任务1 直线运动及传动部件认识
知识目标：
1.了解直线运动常见的传动形式；
2.熟悉滚珠丝杠副间隙的调整及施加预紧力的方法；
3.掌握滚珠丝杠副的选型及计算方法。
能力目标：
1.能制定数控车床进给轴滚珠丝杠副的装配计划，编制工艺文件；
2.能装配滚珠丝杠副；
3.能进行滚珠丝杠间隙的调整及预紧。
【相关知识】
一、直线运动及传动部件
在机电一体化产品中，实现空间直线运动轨迹的传动部件有多种形式，在设计直线运动传动部件时，无论采用哪种直线运动形式，一般都有标准化的部件可供选用。常见的直线运动部件主要有以下几种类型。
①螺旋传动机构。常用于旋转运动转动化为直线移动的机构，移动速度和范围都不能大。滑动螺旋有自锁作用，噪声小，运动平稳。精密加工的滑动螺旋和滚动螺旋能够达到很高的精度，可以用于精密定位机构的传动。图2.1（a）所示是一种螺旋传动形式，目前常用螺旋传动的部件为滚珠丝杠。
图2.1 直线传动形式
②齿轮齿条机构。效率比滑动螺旋传动高，磨损较小，可以达到较高的速度，移动范围可以达到几米，但不能自锁，其外形如图2.1（b）所示。
③凸轮机构。可以得到任意的运动规律，如控制内燃机气体阀门的凸轮机构，从动件作往复移动或摆动。一般情况下，凸轮机构受力较小，图2.1（c）所示是一种凸轮机构传动形式。
④曲柄滑块机构。最常见的是内燃机的曲轴、连杆与活塞组成的系统。工作行程受曲柄长度限制，一般较小，在运动过程中速度变化较大。
⑤利用挠性件的机构。挠性件有带、链、钢丝绳等。带的速度较高，受力较小，链可以承受较大的拉力，钢丝绳受力较大。带、链的行程较小，钢丝绳可以达到很大的运动范围。由于挠性件只能承受拉力，所以挠性件传动只能单向受力。
此外，能够产生直线运动的机构还有液压传动机构、气压传动机构、电磁铁机构等。
二、滚珠丝杠结构原理
1.滚珠丝杠螺母副结构及传动特点
滚珠丝杠副如图2.2所示，主要由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成，具有传动效率高、运动灵敏平稳、定位精度高、精度保持性好、维护简单等优点，广泛应用于数控机床、自动化设备、测量仪器、印刷包装机械等需要精密定位的设备。
图2.2 滚珠丝杠副
2.滚珠丝杠螺母副滚珠循环方式
滚珠丝杠有两种循环设计，分别为内循环、外循环。
（1）内循环
滚珠在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环，如图2.3所示。
图2.3 内循环
滚珠沿着内部循环器沟槽，越过螺杆螺纹滚道顶部，重新返回起始的螺纹滚道，构成单圈内循环回路。在同一个螺母上，具有循环回路的数目称为列数，内循环的列数通常有2～4列（即一个螺母上装有2～4个反向器）。为了结构紧凑，这些反向器是沿螺母周围均匀分布的，即对应2列、3列、4列的滚珠螺旋的反向器分别沿螺母圆周方向互错180°、120°、90°。反向器的轴向间隔视反向器的型式不同，分别为3Ph/2、4Ph/3、5Ph/4或5Ph/2、7Ph/3、9Ph/4，其中Ph为导程。
内循环回路短，滚珠少，滚珠的流畅性好，效率高，并且径向尺寸小，零件少，装配简单。内循环的缺点是反向器的回珠槽具有空间曲面，加工较复杂。
（2）外循环
滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环称为外循环。按结构的不同，外循环可分为插管式、端盖式、螺旋槽式三种。
插管式（见图2.4）是把弯管的两端插入螺母上与螺纹滚道相切的两个通孔内，外加压板用螺钉固定，用弯管的端部或其他形式的挡珠器引导滚珠进出弯管，以构成循环通道。插管式结构简单，工艺性好，适于批量生产。缺点是弯管突出在螺母的外部，径向尺寸较大，若用弯管端部作挡珠器，则耐磨性较差。
图2.4 插管式外循环
端盖式外循环如图2.5所示，结构紧凑、工艺性好，缺点是滚珠通过短槽时容易卡住。
图2.5 端盖式外循环
