若想改变其中某一步的参数，可以在设计树上用鼠标右击该步骤，进入特征中修改参数即可。
在所有零件建立后，用Solidworks的装配体设计模块将所有零件装配起来，使它们相互配合，行成固定的运动方式。
Solidworks配合关系中有三种配合类型，分别是标准配合、机械配合和高级配合。
其中，标准配合中有重合、锁定、平行、同轴心、垂直、距离、相切和角度配合；机械配合中有铰链、凸轮、槽口、齿轮、螺旋、齿条小齿轮以及万向节配合。
高级配合中有路径配合、轮廓中心、宽度、对称、距离和角度配合、线性/线性耦合；首先，需要新建一个装配体窗口，第一步插入两个需要的零件，第二步选择配合，第三步选择零件中所要配合的点、线或面特征以及选择配合关系，第四步确定。
重复该装配步骤，直至所有零件都装配完成。
打开工图模块，添加三维模型，放置投影视图，利用工具栏里的各项工具给工程图进行标注。
第二章总体方案比较确定
2.1提出方案
1）方案一
方案一如图2-1所示，采用电机作为动力源部分，采用滚珠丝杠副作为传递动力的部分。
电机和滚珠丝杠副之间使用一个联轴器连接起来，电机转动将会带动滚珠丝杠副共同运动。
滚珠丝杠副通过轴承座与底座连接，工作台直接与丝杆螺母座相连，整个结构的负载最终集中在丝杆上，传递动力部分裸露在外面，属于开放式类型。
图2-1直线滑台1
2）方案二
方案二如图2-2所示，采用电机作为动力源部分，采用滚珠丝杠副作为传递动力的部分。
联轴器将电机和滚珠丝杠副连接起来，电机转动将会带动滚珠丝杠副共同运动。
滚珠丝杠副通过轴承座固定在底座上，同时，位于滚珠丝杆两侧有两条直线导轨，通过一块连接板将直线导轨中的滑块与滚珠螺母座连接固定。
当电机转动时，最终将会驱动滑块在光滑导轨上进行直线滑动。
连接板的两侧结构延伸至底座外面，底座用一个上盖将其封闭起来，工作台将直接与连接板延伸到外面的结构连接固定。
整个结构只有两个侧面留有细小的槽口，动力传递部分几乎被完全封闭起来，达到了防止异物进入的要求，一定程度大上满足防尘的效果。
（a）（b）
图2-2直线滑台
2.2方案的对比和选择
方案一中滚珠丝杆长期裸露在外面，吸附大量的灰尘，这些细小的灰尘颗粒将会影响滚珠丝杆的精度，加大滚珠丝杆的磨损速度，减少滚珠丝杆乃至整个直线模组的使用寿命。
这种开放式类型的滚珠丝杆直线滑台不适用于高精密的仪器设备当中。
方案二中滚珠丝杆被顶盖封闭起来了，因为连接板需要直线移动，所以底座两侧开有槽孔，虽然达到一定的防尘防异物的效果，但是仍不可避免地会吸附进入一些灰尘颗粒。
综上所述，本论文将选择方案二进行研究设计，方案二的结构属于半封闭式类型，在方案二的结构基础上进行研究设计，完善其两侧留有槽孔的缺点。
2.3方案组成说明
在本论文所研究的方案中，如图2-3所示,通过设计底座的结构，在底座上加入了皮带部分以及滚筒部分，通过滚筒固定板将滚筒安装在底座上。
滚筒底座两边和顶板的两边开有皮带槽，皮带的一边与直线导轨滑块的一边连接固定，皮带通过四个滚筒环绕底座一周后与直线导轨滑块的另一边连接固定，当直线导轨滑块运动时，皮带会跟随滑块共同运动。
整体设计中，动力源部分选择电机来驱动，选择滚珠丝杠副来传递动力。
电机和滚珠丝杆副通过联轴器直接相连，电机转动将会带动滚珠丝杠副共同运动。
滚珠丝杆副连接固定在轴承座上，轴承座与底座连接固定，连接板中间部分与滚珠丝杆螺母座连接固定。
滚珠丝杆两侧有两条直线导轨，直线导轨与底座直接连接固定，直线导轨滑块与连接板以及连接板上方的工作台连接固定。
（a）
（b）
图2-3方案组成
2.4工作原理说明
当电机转动时，将会通过联轴器将扭矩传递给滚珠丝杆，滚珠丝杆转动时推动内部的滚珠进行循环运动，进而推动滚珠丝杆螺母座移动，与滚珠丝杆螺母座相连的连接板将会带动直线导轨、皮带以及工作台一起进行直线运动。
