1 圣 約 翰 科 技 大 學(xué) 機(jī)械與電腦輔助工程系專(zhuān)題研究報(bào)告 精密輸送設(shè)備之研制 林 守 儀 副教授 中華民國(guó)九十五年九月 2 第一章 緒論 言 本研究旨在探討精密輸送設(shè)備之設(shè)計(jì)，對(duì)于探討精密輸送設(shè)備的螺桿零件、螺帽零件等作分析，并以 究?jī)?nèi)容分為三大部分；其一為升降機(jī)構(gòu)系統(tǒng)分析，其二為水平輸送機(jī)構(gòu)系統(tǒng)分析，其三為電腦輔助元件設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)一套直交式輸送設(shè)備，計(jì)算其安全性、使用壽命、零件分析選用等，直交式輸送設(shè)備包含升降設(shè)備與水 平輸送設(shè)備，另外用繪圖軟體 3 究動(dòng)機(jī) 臺(tái)灣大型液晶面板產(chǎn)值已位居世界前兩大，產(chǎn)業(yè)上下游及其周邊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展舉世關(guān)注，國(guó)內(nèi)各主要面板廠(chǎng)均有新世代面板廠(chǎng)的建廠(chǎng)計(jì)畫(huà)。由于新世代面板尺寸朝向大型化發(fā)展，其生產(chǎn)過(guò)程中的搬運(yùn)與儲(chǔ)存作業(yè)勢(shì)必更加倚賴(lài)自動(dòng)化設(shè)備，且因?yàn)樵跓o(wú)塵室環(huán)境下運(yùn)作，使得這些自動(dòng)化設(shè)備的規(guī)格與技術(shù)層次要求更高。而這些趨勢(shì)所衍生的技術(shù)發(fā)展，及其帶來(lái)的商機(jī)，是自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備及其相關(guān)系統(tǒng)廠(chǎng)商所應(yīng)該關(guān)注的。 早期半導(dǎo)體工業(yè)所有制程設(shè)備皆掌握在外國(guó)廠(chǎng)商手中，其精密的設(shè)備很多都是仰賴(lài)外國(guó)應(yīng)用公司，臺(tái)灣投資如此巨額之經(jīng)費(fèi)在發(fā)展八吋晶元或是十二吋晶圓廠(chǎng)，但設(shè)備技術(shù)幾乎都被國(guó)外廠(chǎng)商所壟斷，有此前車(chē)之鑒，應(yīng)該避免再次重蹈覆轍，臺(tái)灣 鏡韓國(guó)最強(qiáng)的三星(子，它本身就是采取發(fā)展自己設(shè)備制造的策略，其建廠(chǎng)時(shí)設(shè)備部分是先由韓國(guó)本土廠(chǎng)商包下來(lái)，不能承接的才分出去給日本廠(chǎng)商，以培養(yǎng)本土技術(shù)能力，以一座面板廠(chǎng)來(lái)看，最大的成本就是設(shè)備，如何加強(qiáng)本土設(shè)備發(fā)展是很大的挑戰(zhàn)，也是必須發(fā)展出來(lái)的技術(shù)。本專(zhuān)題研究 了訓(xùn)練設(shè)備設(shè)計(jì)之能力外，另一方面也 對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)之運(yùn)作情況有初步之了解。 4 第二章 文獻(xiàn)回顧 精密輸送設(shè)備之應(yīng)用日趨重要，尤其半導(dǎo)體、液晶螢?zāi)坏雀呖萍籍a(chǎn)業(yè)之使用，更是普遍，如圖 圖 圖 圖 圖 示。 圖 璃輸送設(shè)備實(shí)物圖 圖 送設(shè)備之輪系機(jī)構(gòu)樣貌圖 5 圖 研究設(shè)計(jì)之整體外貌 圖 送設(shè)備之升降機(jī)構(gòu) 6 圖 送設(shè)備之水平輸送機(jī)構(gòu) 珠螺桿之特質(zhì) (1) 高信賴(lài)性： 滾珠螺桿是十多年來(lái)所累積制造技術(shù)為基礎(chǔ)，從材料、熱處理、設(shè)計(jì)、生管、品管到出貨，都有一定的處理作業(yè)，其制度化的管理讓我們的滾珠螺桿給顧客高度的信賴(lài)性。 (2) 高精度的保證： 滾珠螺桿其螺桿與螺帽都在恒溫室內(nèi)做精密加工、研磨、裝配及品管，可保證高精度的品質(zhì)，如圖 (度檢驗(yàn)證明 )。 (3) 優(yōu)異的 耐久性： 采用高品質(zhì)鋼材施以處理及研磨技術(shù)，可供給耐久性?xún)?yōu)異的滾珠螺桿。 (4) 高效率： 滾珠螺桿其運(yùn)轉(zhuǎn)是靠螺帽內(nèi)的鋼珠作滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，比傳統(tǒng)滑動(dòng)螺桿有更高的效率，所需的扭矩只有傳統(tǒng)滑動(dòng)螺桿的 1/3 以下，所以可輕易地將直線(xiàn)7 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 (5) 無(wú)背隙與高剛性： 滾珠螺桿采用哥德式 (槽形將 (如圖 使鋼珠與溝槽能有最佳接觸以便輕易運(yùn)轉(zhuǎn)。 若加入適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力，消除軸方向間隙，可使?jié)L珠螺桿有更佳的剛性，減少滾珠和螺帽、螺桿間的彈性變形，達(dá)到更高的精度。 圖 度 檢驗(yàn)證明 8 圖 德式螺紋 9 桿精度和扭矩定義 程精度 精密滾珠螺桿，以 格為基準(zhǔn)，各特性之定義與容許值如下： 圖 程量測(cè)曲線(xiàn) 表 程曲線(xiàn)各名詞定義 T+E 累積代表導(dǎo)程 為一直線(xiàn)，代表實(shí)際累積導(dǎo)程的傾向。這是以雷射檢測(cè)后的數(shù)據(jù)經(jīng)最小平方值方法算出。 P 容許值 a 實(shí)際測(cè)量值 T 累積基準(zhǔn)導(dǎo)程指定目標(biāo)值 在有效螺紋范圍內(nèi)，累積基準(zhǔn)導(dǎo)程減累積公稱(chēng)導(dǎo)程的差謂之。亦即考慮運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)之熱膨脹、 彈性變形等因素，而事先將累積公稱(chēng)導(dǎo)程于正負(fù)方向加以補(bǔ)正，并據(jù)此制作螺桿。其值依實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)而定。 E 累積代表 導(dǎo)程之誤差 累積代表導(dǎo)程減累積基準(zhǔn)導(dǎo)程的值。 e 變動(dòng) 在有效螺紋長(zhǎng)度范圍內(nèi)的最大幅寬 0 在有效螺紋范圍內(nèi)取 300最大幅寬 螺桿轉(zhuǎn)動(dòng) 1 圈的范圍內(nèi)，螺帽對(duì)塵于任意的回轉(zhuǎn)角的軸方向移動(dòng)量的實(shí)測(cè)值與基準(zhǔn)值的最大幅寬。 10 表 積導(dǎo)程的誤差 (E)和變動(dòng) (e)的容許值 有 效 螺 桿 長(zhǎng) 度 (0 2 4 6 10 e E e E e E e E e E e 300 000015 4 5 5 7 12 8 12 12 23 18 315 400 5 5 7 7 13 10 14 12 25 20 400 500 6 4 8 5 8 7 15 10 16 12 27 20 500 630 6 4 9 6 9 7 16 12 18 14 30 23 630 800 7 5 10 7 10 7 18 13 20 14 35 25 800 1000 8 6 11 8 11 8 21 15 22 16 40 27 1000 1250 9 6 13 9 13 9 24 16 25 18 46 30 1250 1600 11 7 15 10 15 10 29 18 29 20 54 35 1600 2000 18 11 18 11 35 21 34 22 65 40 2000 2500 22 13 21 13 41 24 40 25 77 46 2500 3150 26 15 25 15 50 29 48 29 93 54 3150 4000 32 18 30 18 62 35 57 34 115 65 4000 5000 36 21 76 41 69 40 140 77 5000 6300 85 48 170 93 表 度等級(jí) 任意 300 mm(e 3 0 0 )以任意導(dǎo)程 (單位： m 0 2 4 6 10 8 18 50 210 7 8 12 18 25 50 210 位 :m 0 2 4 3 4 6 8 4 4 6 8 8 . 壓扭矩 轉(zhuǎn)動(dòng)施有預(yù)壓之滾珠螺桿時(shí)，所產(chǎn)生之預(yù)壓扭矩的名詞圖 示。 預(yù)壓扭矩變動(dòng)率的容許范圍是以 格為基準(zhǔn)，如表 示。 