|
摘 要：滚珠丝杠是工业自动化传动中的关键部件，能有效提高传动效率，提升定位精度，节省操作时间。本文从应用角度出发，对滚珠丝杠的驱动结构进行了分析，对滚珠丝杠的一些关键参数进行了说明，并充分考虑客户的实际要求，对滚珠丝杠选型各要件进行了详细计算和分析，并选配了高性价比满足使用要求的滚珠丝杠。
关键词：柔性化，定位精度，直线运动，额定静负荷
1 前言
随着现代化生产的工业自动化程度提高，客户对自动化、高效率和高精度传动的要求越来越多。很多传统的传动方式已不适合当前产业的需要，滚珠丝杠这种高精度的传动产品在市场上的需求越来越大。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，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覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。
传统制药行业压片机上调整药片压模的间隙基本为手动操作，调整精度差，效率低，严重制约了制药厂的生产产能，客户更改该结构的意愿非常强烈。对于设计工程师而言，如何选配合适的定位精度，选配高性价比的滚珠丝杠，是一项非常重要并且势在必行的工作。
2 丝杠的基本要求
（I） 运动方向：垂直方向
（Ⅱ）负载大小F：无外加压力状况：20-30KG
外加压力大小：1000KG
（Ⅲ）运行速度Nm：匀速运行，10rpm
（Ⅳ）丝杠导程P：5mm
（Ⅴ）精度要求E：50mm内累积偏差＜0.02mm
（Ⅵ）有效行程L：120mm
3 客户之前结构
客户之前结构主要采用手动方式进行动力传动和定位。
机构的工作原理：在蜗杆的一端装有手轮，转动手轮带动蜗杆转动，再由蜗杆带动斜齿轮，该斜齿轮在轴向上下两端被限制住，只能作旋转运动，且同螺母联为一体，通过斜齿轮和螺母的旋转运动，带动直径为M22mm的升降杆作上升或下降的直线运动。运动到要求的工艺位置后，升降杆就停止不动了，压药动作开始进行，压药运行期间，压轮的最大压力为1吨。而当压药品种需要更换时，再手动调节升降杆上升或向下做直线运动到另一工位。
从运动机理上分析，该机构设计合理，能满足使用要求。但不足之处也非常明显：
（1）靠人工来调整上升或下降距离，自动化程度很低。
（2）外协加工的升降杆与斜齿轮为非标产品，制造精度难以保证。
（3）工作效率低。因药片本体比较小，要求的厚薄精度比较高，只能通过多次的试验来进行调整。
4 改进要求
基于以上存在不足，客户期望提升设备档次，操作更加灵活快捷，达到以下要求：
（1）提升设备的柔性生产能力，快速应对不同规格的药片生产。
（2）提高调整效率，减少试验次数，提高成功率。
（3）定位精度要求≤0.02mm
5 改进后结构
针对客户的改进要求，客户对结构进行了调整：摈弃手动操作装置，改为完全自动化操作和控制的装置，同时实现更精确的定位要求。为此，客户对设备进行了结构改进。
运动机理分析：改进后通过伺服电机11带动连接间15，再通过键与螺母3的连接，带动螺母旋转，螺母沿轴向被限位，不能作直线运动，从而带动滚珠丝杠8作直线运动。进而达到调节滚轮与压板的间隙，控制药片厚薄的目的。
以上结构的好处也非常明显：
（1）通过伺服电机带动滚珠丝杠运动，代替手动摇轮，操作简单方便，自动化程度得到提升。
（2）通过选用高精度滚珠丝杠，达到更高的传动精度。
（3）应对不同的药片，可比较快捷达到生产要求，柔性化得到加强。
结构改进的主要难点在于：
（1）装配丝杠的空间比较狭小。
（2）不同于传统的丝杠旋转，螺母作直线运动；客户要求螺母旋转，丝杠作直线运动。
6 滚珠丝杠的选型计算
6.1 滚珠丝杠轴向负荷的确定
1、基本额定静负荷C0定义
即丝杠轴向静止的负荷，是指丝杠承受丝杠沟槽与钢珠接触点（即螺母与丝杠轴）的永久变形量和钢珠本身的永久变形量的总和达到钢珠直径的0.01%时的最大轴向力。此负荷值即为基本额定静负荷。
2、受力分析
无外力状况时，轴向负载为30KG，即30kgf
施加外力时，轴向负载为1吨，即1000kgf
考虑到设备实际工作状况，滚珠丝杠在运动状态（即调节间隙大小时）只受负载平台自身重力作用，该重量非常小，可不用考虑。施加外力时，因外力较大，需重点考虑，此时丝杠处于静止状态，因而我们参考滚珠丝杠的额定静负荷值即可。
3、螺帽形式的选定
对应施加1000kgf外力工况，参考滚珠丝杠样本，可查到对应直径25mm，导程5mm，钢珠回流圈数4，滚珠丝杠的额定静负荷值为4100kgf。如图表1中的数据所示。
图1
C0=4100kgf Cj=1000kgf
C0＞Cj
由此，初步可选R25-5T4系列滚珠丝杠。
6.2 滚珠丝杠受力安全系数
因滚珠丝杠仅在静态时受力，只要受力大小有一定的安全余量即可满足要求，该安全余量S推荐选3倍以上。根据以下公式进行核算：
S=
带入相应数据，有：
S= = =4.1＞3
故R25-5T4系列滚珠丝杠满足预期使用要求。
6.3 滚珠丝杠长度的确定
客户在滚珠丝杠轴向运动的调整距离比较小，不超过120mm，同时考虑螺母自身的长度，客户丝杠长度选为183mm。
6.4 滚珠丝杠精度的确定
滚珠丝杠的精度可根据图表2中的数据来确定。
图2
客户的有效行程在120mm以内，要求的累积导程偏差在0.02mm以内。根据以上表格，选取精度等级C4即可满足使用要求。
6.5 滚珠丝杠型号的最终确定
综上核算及精度确认，根据中达滚珠丝杠型号编码规则，最终滚珠丝杠的型号确定为：R25-5T4-FSI-183-183-C4。
7 结束语
在此次药片机的机构升级改进项目中，主要协助客户对原手动机构进行了自动化改进，实现了客户的预期要求；同时对滚珠丝杠的选型、计算进行了详细分析，选择了合适的产品。通过此次结构改型成功，客户在后续的常规机型上，将参考本案全部更换为滚珠丝杠传动的自动化操作结构。
相信随着国内自动化水平的提高，滚珠丝杠这种高端传动产品将会被越来越多的应用到各行业，进一步满足客户对高速、高精的需求。
【参考文献】
[1] 滚珠丝杠的选择与应用--《现代零部件》 2004年Z2期
[2] 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统开发与应用 网络百度文库 2010.5.22
|