整个系统的承重主要集中在两条直线导轨上，皮带的作用是配合底座结构将传递动力部分（滚珠丝杆副）完全封闭起来，达到密封以及防尘防异物的效果。
2.5本章小结
本章提出两个设计方案，方案一是开放式的滚珠丝杆滑台，方案二是半封闭式的滚珠丝杆模组，在对方案进行比较之后，最终选择在方案二的基础上，对底座结构进行优化设计，在设计中加入了皮带以及滚筒等部分，皮带跟随直线导轨滑块运动，能够将传递动力的滚珠丝杆副部分封闭起来，形成封闭式的直线滑台。
第三章总体方案设计
3.1工作台的设计
本设计的工作台采用T型槽平台，详见图3-1，零件的加工处理都靠T型槽平台来固定，在调试机械设备或者装配时T型台也可充当量具的功能。
T型槽平台需要具备坚固耐用以及精度稳定的特点，高强度灰铸铁可满足要求。
工作台铸造出来后，需要进行孕育处理，就是在浇注前向铁水中加入少量的孕育剂（如硅铁）进行孕育处理，经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁或变质铸铁，其强度、塑性和韧性较普通灰口铸铁高[6]。
采用刮研工艺处理T型槽表面，采用涂色的方法对T型槽表面进行检验处理。
工作台的尺寸设计要求详见表3-1和表3-2。
（a）（b）
图3-1工作台尺寸
表3-1T型槽尺寸标准
T型槽
A
B
C
H
E
F
G
基本尺寸
最小尺寸
最大尺寸
最小尺寸
最大尺寸
最小尺寸
最大尺寸
最大尺寸
最大尺寸
最大尺寸
10
16
18
7
8
17
21
1
0.6
1
表3-2T型槽尺寸标准
T型槽宽度A
T型槽间距P
10
40
50
63
依据图表标准，本设计选择A=10，B=16，C=7，H=17，E=1，F=0.6，G=1，间距p=50。
工作台的外形如图3-2所示：
图3-2工作台
设计工作台的长为500mm，宽为200mm，高为40mm。
工作台上有8个沉孔，作用是将工作台安装固定在连接板以及直线导轨滑块上。
依照GB5675-85，灰口铸铁共分为HTl00、HTl50、HT200、HT250、HT300、HT350六个牌号。
其中，HTl00为铁素体灰口铸铁，HTl50为珠光体-铁素体灰口铸铁，HT200和HT250为珠光体灰口铸铁，HT300和HT350为孕育铸铁[7]。
灰铸铁从HT100到HT350的密度变化范围是6.6g/cm3到7.4g/cm3,本设计中工作台材料选用HT350，即HT350材料的密度值取7.4g/cm3，根据工作台的尺寸大小500mmx200mmx40mm，则其重量M1=500mmx200mmx40mmx（7.4g/cm3）=29.6Kg。
3.2直线导轨的设计和计算
3.2.1直线导轨简介
直线导轨的组成部件有两个，分别是承导件和运动件，作用是承载重量和进行导向。
直线导轨根据运动特点可以分成三种类型，分别是圆柱直线导轨，滚轮直线导轨以及滚珠直线导轨。
根据摩擦特点，又可分为弹性摩擦，滑动摩擦，流体摩擦以及滚动摩擦等等。
直线导轨又可以称为线轨、滑轨、线性滑轨，主要作用是用来引导以及支撑零部件的直线往复运动，直线导轨能够承受一定大小的扭矩，拥有在高负载的直线运动中保持高精度的能力。
高精度直线导轨应满足的条件有：
第一，要具备一定的抗压抗热性能；第二，要有足够高的重复定位精度；第三，直线导轨的长度中要包含两个极端位置；第四，直线导轨与运动件之间能够自动贴合；第五，直线导轨间设置中间弹性环节，以达到满足差错补偿原则的目的。
导轨性能比较详见表3-3。
表3-3导轨性能比较
导轨类型
成本
刚度
摩擦力
承载力
抗振性
静压导轨
高
大
小
大
好
滑动导轨
低
大
大
较大
较好
滚动导轨
中
小
中
小
差
