机械设计(课程)——丝杆传动系统结构设计

本文主要讲解丝杆在传动系统中的结构,并结合图片,形象直观的逐一介绍了组成丝杆的16个零件及其作用。

昨天写了一篇关于丝杆技术参数的文章,很多朋友都积极的参与了讨论,这让我始料未及,但是也有一些朋友就我较多的采用了一个品牌的选型手册而有些纠结,其实在这里也要给很多学生朋友解释一下,产品选择手册是一个产品的宣传和参数手册,一般是用于销售和设计选型使用的,这是一个开放性的资料,它不像某些杂志论文(存在知识产权的归属问题),当然这个选型手册为了方便设计工程师更多的了解其产品和更好选择其产品,产品公司将很多关于参数选择的方法和计算公式都做了详细的说明,这个是用来方便设计工程师选型使用的,而我之所以选用这个样本有两个原因,第一是这个样本做得相对较专业,而且思路很清晰(当然我是有取舍的选取的),第二个原因是做这些表格和公式需要大量的时间和精力,而我暂时没有,所以就借用了一下,至于为什么没有说出那个产品的名字,我已经在那篇文章的前段部分有交代 了,所以大家不要纠结这个选型手册的问题,这个是个公开的资料,厂家是欢迎使用的(因为你用就意味你就是他们的潜在客户),同时为了让那些纠结这个事情的朋友们不纠结,今天的这篇分享,全部的图形都是我自己画的,虽然花了我蛮多时间,但是谁叫我愿意呢。

同时,下面介绍的设计结构和设计经验都是个人的一些积累和观点,一定是存在一些片面与偏见的,更因为本人的知识和见识的客观不足,也一定存在很多纰漏和错误之处,在这里我只是想分享给大家一些个人的设计经验,我不是站在某个所谓的高度在“教训”大家,这仅仅是一个个人设计经验分享,如果你觉得不对或者不认同,请直接忽视并绕道(别喷我,当然也欢迎大家指出我的不足,有则改之无则加勉,我们共同进步)。
  
上一篇文章介绍的是丝杆参数的选择,这次主要介绍丝杆在传动系统中的具体结构,先上一个丝杆典型的使用图纸,一个数控铣床X向进给的局部装配图。
 

因为公司图纸保密的要求,我只能是截取其中的一部分,且视图还不是很清晰,在这里请大家只是看大概结构就行了,这个涉及到个人的职场道德,请大家谅解,当然我会在后面补充一个简化版的结构图纸来给大家做设计方面的说明。
请注意我标有紫色箭头的三个位置,这三个位置就是丝杆的三个固定点,从左到右分别为:丝杆端头(轴承座)固定点,丝杆螺母固定点,丝杆端头(电机座)固定点。
这三个点的设计要求是完全不一样的,至于如何不一样,我会在下面进行详细的介绍和解释。
那好,我们继续上图,下面这个图是上面这个结构的简化版,我还标注了每个零件的明细号,我将按零件的明细号来说明每个零件的功能和设计要求。
 


好了,这个是一个简化版的丝杆传动系统结构图,按标注的明细号(就是那些数字,记住如果你要标注明细的话,标注的字号要顺着一个方向走,并字号之间的距离要基本控制均匀,这样作图才美观,当然我的这个图有点不均匀,因为时间有限),下面就介绍每个明细号下的零件。
 
1、这个零件叫轴向锁紧丝杆螺母,其作用是拉紧丝杆,保证丝杆在运行过程中的精度,这个螺母最大的特点是一定要进行轴向锁紧,就是说你把螺母预紧后,要调整螺母上的几颗轴向锁紧螺钉,来锁紧螺母不要在运行过程中松动,这个螺母是有专门的丝杆螺母销售的,在这里推荐大家一个品牌——祥开螺母,你直接百度就可以搜索到他们的样本,我一直都是用它的,挺好(这不是广告,而是供应链分享)。
 
2、这个零件叫轴承压盖,我都这么叫它,这个是一个要求自己设计图纸的零件,设计的尺寸根据你选择是丝杆大小来确定,同时其形位公差和其它加工要求也有具体的要求和标准,但是在这里不仔细讲,以后有时间在做专门的零件设计文章分享,
 
3、这个零件是一个隔套,针对这个零件我最近做了一些思考,那就是要不要这个零件,因为以前的图纸设计,我是不要这个零件的,但是最近看了很多别人的设计和结合了一些装配方面的反馈,我发现这个隔套非常重要,还是建议大家要,其最重要的位置是极大的保证了装配效果,因为如果没有这个隔套,因为轴承座的位置的装配偏差的原因,会导致轴向锁紧螺母无法对丝杆进行锁紧,并最终无法保证装配精度。这个在稍后的局部视图的时候,我会详细的讲一下。
 
4、角接触球轴承,现在机床行业选用的品牌很多都是日本NSK的(不是广告,如果你不喜欢日本货,那就自行换成德国或者瑞典SKF(超贵)的轴承,提个醒,如果你购买的是哈轴或者洛轴的产品,一定要确认一下是不是假货,因为假货实在太多了),这里牵涉到一个结构问题了,这个角接触球轴承是可以通过轴向锁紧螺母的预紧来拉紧丝杆的,这也是选择角接触球轴承的原因所在。
 