螺旋槽式是在螺母的外圆上铣有螺旋槽，并在螺母内部装上挡珠器，挡珠器的舌部切断螺纹滚道，迫使滚珠流入通向螺旋槽的中部而完成循环。它结构工艺简单，易于制造，螺母径向尺寸小，缺点是挡珠器刚度较差，容易磨损。
3.轴向间隙的调整与预紧
滚珠丝杠副轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和，螺纹牙型轴向负荷与弹性变形量之间的关系如图2.6所示。
图2.6 螺纹牙型轴向负荷间与弹性变形关系图
滚珠丝杠副通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度，以减小或消除轴向间隙，并提高滚珠丝杠副的刚性。如图2.7所示，在螺杆上装配两个螺母，调整两个螺母的轴向位置，使两个螺母中的滚珠在承受载荷之前就以一定的压力分别压向螺杆螺纹滚道相反的侧面，使其产生一定的变形，从而消除了轴向间隙。
图2.7 双螺母预紧
以下是三种较常用的双螺母消除间隙方法。
①垫片调隙式。如图2.8所示，调整垫片2的厚度，使左右两螺母产生轴向位移，以达到消除轴向间隙和预紧的目的。
图2.8 双螺母垫片调隙式
1—螺母；2—垫片
垫片调隙式结构简单，可靠性高，刚性好。为了避免调整时拆卸螺母，垫片可制成剖分式。缺点是精确调整比较困难，并且当滚道磨损时不能随时调整间隙和进行预紧，故适用于一般精度的传动机构。
②螺纹调隙式。如图2.9所示，螺母1的外端有凸缘，螺母3加工有螺纹的外端伸出螺母座外，以两个圆螺母2锁紧。旋转圆螺母即可调整轴向间隙和预紧。键4的作用是防止两个螺母的相对转动。
图2.9 螺纹调隙式
1，3—螺母；2—圆螺母；4—键
螺纹调隙式结构紧凑，工作可靠，调整方便。缺点是不很精确。
③齿差调隙式。如图2.10所示，在螺母1和4的凸缘上各有齿数相差一个齿的外齿轮，把其装入螺母座中分别与具有相应齿数的内齿轮2和3啮合。
图2.10 齿差调隙式
1，4—螺母；2，3—内齿轮
调整时，先取下内齿轮，将两个螺母相对螺母座同方向转动一定的齿数，然后把内齿轮复位固定。此时，两个螺母之间产生相应的轴向位移，从而达到调整的目的。当两个螺母按同方向转过一个齿时，其相对轴向位移为：
式中，Ph为导程。
例如：Z1=99，Z2=100，Ph=5mm，则ΔL=0.5μm。
齿差调隙式调整精度很高，工作可靠。但结构复杂，加工工艺和装配性能较差，多用于高精度传动。
双螺母加预紧力调整轴向间隙时应注意以下几点。
①预紧力大小要合适，过小不能保证无隙传动，过大将导致驱动力矩增大，效率降低，寿命缩短。预紧力禁忌超过轴向载荷的1/3。
②注意减小安装部分及驱动部分的间隙。这些间隙用预紧的方法无法消除，而对传动精度有直接影响。
4.基本选型及防护
滚珠丝杠螺母副由专业厂家生产，具有标准系列。使用时可根据滚珠螺旋副的负载、速度、行程、精度和寿命等条件进行选型。
①精度选择。国家标准GB/T 17587.3—1998将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副（P型）和传动滚珠丝杠副（T型）两大类。滚珠丝杠的精度等级共分七个等级，即1、2、3、4、5、7、10级，1级精度最高，依次降低。标准中规定了滚珠丝杠螺母副螺距公差和公称直径变动量的公差，还规定了各精度等级的滚珠螺旋副行程偏差和行程变动量。
②滚珠丝杠螺母副支承方式选择。合适的支承方式，能保证滚珠丝杠螺母副的刚度和精度。滚珠丝杠螺母副的支承按其限制丝杠的轴向窜动情况，分为三种形式，如表2.1所示。
表2.1 滚珠丝杠的支承结构形式
说明：“自由”（代号“O”），指的是无支承；“游动”（代号“S”），指的是径向有约束，轴向无约束，例如深沟球轴承，圆柱滚子轴承；“固定”（代号“F”）指的是径向和轴向都有约束，例如装有双向推力球轴承与深沟球轴承的组合轴承，角接触球轴承和圆锥滚子轴承。
一般情况下，应将固定端作为轴向位置的基准，尺寸链和误差计算都由此开始，并尽可能以固定端为驱动端。
