滚珠丝杠副选型(2)

选型范例

我们以三轴门式焊机应用为例来演示如何对滚珠丝杠副进行选型。滚珠丝杠副在整个X轴上运动，丝杠的两端采用轴承支座支承的安装方式。为简单起见，我们规定滚珠螺母的安装方式为法兰安装，材料是合金钢，右旋螺纹，公制系列产品。在此应用中，系统螺旋传动方向为水平方向。X轴的长度是6米。安装方式为带有热稳定法兰的两端固定式。因为此应用并不要求非常高的精度，因此我们可以选择无预压的精密滚珠丝杠副。因为工作环境为多尘环境，因此滚珠丝杠副需要配置刮片，刮片材料可选择合金钢，不需进行特殊的表面处理。

架在滑轨上的托板施加了2,668.9 N (600 lbs) 的力。行程为4.5 m (177.165 in)，跨距为5.818 m(229.055 in)。要求速度为0.1 m/s (3.927 in/sec)，加速度和减速度为(3.927 in/sec)。工况要求为10次/小时，8小时/天，5天/周，50周/年。对于滚珠丝杠的寿命要求为20年，配件寿命要求为5年。

此外，根据电气部门的要求，与滚珠丝杠副配合的电机为步进电机。接下来我们要为X轴选择直线导轨。这个应用的首要要求是高承载能力和高刚度。应用中滚珠丝杠的长度较长，达5.5 m (18英尺) ，但6 m以下的丝杠都可以做成一体式的，不需要进行拼接。此外，少量维护是此应用的另一个重要要求。根据以上要求，最终选择500 系列滚珠直线导轨。Thomson 500 系列滚珠直线导轨的寿命长，刚度非常高，动载和静载的承载能力大，能够承受高扭矩载荷，运动精度高，多种密封和润滑油注入口可选。

按照选型结果，我们可以计算出施加在滚珠丝杠上的负载大小。

F = N x mr

式中 mr表示摩擦系数，对于此应用所选的直线导轨，其值为0.005。

F = 2,698 N X 0.005 = 13.3 N (3.0 lbs)

F = ma = 2,668.9 N / 9.81 m/s2 x 2.5 m/s2 = 680.1 N (153 lbs)

Feq =– 303.8 N (68.3 lbs)

基于以上计算所得的负载值，我们首先选择NEFF KGF-D滚珠螺母。这种滚珠螺母具有整体式法兰、整体式刮片及DIN 69051安装基座，丝杠的精度为+/- 50 mm / 300 mm。然后，我们将考虑电机要求。因为此应用要求使用步进电机驱动，因此我们要保持电机转速非常慢。电机转速可由以下公式确定：

转速(RPM) = 行进速度 (mm/min) / 导程 (mm)

以下导程可供选择：

100 mm/s *60 / 1200 rpm = 5 mm

100 mm/s *60 / 600 rpm = 10 mm

100 mm/s *60 / 300 rpm = 20 mm

因为要保持较慢的转速，所以我们选择了20 mm导程的滚珠螺母，这样就能够在满足步进电机较低转速的条件下满足滚珠螺母的运动周期要求。

我们可以用以下公式计算所需扭矩：

Td [N·M] = 1.77 x10-4 x Feq x P

式中：

T = Torque (Nm)

F = Load (N)

P = Lead (mm)

计算出所需扭矩为：

Td = 2.15 Nm (304.5 oz-in)

加速过程中的最大扭矩为：

Td = 4.82 Nm (682.6 oz-in)

按照应用情况与扭矩数据，选择的电机为NEMA 42步进电机。

下一步，我们将用以下公式计算丝杠的临界转速。

nc [rpm] = Cs x 1.2 x 108 X dr / I2

式中：

Cs为丝杠末端固定形式系数：

dr = 齿根直径 (mm)

I = 跨距 (mm)

在这种情况下，此应用我们要考虑三种不同尺寸滚珠丝杠的临界转速：

40 mm x 20 mm

dr = 35.9 mm

I = 5,818 mm

nc = 283.8 rpm

ns = nc x S (S表示安全系数，取为0.8)

ns = 227.1 rpm

300 > 227.1 –不满足要求!

50 mm x 20 mm

dr = 44.1 mm

I = 5,818 mm

nc = 348.6 rpm

ns = nc x S (S表示安全系数，取为0.8)

ns = 278.9 rpm

300 > 278.9 –不满足要求!

63 mm x 20 mm

dr = 56.9 mm

I = 5,818 mm

nc = 449.8 rpm

ns = nc x S (S表示安全系数，取为0.8)

ns = 359.9 rpm

300 < 359.9 –满足要求，通过!

现在，我们将用以下公式校核螺母临界转速：

DN = d0 x n

式中：

DN = 140,000

d0 = 公称直径 (mm)

n = rpm

校核滚珠丝杠的螺母临界转速是否满足滚珠临界转速要求：

DN = 63 x 300 = 18,900

18,900 < 140,000 –满足要求，通过!