根据表格内容，静压导轨成本高，滑动导轨摩擦力大而容易产生机械爬行现象，综合考虑，本设计选用滚动导轨。
3.2.2直线导轨的选型和计算
设计导轨长度为960mm，预期寿命100km。
直线导轨选择HJG-DA系列中的DA55C型号，直线导轨尺寸图详见图3-3以及表3-4，外形图详见图3-4。
（a）（b）
图3-3直线导轨
表3-4DA55C尺寸参数
型号
组件尺寸
滑块尺寸
H
W
A
B
B1
K
C
L1
L
N
E
MxI
DA55C
80
23.5
100
75
12.5
67
75
118
161
20.75
16
M12x18
导轨尺寸
基本额定载荷（KN）
允许静力矩（N*m）
重量
W1
H1
d*D*h
F
动载C
静载C0
MA
MB
MC
滑块（kg）
导轨（kg/m）
53
44
18*26*20
120
101.4
131.1
2200
2200
3450
4.3
14.9
图3-4直线导轨
直线导轨水平布置，与滚珠丝杆平行，采用两根直线导轨并且每根直线导轨上使用一个滑块的支撑方式。
考虑极限情况下，直线导轨工作时工作载荷全部集中在某一个滑块上，那么该滑块此时承受最大垂直载荷，详见式3-1。
Fmax=G2+F（3-1）
F=mg（3-2）
式中，Fmax表示单个滑块承受的最大垂直载荷,N；
G表示工作台的重量,N；
F表示工件的最大重量,N；
m表示物体的质量,g；
g表示重力加速度，m/s2。
其中，工作台以及夹具的总重量约为m=35kg,重力加速度取值为g=10m/s2，由式3-2可得，
G=mg=35∗10=350N
工件最大重量为100kg，由式3-1可得
F=mg=100∗10=1000N
将G=350和F=1000代入公式3-1中,解得
Fmax=3502∗1000=1175N。
计算导轨的额定寿命：
根据公式
L=50∗fH∗fT∗fC∗fRfW∗CaFmax3（3-3）
式中，L表示额定寿命（Km）；
fH表示硬度系数；
fT为温度系数；
fC为接触系数；
fR为精度系数；
fW为载荷系数；
Ca表示基本额定载荷；
Fmax表示最大工作载荷。
表3-5硬度系数fH
滚道硬度（HRC）
50
55
58~64
fH
0.53
0.8
1.0
表3-6温度系数fT
工作温度（℃）
<100
100~150
150~200
200~250
fT
1.00
0.90
0.73
0.60
表3-7接触系数fC
每根导轨上的滑块数（个）
1
2
3
4
5
fC
1.00
0.81
0.72
0.60
0.61
表3-8精度系数fR
精度等级
2
3
4
5
fR
1.0
1.0
0.9
0.9
表3-9载荷系数fW
工况
用于低速场合，速度小于15米/分钟，工作时没有震动或外部冲击
用于中速场合，速度在15~60米/分钟，工作时有明显震动或外部冲击
用于高速场合，速度大于60米/分钟，工作时有震动或外部冲击
fW
1~1.5
1.5~2
2~3.5
根据表3-5内容，直线导轨需要承载物体，需要具备一定的硬度，因此硬度系数取最大值为fH=1.0；直线导轨工作时的温度一般低于100摄氏度，因此根据表3-6温度系数取值fT=1.0；直线导轨每根导轨上放置两个滑块，因此根据表3-7接触系数取值为fC=0.81；直线导轨精度等级为3，因此根据表3-8精度系数取值为fR=1.0；直线导轨的工况是用于低速场合，速度小于15米/分钟，工作时没有震动或外部冲击，因此载荷系数根据表3-9取值为fW=1.5。
将以上取值代入式3-3中，可得
L=50∗fH∗fT∗fC∗fRfW∗CaFmax3=50∗1.0∗1.0∗0.81∗1.01.5∗101.41.1753=5060012km
计算结果远大于预期寿命100km，符合设计要求。
3.3总体参数设置
升级会员 