③润滑及密封。润滑剂能提高滚珠丝杠副的耐磨性和传动效率。润滑剂分为润滑油、润滑脂两大类。润滑油为一般机油或90～180号透平油或140号主轴油，可通过螺母上的油孔将其注入螺纹滚道；润滑脂可采用锂基油脂，加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间里。
滚珠丝杠副在使用时常采用一些密封装置进行防护，以防止杂质和水进入丝杠，造成摩擦或损坏。对预计会带进杂质之处使用波纹管［图2.11（a）所示］或伸缩管［图2.11（a）所示］，以完全盖住丝杠轴。对螺母，应将其两端进行密封，如图2.11（b）所示，密封防护材料必须具有防腐蚀和耐油性。
图2.11 丝杠螺母副密封
三、直线导轨结构原理
直线导轨用于支撑和引导运动部件做直线往复运动，拥有比直线轴承更高的额定负载，可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。直线导轨按照其中滚动体的不同可分为滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨。图2.12为直线导轨的典型应用案例。
图2.12 直线导轨典型应用案例
1—导轨；2—滚动体；3—滑块
1.直线滚动导轨结构
直线滚动导轨结构是由导轨、滑块、钢球、反向器、保持架、密封端盖及挡板组成，如图2.13所示。当导轨与滑块做相对运动时，钢球就沿着导轨上的滚道滚动（导轨上有四条经过淬硬和精密磨削加工而成的滚道）。在滑块的端部钢球又通过反向装置（返向器）进入反向孔后再进入导轨上的滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖，可以有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。
图2.13 直线滚动导轨结构
2.直线滚动导轨选用
可以在市场上找到系列化、规格化、模块化的直线导轨产品，用户可以根据导轨的工作载荷、工作条件和使用寿命要求，计算动载荷，然后选择直线导轨型号，验算寿命是否满足。相关的产品手册均有计算、验算的公式。
（1）直线滚动导轨寿命
直线滚动导轨在承受负载下运行时，导轨和滚动体不断受到循环应力作用，一旦达到疲劳极限的临界值，部分接触面会出现剥落现象。
直线滚动导轨的使用寿命是指导轨表面或滚动体直到发生第一次表面剥落为止的总运行距离。
直线滚动导轨的额定寿命是指一批相同的直线导轨在相同条件下分别运行时，其中90%不产生表面剥落所能达到的总运行距离。如果把这个行走距离换算成时间，则得到时间额定寿命。
额定动负载是使一组相同的直线导轨在相同的条件下分别行走，其中90%不会因滚动疲劳而产生材料损伤，且以恒定方向行走规定距离（钢球型为50km，滚柱型为100km）时的负载。
距离额定寿命H
或
式中 fh——硬度系数。一般要求滚道的硬度不得低于HRC58，可按图2.14查取；
图2.14 硬度系数fh
ft——温度系数，可按图2.15查取；
图2.15 温度系数ft
fc——接触系数，可按表2.2查取；
表2.2 接触系数
fa——精度系数，可按表2.3查取；
表2.3 精度系数
fw——载荷系数，可按表2.4查取；
表2.4 载荷系数
Ca——额定动载荷，N。可从滚动导轨块的产品样本或有关设计手册中查到；
F——计算载荷，N。
时间额定寿命：
式中 l——行程长度，m。
n——每分钟往返次数。
通过上述计算，如果计算结果满足设计寿命要求，则可以选用，如果不满足，则重新选更大的公称尺寸，重新进行额定寿命的校核。
（2）直线滚动导轨的间隙和预压
间隙是指滑块、轨道与钢球之间的空隙，垂直方向间隙的总和称为径向间隙。为消除直线导轨的间隙、提高刚性，需事先给滚动体施加预压。负间隙意味着已施加预压。间隙与预压影响直线导轨的使用刚性，预压等级及应用特点如表2.5所示。
表2.5 直线滚动导轨预压等级及应用特点
