滚珠丝杠选型设计方法与流程

本发明属于机械传动设计领域，具体地来说，是一种滚珠丝杠选型设计方法。

背景技术：

机械传动主要是指利用机械方式传递动力和运动的传动，在机械工程中应用非常广泛。大致上，机械传动可分为两类：一是靠机件间的摩擦力传递动力与摩擦传动，二是靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动。

啮合传动具有传动比准确、传动功率大等显著优点，因而在精密传动中更为常用。啮合传动包括齿轮传动、链传动、螺旋传动及谐波传动等形式，一般要求较高的制造精度和安装精度，以满足精密机械结构的动力传输的需要。

工业上更为应用广泛的是滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动属于螺旋传动的一种形式，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。

目前的滚珠丝杠已经高度标准化生产，工程设计人员通过设计计算，即可选择相应的规格型号予以使用。然而现有的设计计算，多依赖于设计人员的经验，缺乏系统的选型设计方法，造成设计选型过程繁复且缺乏准确性。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种滚珠丝杠选型设计方法，有效地提高设计效率。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种滚珠丝杠选型设计方法，包括以下步骤：

S010：根据为滚珠丝杠所驱动的工作台的实际工况确定所述滚珠丝杠的使用条件；

S020：根据所述滚珠丝杠的使用条件选择驱动所述滚珠丝杠旋转的驱动电机；

S030：根据所述滚珠丝杠的使用条件选择所述滚珠丝杠的精度等级与轴向预压；

S040：选择所述滚珠丝杠的长度；

S050：选择所述滚珠丝杠的导程；

S060：选择所述滚珠丝杠的轴径；

S070：选择所述滚珠丝杠的安装方式；

S080：检验所述滚珠丝杠的最大容许转速，若所述最大容许转速小于所述滚珠丝杠的工作转速，则执行S040；

S090：校验所述滚珠丝杠的工作寿命，若计算寿命小于设计寿命，则执行S040；

S100：计算所述滚珠丝杠、所述工作台、所述驱动电机的惯性矩；

S110：校验所述驱动电机的惯量比，若所述惯量比大于3，则执行S040，否则选型完毕。

作为上述技术方案的改进，所述滚珠丝杠的使用条件包括：

所述滚珠丝杠的运行方向、负载质量与期望使用寿命；

所述工作台连接的导向面的阻力；

所述工作台的行程长度、最大速度、加速时间、减速时间与等速时间。

作为上述技术方案的进一步改进，所述滚珠丝杠的长度等于所述工作台的行程长度、所述滚珠丝杠的螺母长度与回程余量之和。

作为上述技术方案的进一步改进，所述轴向预压为消除所述滚珠丝杠轴向间隙而预先施加的轴向力。

作为上述技术方案的进一步改进，所述S050包括以下步骤：

S051：选取所述驱动电机所对应的额定转速；

S052：求取所述工作台的最大速度与所述驱动电机所对应的额定转速的比值；

S053：将所述比值取整即为所述导程的数值。

作为上述技术方案的进一步改进，所述S060包括以下步骤：

S061：根据所述导程选择所对应的轴径系列范围；

S062：根据所述滚珠丝杠的刚性要求，选择所述轴径系列范围具体的轴径数值。

作为上述技术方案的进一步改进，所述滚珠丝杠的安装方式包括：

固定-固定：所述滚珠丝杠两端均受到轴向与径向约束；

固定-支撑：所述滚珠丝杠一端受到轴向与径向约束，另一端仅受到径向约束；

支撑-支撑：所述滚珠丝杠两端均仅受到径向约束；

固定-自由：所述滚珠丝杠一端受到轴向与径向约束，另一端呈自由状态。

作为上述技术方案的进一步改进，所述S080包括以下步骤：

S081：根据所述滚珠丝杠的安装方式选择相应的临界转速常数，并获取所述滚珠丝杠两端约束部之间的间距；

S082：根据已选定的所述滚珠丝杠，选择对应的丝杠轴根径；

S083：根据所述临界转速常数、所述滚珠丝杠两端约束部之间的间距、与所述丝杠轴根径计算所述最大容许转速；

S084：将所述最大容许转速与所述滚珠丝杠的工作转速进行对比，若前者小于后者，则执行S040，否则执行S090。

作为上述技术方案的进一步改进，所述S090包括以下步骤：

S091：计算所述滚珠丝杠在一个完整行程中的平均转速；

S092：计算所述滚珠丝杠的有效当量轴承载荷；

S093：计算所述滚珠丝杠的当量轴向动载荷；

S094：计算所述滚珠丝杠的额定动载荷；

S095：根据以下公式计算所述滚珠丝杠的额定寿命：

S096：将所述额定寿命与设计寿命进行对比，若前者小于后者，则执行S040，否则执行S100。

作为上述技术方案的进一步改进，所述S110包括以下步骤：

S111：计算所述滚珠丝杠与所述工作台的惯性矩之和，此即负载端惯性矩；

S112：计算所述惯量比：

S113：若所述惯量比大于3，则执行S040，否则选型完毕。

本发明的有益效果是：通过设置简明清楚的设计步骤，运用系统化的选型设计方法，为设计人员提供了一种系统而简洁的滚珠丝杠选型设计方法，极大地提高了设计流程的准确性与效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的滚珠丝杠选型设计方法的步骤流程总图；