11 圖 壓 扭矩的說(shuō)明 預(yù) 壓 ：目是為了消除滾珠螺桿的背隙和增加剛性。作法參照 壓扭矩：依所定之預(yù)壓加于滾珠螺桿后，在外部無(wú)負(fù)載的狀態(tài)下，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿或螺帽所需之扭矩。 基準(zhǔn)扭矩：為一目標(biāo)值。在目標(biāo)中所設(shè)定的預(yù)壓扭矩。 扭矩變動(dòng)值：基準(zhǔn)扭矩變動(dòng)值，有正負(fù)之分。 扭矩變動(dòng)率：基準(zhǔn)扭矩和扭矩變動(dòng)值的比率。 實(shí) 扭 矩：滾珠螺桿實(shí)際測(cè)量所得之預(yù)壓扭矩。 平均實(shí)扭矩：有效螺紋長(zhǎng)度內(nèi)，螺帽做往復(fù)運(yùn)動(dòng)所測(cè)得之最大實(shí)扭矩與最小實(shí)扭矩做算術(shù)平均數(shù)所得之值。 實(shí)扭矩變動(dòng)值：有效螺紋長(zhǎng)度內(nèi)，螺帽做往復(fù)運(yùn)動(dòng)所測(cè)得 之最大變動(dòng)值相對(duì)于平均實(shí)扭矩有正負(fù)之分。 實(shí)扭矩變動(dòng)率：平均實(shí)扭矩和實(shí)扭矩變動(dòng)值的比率。 表 矩變動(dòng)率的容許范圍 基準(zhǔn)扭距 ( 有效螺紋長(zhǎng)度 ( 4000 以下 4000(含 )以上 10000以下 細(xì)長(zhǎng)比： 40 以下 細(xì)長(zhǎng)比： 60 以下 等級(jí) 等級(jí) 等級(jí) 1 5 1 5 3 4 30% 35% 40% 50% 40% 40% 50% 60% 4 6 25% 30% 35% 40% 35% 35% 40% 45% 6 10 20% 25% 30% 35% 30% 30% 35% 40% 40% 45% 10 25 15% 20% 25% 30% 25% 25% 30% 35% 35% 40% 25 63 10% 15% 20% 25% 20% 20% 25% 30% 30% 35% 63 100 15% 15% 20% 20% 25% 25% 30% 基準(zhǔn)扭矩的計(jì)算： 2)( t a .0 lF a )(基準(zhǔn) 扭 準(zhǔn): )(導(dǎo)程: )(預(yù)壓力: 導(dǎo)程角: 12 珠螺桿幾何公差的標(biāo)示 上圖為滾珠螺桿幾何公差圖面標(biāo)示方法，其定義如下： :垂直度 :偏擺 /:平行度 :基準(zhǔn)面 滾珠螺桿的幾何公差檢驗(yàn)，必要檢驗(yàn)項(xiàng)目如下： 1. 肩部相對(duì)于螺紋溝槽面的軸線(xiàn) B，測(cè)定螺桿支持部位的半徑方向圓周 偏擺值。 2. 肩部相對(duì)于螺紋溝槽面的軸線(xiàn) B，測(cè)定螺桿支持部位的端面的垂直度。 3. 螺帽相對(duì)于螺紋溝槽面的軸線(xiàn) A，測(cè)定螺帽安裝部的半徑方向圓周偏擺值。 4. 螺帽相對(duì)于螺紋溝槽面的軸線(xiàn) A，測(cè)定螺帽法蘭面的端面的垂直度。 5. 螺帽相對(duì)于螺紋溝槽面的軸線(xiàn) A，測(cè)定螺帽法蘭面的端面的平行度。 6. 螺帽軸線(xiàn)的半徑方向的總偏擺值。 注：在此所述的幾何公差驗(yàn)項(xiàng)目是以 基準(zhǔn)。 13 珠螺桿選擇流程 使使 用用 條條 件件 導(dǎo)導(dǎo) 程程 精精 度度 選選 定定 軸軸 向向 余余 隙隙 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 造造 級(jí)級(jí) 滾滾 珠珠 螺螺 桿桿 (低低 精精 度度 ) 精精 密密 級(jí)級(jí) 滾滾 珠珠 螺螺 桿桿 (高高 精精 度度 ) 軸軸 長(zhǎng)長(zhǎng) 的的 選選 定定 螺螺 帽帽 剛剛 性性 計(jì)計(jì) 算算 剛剛 性性 之之 檢檢 討討 容容 許許 負(fù)負(fù) 荷荷 計(jì)計(jì) 算算 容容 許許 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 速速 計(jì)計(jì) 算算 定定 位位 精精 度度 之之 檢檢 討討 支支 撐撐 軸軸 剛剛 性性 計(jì)計(jì) 算算 驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng) 扭扭 矩矩 之之 檢檢 討討 