摘  要：滾珠絲杠是工業自動化傳動中的關鍵部件，能有效提高傳動效率，提升定位精度，節省操作時間。本文從應用角度出發，對滾珠絲杠的驅動結構進行了分析，對滾珠絲杠的一些關鍵參數進行了說明，并充分考慮客戶的實際要求，對滾珠絲杠選型各要件進行了詳細計算和分析，并選配了高性價比滿足使用要求的滾珠絲杠。

 

    關鍵詞：柔性化，定位精度，直線運動，額定靜負荷

 

    隨著現代化生產的工業自動化程度提高，客戶對自動化、高效率和高精度傳動的要求越來越多。很多傳統的傳動方式已不適合當前產業的需要，滾珠絲杠這種高精度的傳動產品在市場上的需求越來越大。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。

傳統制藥行業壓片機上調整藥片壓模的間隙基本為手動操作，調整精度差，效率低，嚴重制約了制藥廠的生產產能，客戶更改該結構的意愿非常強烈。對于設計工程師而言，如何選配合適的定位精度，選配高性價比的滾珠絲杠，是一項非常重要并且勢在必行的工作。

 

    （I） 運動方向：垂直方向

    （Ⅱ）負載大小F：無外加壓力狀況：20-30KG

                    外加壓力大小：1000KG

    （Ⅲ）運行速度Nm：勻速運行，10rpm

    （Ⅳ）絲杠導程P：5mm

    （Ⅴ）精度要求E：50mm內累積偏差＜0.02mm

    （Ⅵ）有效行程L：120mm

 

    客戶之前結構主要采用手動方式進行動力傳動和定位。

    機構的工作原理：在蝸桿的一端裝有手輪，轉動手輪帶動蝸桿轉動，再由蝸桿帶動斜齒輪，該斜齒輪在軸向上下兩端被限制住，只能作旋轉運動，且同螺母聯為一體，通過斜齒輪和螺母的旋轉運動，帶動直徑為M22mm的升降桿作上升或下降的直線運動。運動到要求的工藝位置后，升降桿就停止不動了，壓藥動作開始進行，壓藥運行期間，壓輪的最大壓力為1噸。而當壓藥品種需要更換時，再手動調節升降桿上升或向下做直線運動到另一工位。

    從運動機理上分析，該機構設計合理，能滿足使用要求。但不足之處也非常明顯：

    （1）靠人工來調整上升或下降距離，自動化程度很低。

    （2）外協加工的升降桿與斜齒輪為非標產品，制造精度難以保證。

    （3）工作效率低。因藥片本體比較小，要求的厚薄精度比較高，只能通過多次的試驗來進行調整。

    基于以上存在不足，客戶期望提升設備檔次，操作更加靈活快捷，達到以下要求：

    （1）提升設備的柔性生產能力，快速應對不同規格的藥片生產。

    （2）提高調整效率，減少試驗次數，提高成功率。

    （3）定位精度要求≤0.02mm

 

    針對客戶的改進要求，客戶對結構進行了調整：擯棄手動操作裝置，改為完全自動化操作和控制的裝置，同時實現更精確的定位要求。為此，客戶對設備進行了結構改進。

運動機理分析：改進后通過伺服電機11帶動連接間15，再通過鍵與螺母3的連接，帶動螺母旋轉，螺母沿軸向被限位，不能作直線運動，從而帶動滾珠絲杠8作直線運動。進而達到調節滾輪與壓板的間隙，控制藥片厚薄的目的。

    以上結構的好處也非常明顯：

    （1）通過伺服電機帶動滾珠絲杠運動，代替手動搖輪，操作簡單方便，自動化程度得到提升。

    （2）通過選用高精度滾珠絲杠，達到更高的傳動精度。

    （3）應對不同的藥片，可比較快捷達到生產要求，柔性化得到加強。

    結構改進的主要難點在于：

    （1）裝配絲杠的空間比較狹小。

    （2）不同于傳統的絲杠旋轉，螺母作直線運動；客戶要求螺母旋轉，絲杠作直線運動。

 

    1、基本額定靜負荷C0定義

    即絲杠軸向靜止的負荷，是指絲杠承受絲杠溝槽與鋼珠接觸點（即螺母與絲杠軸）的永久變形量和鋼珠本身的永久變形量的總和達到鋼珠直徑的0.01%時的最大軸向力。此負荷值即為基本額定靜負荷。

    2、受力分析

    無外力狀況時，軸向負載為30KG，即30kgf

    施加外力時，軸向負載為1噸，即1000kgf

    考慮到設備實際工作狀況，滾珠絲杠在運動狀態（即調節間隙大小時）只受負載平臺自身重力作用，該重量非常小，可不用考慮。施加外力時，因外力較大，需重點考慮，此時絲杠處于靜止狀態，因而我們參考滾珠絲杠的額定靜負荷值即可。

    3、螺帽形式的選定

    對應施加1000kgf外力工況，參考滾珠絲杠樣本，可查到對應直徑25mm，導程5mm，鋼珠回流圈數4，滾珠絲杠的額定靜負荷值為4100kgf。如圖表1中的數據所示。

圖1

    C0=4100kgf  Cj=1000kgf 

    C0＞Cj

    由此，初步可選R25-5T4系列滾珠絲杠。

    因滾珠絲杠僅在靜態時受力，只要受力大小有一定的安全余量即可滿足要求，該安全余量S推薦選3倍以上。根據以下公式進行核算：

   S=

   帶入相應數據，有：

   S= = =4.1＞3

   故R25-5T4系列滾珠絲杠滿足預期使用要求。

  

    客戶在滾珠絲杠軸向運動的調整距離比較小，不超過120mm，同時考慮螺母自身的長度，客戶絲杠長度選為183mm。

      滾珠絲杠的精度可根據圖表2中的數據來確定。

圖2

    客戶的有效行程在120mm以內，要求的累積導程偏差在0.02mm以內。根據以上表格，選取精度等級C4即可滿足使用要求。

 

    綜上核算及精度確認，根據中達滾珠絲杠型號編碼規則，最終滾珠絲杠的型號確定為：R25-5T4-FSI-183-183-C4。

 

    在此次藥片機的機構升級改進項目中，主要協助客戶對原手動機構進行了自動化改進，實現了客戶的預期要求；同時對滾珠絲杠的選型、計算進行了詳細分析，選擇了合適的產品。通過此次結構改型成功，客戶在后續的常規機型上，將參考本案全部更換為滾珠絲杠傳動的自動化操作結構。

相信隨著國內自動化水平的提高，滾珠絲杠這種高端傳動產品將會被越來越多的應用到各行業，進一步滿足客戶對高速、高精的需求。

 

    [1] 滾珠絲杠的選擇與應用--《現代零部件》         2004年Z2期

    [2] 高速滾珠絲杠副綜合性能測試系統開發與應用   網絡百度文庫  2010.5.22