5、深沟球轴承,这个位置放一个深沟球轴承来的作用主要是支撑,因为深沟球轴承的轴向是有一定的晃动余量的,所以在轴向锁紧上根本不起作用,但是因为丝杆的端头需要更大面积的支撑,所以这个深沟球轴承的主要作用就是支撑作用。
 
6、防撞橡胶,这个零件的主要作用是用于防止传动系统不小心开过行程的时候撞击丝杆螺母的,是一个缓冲装置,采用的是有一定柔性的橡胶,其设计的重点是固定这个防撞橡胶的螺钉的沉孔一定要比锁紧螺钉的位置深一定的距离,如果一样深的话,那丝杆螺母撞到的就是锁紧螺钉,这是很多初学者尤其不注意的地方,我们可以具体来看一个图纸。
 


涂紫色的位置,要注意,固定的螺钉头一定要距离外端一定的距离,那是防撞的压缩量,不要把沉孔开得太浅了。
 
7、丝杆螺母座,这个位置就是固定丝杆螺母的,当丝杆处于旋转运动时,螺母会推动丝杆螺母座联接的工作台进行进给运动,从而实现工作台的双向运动模式。在这里只想分享一个点,那就是这个零件的材料,如果你设计的是具有一定精度的加工型设备,那我建议你用灰口铸铁(HT250),同时要注意零件的时效处理和去应力处理,否则零件的加工精度很难持久的保证,这也最终会体现到设备的整体精度上去,这种材料我以后也会专门介绍一下同时这个零件还有一个设计关键点需要注意的。
 
紫色画线的位置,即如何控制丝杆螺母座与丝杆螺母之间的 装配间隙问题,我的建议是采用较大的间隙配合,这个是用来装配调整的,一般的丝杆定位只要固定两端就可以了,装配实现丝杆上母线和侧母线与导轨的平行,如果固定三个点(即增加一个丝杆螺母座固定点),那装配的调整就非常难了。所以这个位置为了方便装配一定要使用较大的间隙配合,我建议的间隙单边在0.3mm以上,这样才能方便调整。
 
8、防撞橡胶,具体作用与6是一样的,注意事项也请参照6,在这里标出来是想提醒大家,不要忘了丝杆两端都是有可能撞上的,都需要设计这个零件。
 
9、电机座,用于固定丝杆的一端,并固定传动电机。该零件的材料依然是灰口铸铁(HT250),具体的设计图纸以后有机会再和大家分享,因为没有具体的设计图,一些要求和参数也不是很好介绍,你现在只要知道它的用途和功能就行了。

10、轴承压盖,这是电机座一端的轴承压盖,和丝杆另一端的轴承压盖的作用是一样的,材料一般使用的是45#钢就可以了。具体的设计要求我们也在以后 再做详细的介绍。

11、进给电机,对于很多设备而言,尤其是具有一定精度的设备,我们采用的一般都是伺服电机,电机如何选择请参考前一篇文章的选择方法,主要是针对电机功率和电机扭矩的选择。
 
12、联轴器,这个零件的作用是将电机输出的扭矩传递给丝杆,这其实就是一个把丝杆和电机轴连在一起的一个小东西,国内我用得比较多是广州科菱的,国外用得比较多的是德国R+W的,它有很多种样式可以选择,具体的选择,直接看相关产品的选型手册就可以了。这个还是相对比较简单的。
 
13、轴向锁紧丝杆螺母,和明细号1介绍的那个螺母是一样的,作用也是一样的。
 
14、角接触球轴承,在电机座里面使用的是一对背靠背的角接触球轴承,这种轴承是成对装配的,当锁紧螺母锁紧轴承后,丝杆被固定在电机座上,不能实现丝杆的轴向位移,只能实现旋转运动,至于什么叫背靠背,建议去查一下NSK的选型手册,这里一定要使用背靠背的轴承,如果不是的话,那就要修改设计结构了。
 
15、丝杆,先给大家看一张丝杆的设计图纸,这个和上一篇文章介绍的丝杆选型是不一样的,这个包括得更全面一些。
 

具体的标准和形位公差等介绍我会另找一个时间给大家说明,今天主要是让大家看一下丝杆的图纸是什么样子的,有一个大概的印象,同时要注意一下我用紫色线圈出的位置,这个位置有一个小方头,这个方头的设计是用于装配的时候旋转丝杆使用的,因为装配做精度的时候,进给电机是没有安装上去的,不能实现自动进给,所以这个小方头是提供给装配工人用扳手来选择丝杆的卡口。
 
16、丝杆轴承座,固定丝杆的另一端,与电机座一起把丝杆固定在一个滑鞍上,并实现丝杆的轴向拉紧,其材料和电机座一样,都需要选用灰口铸铁(HT250),具体的零件图纸也注意事项我们也在以后会有详细的介绍。在这里还有分享两张轴承座位置和电机座位置的详细放大图纸,供大家设计参考。
 

轴承座位置详细图纸




电机座位置详细图

 
按照以上的设计结构来做丝杆传动系统的结构图,基本上是应该没有大问题的。当然一些设计方面的具体要求,需要在零件图纸中才能较好的说明,这只是一个装配图纸,只能是示意结构和辨识功能,真正的功夫其实在零件图的设计上,因为细节才是决定成败的关键

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