如果为了追求高刚性而设定过大的预压，直线导轨与滚动体之间就会产生过大的内应力，从而降低直线导轨的使用寿命。合理的刚性能有效地满足机械设备的精度需求。
（3）导轨数量
根据使用条件确定平行导轨的根数、导轨距离、每根导轨上滑块的数量。并选定直线导轨的系列。根据同一负载上使用导轨数量的不同，直线导轨可以使用单导轨、双导轨、三导轨等形式，如图2.16所示。
图2.16 不同导轨数量使用示意图
（4）直线滚动导轨的精度
直线滚动导轨的精度可分为行走平行度以及高度、宽度的容许尺寸公差。当一根直线轨道上使用多个滑块或同一平面上安装有多条直线导轨时，生产厂家规定了不同规格型号的安装方式。
直线滚动导轨的运动精度主要以行走平行度来定义。行走平行度，指的是将直线轨道用螺栓固定在标准的工作台上，当滑块在直线导轨全长范围内运动时，滑块与轨道基准面之间的平行度误差。
直线滚动导轨副通常分为几个等级，如GGB系列产品精度等级分4个，即2、3、4、5级，其中2级精度最高，表2.6是GGB系列产品精度检验参照表。
表2.6 GGB系列产品精度检验参照表
注：1.精度检验方法见表中简图所示；
2.由于导轨轴上的滚道是用栓将导轨轴紧固在专用夹具上精磨的，在自由状态下可能会存在弯曲，因此精度检验时应将导轨轴用螺栓固定在专用平台上测量；
3.当基准导轨副上使用滑块数超过两件时，除首尾两件滑块外，中间滑块不作第4和第5项检查，但中间滑块的W1值应小于首尾两滑块的W1值。
3.直线滚动导轨副安装
导轨的安装方式有两种，分别是沉头孔型、螺纹孔型，如图2.17所示，以下以沉头孔型为例介绍直线滚动导轨副的安装。
图2.17 导轨安装形式
（1）安装形式
直线导轨可承受上下左右方向的载荷。根据使用部件的结构空间情况，导轨的安装方式灵活多样，有水平安装、垂直安装、倾斜安装等形式，如图2.18所示。
图2.18 直线导轨安装形式
当水平安装导轨时，可以将滑块安装在导轨的上方，再在滑块的上方安装各种执行机构等负载，导轨固定，滑块移动，这是直线导轨机构最基本的使用方式。也可以将滑块固定，采用导轨活动的方式，解决负载工作行程较长、机器缺少足够的安装空间的情况。
如果要求负载在水平方向运动，但结构上又因为高度方向尺寸受到限制，没有空间将导轨安装在水平面内，就可以考虑将导轨安装在基础的外侧侧面，如图2.19所示。
图2.19 垂直平面安装导轨
（2）基准面的一致性
在直线导轨中，滑块与导轨均有自己的加工基准面。为保证直线导轨使用时达到一定的精度，在滑块装入导轨时，必须保证他们的基准面方向一致。滑块的基准面是标有商标面的相对的面。轨道的基准面是标有一条直线或一道小槽的一面。
（3）基准导轨与非基准导轨
大多数情况下使用两根或两根以上导轨，此时为了保证两条（或多条）导轨平行，通常把一条导轨作为基准导轨，安装在床身的基准面上，底面和侧面都有定位面；另一条导轨为非基准导轨，床身上没有侧向定位面，固定时以基准导轨为定位面固定。这种安装形式称为单导轨定位，如图2.20所示。单导轨定位易于安装，容易保证平行，对床身没有侧向定位面平行度的要求。
图2.20 单导轨定位的安装形式
1，6—楔块；2—基准侧的导轨条；3—床身；4—非定位导轨；5—工作台
当振动和冲击较大、精度要求较高时，两条导轨的侧面都要定位，称双导轨定位，如图2.21所示。双导轨定位要求定位面平行度高。当用调整垫调整时，导轨安装面的加工精度要求较高，调整难度大。
图2.21 双导轨定位的安装形式
1，4，5—调整垫；2—基准侧的导轨条；3—床身；6—工作台
【任务实施】
一、直线导轨的安装
（1）导轨平行度
两根或两根以上导轨平行使用时，如不能严格保证导轨间的平行度，则机构在工作时会对滚动体产生额外的载荷，加剧导轨及滚珠磨损，使滑块运动变得不灵活，甚至卡死。为保证导轨间的平行度，两根导轨都采用侧面基准面定位并夹紧，直接通过安装基础上两个侧面定位基准面的平行度来保证。
（2）导轨等高
两根或者三根导轨平行使用时，在整个导轨长度范围内，必须保证导轨具有相同的高度，或者说，必须使平行使用的各导轨的高度误差在允许范围内，以使导轨运行灵活。