图2是本发明实施例1提供的滚珠丝杠选型设计方法的第一局部流程图；

图3是本发明实施例1提供的滚珠丝杠选型设计方法的第二局部流程图；

图4是本发明实施例1提供的滚珠丝杠选型设计方法的第三局部流程图；

图5是本发明实施例1提供的滚珠丝杠选型设计方法的第四局部流程图；

图6是本发明实施例1提供的滚珠丝杠选型设计方法的第五局部流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对滚珠丝杠选型设计方法进行更全面的描述。附图中给出了滚珠丝杠选型设计方法的优选实施例。但是，滚珠丝杠选型设计方法可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对滚珠丝杠选型设计方法的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在滚珠丝杠选型设计方法的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，一种滚珠丝杠选型设计方法，包括以下步骤：

S010：根据为滚珠丝杠所驱动的工作台的实际工况确定滚珠丝杠的使用条件。工作台是主要的工作执行件，其受到滚珠丝杠的驱动而于导向面上实现导向运动。导向面可以是滚动导轨表面。

其中，滚珠丝杠的使用条件包括：

滚珠丝杠的运行方向、负载质量与期望使用寿命；

工作台连接的导向面的阻力；

工作台的行程长度、最大速度、加速时间、减速时间与等速时间。

S020：根据滚珠丝杠的使用条件选择驱动滚珠丝杠旋转的驱动电机。

S030：根据滚珠丝杠的使用条件选择滚珠丝杠的精度等级与轴向预压。

其中，轴向预压为消除滚珠丝杠轴向间隙而预先施加的轴向力。轴向预压具有标准化的预紧等级及与预紧等级相应的预紧系数。

S040：选择滚珠丝杠的长度。

其中，滚珠丝杠的长度等于工作台的行程长度、滚珠丝杠的螺母长度与回程余量之和。所谓回程余量，是指滚珠丝杠改变旋转方向时，工作台由于惯性作用所需预留的减速缓冲位移量。

S050：选择滚珠丝杠的导程。

请参阅图2，优选地，S050包括以下步骤：

S051：选取驱动电机所对应的额定转速；

S052：求取工作台的最大速度与驱动电机所对应的额定转速的比值；

S053：将所述比值取整即为导程的数值。

S060：计算滚珠丝杠的轴径。

请参阅图3，优选地，S060包括以下步骤：

S061：根据导程选择所对应的轴径系列范围；

S062：根据滚珠丝杠的刚性要求，选择轴径系列范围具体的轴径数值。

具体而言，同一导程值可对应具有不同刚性的多个轴径值。为此，根据滚珠丝杠的使用条件所需的刚性，而选择相应的具体轴径。一般而言，轴径越大，刚性越高而不易变形。

S070：选择滚珠丝杠的安装方式。

优选地，滚珠丝杠的安装方式包括：

固定-固定：滚珠丝杠两端均受到轴向与径向约束；

固定-支撑：滚珠丝杠一端受到轴向与径向约束，另一端仅受到径向约束；

支撑-支撑：滚珠丝杠两端均仅受到径向约束；

固定-自由：滚珠丝杠一端受到轴向与径向约束，另一端呈自由状态。

在不同的安装方式下，滚珠丝杠的受力状态与物理特性具有很大的差异，必须根据相应的安装方式进行后续校验。

S080：检验滚珠丝杠的最大容许转速，若最大容许转速小于滚珠丝杠的工作转速，则执行S040。

请参阅图4，优选地，S080包括以下步骤：

S081：根据滚珠丝杠的安装方式选择相应的临界转速常数，并获取滚珠丝杠两端约束部之间的间距。

优选地，在固定-固定、固定-支撑、支撑-支撑、固定-自由安装方式下，临界转速常数的数值分别为1、0.689、0.441、0.157。

S082：根据已选定的滚珠丝杠，选择对应的丝杠轴根径。所谓丝杠轴根径，是指滚珠丝杠的沟道根部直径。

S083：根据临界转速常数、滚珠丝杠两端约束部之间的间距、与丝杠轴根径计算最大容许转速。

具体而言，最大容许转速的计算公式如下：

S084：将最大容许转速与滚珠丝杠的工作转速进行对比，若前者小于后者，则执行S040，否则执行S090。

S090：校验滚珠丝杠的工作寿命，若计算寿命小于设计寿命，则执行S040。

请参阅图5，优选地，所述S090包括以下步骤：

S091：计算所述滚珠丝杠在一个完整行程中的平均转速；

S092：计算所述滚珠丝杠的有效当量轴承载荷；

S093：计算所述滚珠丝杠的当量轴向动载荷；

S094：计算所述滚珠丝杠的额定动载荷；

S095：根据以下公式计算所述滚珠丝杠的额定寿命：

S096：将所述额定寿命与设计寿命进行对比，若前者小于后者，则执行S040，否则执行S100。

S100：计算滚珠丝杠、工作台、驱动电机的惯性矩。

S110：校验驱动电机的惯量比，若惯量比大于3，则执行S040，否则选型完毕。

请参阅图6，优选地，所述S110包括以下步骤：

S111：计算滚珠丝杠与工作台的惯性矩之和，此即负载端惯性矩；

S112：计算惯量比：

S113：若惯量比大于3，则执行S040，否则选型完毕。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。