滚珠丝杠副

滚珠丝杠副除具有显著的优异特性和较高的使用价值外，还因为它像滚动轴承那样可作为配套元件由专业工厂生产和供应，已成为应用非常普遍的传动元件。常用于精密定位、自动控制、动力传递和运动转换，目前广泛应用于机床工业、航天航空、军工产品等各个领域。

1.滚珠丝杠副的工作原理及特点

滚珠丝杠螺母机构是旋转运动和直线运动之间相互转换的传动装置，在数控机床伺服系统中应用最为广泛，其工作原理如图3－1所示。在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道。在滚道内装入滚珠，当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在滚道内滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为防止滚珠从螺母中滚落出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间的摩擦为滚动摩擦，滑动摩擦仅存在于滚珠之间。滚珠丝杠螺母机构具有以下特点：

图3－1 滚珠丝杠螺母机构

1）摩擦损失小、传动效率高

滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达0.92～0.96，是普通滑动丝杠螺母机构的3～4倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的四分之一。

2）运动平稳，摩擦力小，灵敏度高，低速时无爬行

由于滚珠丝杠螺母副主要是滚动摩擦，不仅动、静摩擦系数都很小，而且其差值也很小，因而启动转矩小，动作灵敏，即使在低速情况下也不会出现爬行现象。

3）轴向刚度高、反向定位精度高

由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而其轴向精度高，反向时无空行程，定位精度高。

4）磨损小、寿命长、维护简单

滚珠丝杠的使用寿命是普通滑动丝杠的4～10倍。

5）传动具有可逆性、不能自锁

由于摩擦系数小、不能自锁，因而该机构的传动具有可逆性，即不仅可以将旋转运动转化为直线运动，也可以将直线运动转化为旋转运动。由于不能自锁，在某些场合，如传动垂直运动时，必须附加制动装置或防止逆转的装置，以免工作台等部件因自重下落。

6）同步性好

当用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。

7）有专业厂生产，选用配套方便

目前滚珠丝杠不仅广泛用于数控机床，而且越来越多地代替普通滑动丝杠螺母副机构，用于各种精密机床和精密装置中。

2.滚珠丝杠副的组成

如图3－2所示，滚珠丝杠副一般由丝杠、螺母、滚珠和反向器 （滚珠循环反向装置）等组成。

图3－2 滚珠丝杠副结构

3.滚珠丝杠副的结构类型

滚珠丝杠螺母机构的类型很多，主要表现在滚珠循环方式和轴向间隙调整方式不同两个方面。

滚珠的循环方式分为内循环和外循环两种类型。

1）内循环

在循环过程中，滚珠与丝杠始终保持接触的方式称为内循环，如图3－3所示。在螺母3和4上装有回珠器 （又称反向器）2，迫使滚珠在完成接近一周的滚动后，越过丝杠外径返回到前一个相邻的滚道，形成滚珠的单圈循环。为保证承载能力，一个螺母中要保证有3～4圈滚珠工作。内循环方式滚珠的回路短、滚珠的数目少、流畅性好、摩擦损失小、传动效率高，且径向尺寸紧凑、轴向刚度高。但这种循环方式不能用于多头螺纹传动，并且回珠器槽形复杂，需要在三坐标数控铣床上加工。

图3－3 内循环式滚珠丝杠螺母

1，5—内齿轮；2—反向器；3，4—滚珠螺母

2）外循环

在循环过程中，滚珠在回路中与丝杠脱离接触的方式称为外循环。外循环方式根据滚珠循环回路结构形式的不同可分为螺旋槽式、插管式和盖板式等。

螺旋槽式的结构如图3－4所示。在螺母的外圆上铣削有回珠槽4，两个挡珠器1分别位于回珠槽口与滚珠螺母螺旋滚道的连接处。利用挡珠器一端修磨的圆弧引导滚珠离开螺旋滚道进入回珠槽，并由回珠槽返回螺旋滚道，形成外循环回路。螺旋槽式滚珠循环回路转折平缓、便于滚珠循环，同时结构简单、加工方便，因此在数控机床中应用较为广泛。