（3）螺钉的拧紧次序及扭力
拧紧螺钉主要掌握螺钉拧紧的次序及拧紧扭矩，如果随意拧紧螺钉，可能使导轨发生轻微的弯曲。螺钉拧紧的次序推荐两种方法。
①使待安装的导轨及导轨定位基准侧面都位于安装操作者的左侧，将导轨侧面基准贴紧安装基础上的装配定位基准面，用夹紧夹具将导轨从侧面夹紧。首先从中间开始，右手使用扭矩扳手拧紧螺钉，并交替依次向两端延伸，如图2.22（a）所示，数字表示拧紧次序。
图2.22 导轨螺钉拧紧次序
②其他要求同方法①，不同之处为首先从操作者的最远端开始，见图2.22（b），依次向近端拧紧。拧紧螺钉的旋转力可以产生一个使导轨压向左侧基准面的压力，使导轨基准面与安装基准面充分贴紧。
导轨装配过程中，不是一次将螺钉拧紧，而是先将导轨初步固定，最后再按规定的扭矩及规定的次序依次拧紧螺钉。
（4）螺钉的防松
在有振动及冲击的使用场合，直线导轨在装配时还必须考虑防松措施。通常的预防措施为采用弹性垫圈或装配时在螺钉螺纹尾部涂布螺丝胶水，防止松动。
另外，装配时还应注意预紧级产品和非预紧级产品装配的不同。
二、单侧基准定位安装
①装配面及装配基准的清洁。用油石清理装配面与装配基准面的毛刺，并用干净的布将装配面与装配基准面上的油污、灰尘擦拭干净，涂上低黏度碇子油。如图2.23（a）所示。
图2.23 基准导轨的定位
②导轨的初步固定。设置导轨的基准侧面与安装台阶的基准面相对，如图2.23（b）、（c）所示，检查螺栓的位置，确定螺孔位置正确，避免螺钉装配时干涉情况发生（先不拧紧）。注意一定要先确定两根导轨的安装基准面，制造商一般都在侧面作有专门的标记。
③固定基准侧导轨。通过夹紧夹具将基准侧导轨的安装基准侧面紧靠在安装基础的定位基准面上，按次序逐个预紧固定螺钉，如图2.24（a）所示。
图2.24 基准导轨的固定
④固定基准侧导轨全部滑块。将基准侧导轨各滑块的装配基准面紧贴在负载工作台的定位基准上，用扭矩扳手按规定的扭矩将基准侧导轨各滑块的螺钉拧紧，注意螺钉拧紧时要交叉多次进行，如图2.24（b）、（c）所示。螺栓拧紧扭矩如表2.7所示。
表2.7 螺栓拧紧扭矩（材料：SCM）
⑤从动侧导轨初装。根据基准导轨的位置，利用游标卡尺或其他精密量具测量两导轨间距，直到相等为止，在从动导轨两端各暂时拧上一个螺栓。将负载平台按螺钉安装孔位置对准各滑块后，轻巧地放在四个滑块上，然后用螺钉暂时固定（暂不拧紧），如图2.25所示。
图2.25 非基准导轨与承载平台的安装
⑥根据基准侧导轨打表找正从动侧导轨位置。移动负载工作台，使直线导轨机构运动基本顺畅，然后将百分表座固定在工作台上，百分表头紧贴在从动侧导轨的侧面基准上，在全长度上边移动工作台边用测力计测定移动工作台所需要的轴向拖动力。同时观察百分表指针的跳动情况，用塑料锤轻轻敲击从动侧导轨阻滞点的一侧，调整从动导轨的方向，直到百分表指针的跳动量（也就是两根导轨的平行度误差）满足要求为止，如图2.26所示。
图2.26 非基准导轨的打表找正
⑦固定从动侧导轨。完成从动侧导轨的打表找正后，再按规定的次序逐个拧紧从动侧导轨的螺钉，固定从动侧导轨剩余的滑块。
⑧安装工作台，按照对角次序依次拧紧负载平台螺栓，并检查整机精度。如图2.27所示，完成后的整机直线度要比单独的导轨和滑块要高，每台机器安装时测量到的数据都是很重要的参数，是以后大批量生产时的必需数据。
图2.27 承载平台螺栓拧紧与整机精度测量
⑨用小锤将埋栓逐个轻轻敲入导轨上的螺钉安装孔内，直到埋栓的上方与导轨面为同一平面为止。敲击埋栓时必须在锤子与埋栓之间放入一块塑料垫块，防止损伤导轨表面。
【思考与练习】
1.某伺服电动机最高转速为1200r/min，通过丝杠螺母传动带动机床进给运动，丝杠螺距为6mm，则最大进给速率是多少？
2.已知电机转速Nm，最大进给速度Vmax，传动比I，求丝杠导程P。
3.根据图2.28，说明滚珠丝杠机构在工作时能够承受哪些载荷，不能承受哪些载荷。
图2.28 滚珠丝杠传动