图3－4 螺旋槽式滚珠丝杠螺母

1—挡珠器；2—螺母；3—滚珠螺母；4—回珠槽

插管式滚珠丝杠螺母副的结构如图3－5所示，它由丝杠、滚珠回珠器和螺母组成。利用插入螺母的管道作为回珠槽，加工方便，应用也较广泛，但管道突出于螺母外面，使得其径向尺寸较大。

图3－5 插管式滚珠丝杠螺母

1—回珠管 （外滚道）；2—内滚道

4.滚珠丝杠副间隙的调整与预紧

现代数控机床广泛采用施加预紧力的方式来消除丝杠的间隙以提高其传动刚度，这是伺服进给系统机构设计突出的特点之一。滚珠丝杠螺母轴向间隙调整和预紧方法的原理与普通丝杠螺母相同，即通过调整双滚珠丝杠螺母的轴向相对位置，使两个螺母的滚珠分别压向螺旋滚道的两个侧面，如图3－4所示。但滚珠丝杠螺母机构间隙调整的精度要求较高，通常要求能做微调以获得准确的间隙或预紧量。常用的方法有以下几种：

图3－6 垫片调整式滚珠丝杠螺母

1，2—螺母；3—螺母座；4—垫片

1）垫片预紧调整式

如图3－6所示，如果用螺钉来连接双螺母的凸缘，则可在凸缘和螺母座之间加一个垫片4。垫片一般为剖分式，通过修磨的方式改变垫片4的厚度，从而使两个滚珠螺母产生少许的轴向相对位移。这种方法结构简单、刚性好、装拆方便，但调整时常需对垫片进行反复的修磨，也不能在工作中随时调整，因此常用于一般精度的机构中。

2）螺纹预紧调整式

如图3－4所示，在一个滚珠螺母的外端上有凸缘，而另一个的外端没有凸缘但制有螺纹，用双螺母2对双滚珠螺母进行轴向位置的调整和固定。旋转前螺母可使双螺母产生轴向相对位移，达到调整轴向间隙的目的，用后螺母进行锁紧。这种方法结构简单、调整方便，因此应用广泛。其缺点是调整量难以精确控制。

3）双螺母齿差预紧调整式

如图3－3所示，在两个滚珠螺母3、4的凸缘上各制有圆柱齿轮，齿数分别为Z1、Z2，一般Z1与Z2相差一个齿，两齿轮分别插入两个内齿圈1、5中并被锁紧。调整时，先取下两个内齿圈，然后使两个圆柱齿轮沿相同方向转过k个齿，再装入内齿圈1、5中，锁紧两个圆柱齿轮。由于两个滚珠螺母产生了相对角位移，进而产生轴向相对位移达到调整轴向间隙的目的。两螺母的相对轴向位移量Δ可用下式计算：

式中 S——丝杠导程，mm。

若：k＝1，S＝8mm，Z1＝99，Z2＝100，则：Δ＝0.8μm，可实现微量调节。

这种调整方法精确可靠，但结构复杂，因此多用于对调整精确度要求较高的场合，在数控机床中应用较为广泛。

在订购滚珠丝杠副时，可根据丝杠的受力情况通知生产厂家所需预紧力的大小以便厂家按照给定的预紧力预紧。预紧力选得合适，滚珠丝杠就可以处于最佳工作状态。如果预紧力增加，滚珠与滚道之间的接触刚度会增加，传动精度也会提高，但是，过大的预紧力将导致滚珠与滚道之间的接触应力增大，从而降低其工作寿命和传动效率。

滚珠丝杠预紧力的大小应使得滚珠丝杠副在承受最大轴向工作载荷时，丝杠螺母副不出现轴向间隙为最好，要求预紧力的数值应大于最大轴向工作载荷的三分之一。由于双螺母机构加预载后会引起附加摩擦力矩，因此还要考虑效率和寿命问题。所以一般取预紧力为：

式中 F0——预紧力，N；

Ft——最大轴向载荷，N。

这时滚珠丝杠与螺母的接触变形量比无预紧力时减少一半。