螺螺 桿桿 軸軸 向向 剛剛 性性 計(jì)計(jì) 算算 壽壽 命命 之之 計(jì)計(jì) 算算 驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng) 馬馬 達(dá)達(dá) 之之 選選 定定 導(dǎo)導(dǎo) 程程 選選 定定 軸軸 支支 持持 方方 法法 選選 定定 軸軸 徑徑 選選 定定 螺螺 帽帽 型型 式式 選選 定定 潤(rùn)潤(rùn) 滑滑 、 防防 塵塵 14 珠螺桿規(guī)格定義 循環(huán)式滾珠螺桿規(guī)格定義 4 R 50 10 B 2 2 F S W C 1000 1500 - 轉(zhuǎn)造級(jí) (精密級(jí)不標(biāo)示 ) 精度等級(jí) 螺桿長(zhǎng)度 特別碼 (表 W：外循環(huán)圓周型 V：外循環(huán)管凸出型 C：角牙 K：端蓋 S：?jiǎn)温菝?D：雙螺帽 O：偏位導(dǎo)程螺帽 F：法蘭相對(duì)螺帽 F：有法蘭式 R：無(wú) 法蘭式 S：方型螺帽 D：雙法蘭螺帽 螺帽組 (單組不標(biāo)示 ) 每個(gè)螺帽的回流管數(shù) 導(dǎo)程 珠卷圈 螺桿公稱(chēng)直徑 螺紋方向 螺紋數(shù) (單螺紋不標(biāo)示 ) 螺桿全長(zhǎng) A： B： C： 15 循環(huán)式滾珠螺桿規(guī)格定義 4 R 32 10 T 4 2 F S I C 1050 1500 - 轉(zhuǎn)造級(jí) (精密級(jí)不標(biāo)示 ) 精度等級(jí) 螺桿長(zhǎng)度 特別碼 (表 V：內(nèi)循環(huán)管凸出型 S：?jiǎn)温菝?D：雙螺帽 O：偏位導(dǎo)程螺帽 F：法蘭相對(duì)螺帽 F：有法蘭式 R：無(wú) 法蘭式 S：方型螺帽 D：雙法蘭螺帽 螺帽組 (單組不標(biāo)示 ) 每個(gè)螺帽的回流管數(shù) 導(dǎo)程 T：回流圈數(shù) =1 圈 螺桿公稱(chēng)直徑 螺紋方向 螺紋數(shù) (單螺紋不標(biāo)示 ) 螺桿全長(zhǎng) 16 表 別碼 C 精密級(jí)螺紋 W 轉(zhuǎn)造級(jí)螺紋 E E 型回流方式 (適合高導(dǎo)程 ) Q 自潤(rùn)式 B 含保持器 T 螺帽自轉(zhuǎn)型 D E 型回流方式 +自潤(rùn)式 F E 型回流方式 +含保持器 G E 型回流方式 +自潤(rùn)式 +含保持器 17 第三章 基礎(chǔ)理論 桿軸的設(shè)計(jì) 桿軸的制作范圍 精密級(jí)滾珠螺桿的制作范圍： 最小外徑 10長(zhǎng)可達(dá) 400大外徑 80長(zhǎng)可達(dá) 6000造及滾珠螺桿的制作范圍： 最小外徑 14長(zhǎng)可達(dá) 1000大外徑 50長(zhǎng)可達(dá) 3000 安裝方法 安裝方法對(duì)于選擇滾珠螺桿的規(guī)格時(shí)為重要的項(xiàng)目， 舉三種最常用安裝方法。節(jié)有詳細(xì)的公式解說(shuō)。 圖 裝方式：固定 圖 裝方式：固定 18 圖 裝方式：支持 許軸向負(fù)荷 (1) 挫屈負(fù)荷： 因?yàn)楣ぷ_(tái)、工件 等自重，對(duì)螺桿產(chǎn)生的壓縮負(fù)荷，所以必須驗(yàn)算其對(duì)螺桿軸挫屈的安全性。 如公式 (示： )(10 32 422 k g ( ：安全系數(shù) (取 ) E ：縱彈性系數(shù) ( 24 /101.2 ) 螺桿軸牙底直徑 ( 珠直徑螺桿節(jié)圓直徑 ) I ：螺桿的軸斷面之最小二次力矩 ( 44 64/ ) L ：安裝間距 (螺桿兩端安之相對(duì)距離 ) ：依滾螺桿之安裝方法而定之系數(shù) 支持支持 m=5 =1) 固定支持 m=N=2) 固定固定 m=N=4) 固定自由 m=1 =1/4) (2) 容許拉伸壓縮負(fù)荷： 當(dāng)安裝的距離比較短時(shí)，安裝方式差異影響較小，需由 另外兩種方法驗(yàn)算之： a. 螺桿軸之降伏應(yīng)力的容許拉伷壓縮負(fù)荷： 42 ( ：容許拉伸壓縮應(yīng)力 ( ) A ：螺桿軸牙底直徑之?dāng)嗝娣e ( ) 螺桿軸牙底直徑 (b. 滾珠溝槽部之容許負(fù)荷： 19 最大軸方負(fù)荷必須遠(yuǎn)小于的基本靜額定負(fù)荷。參照第四章，第三節(jié)滾珠溝槽部之容許負(fù)荷。 許轉(zhuǎn)速 (1) 危險(xiǎn)速度： 當(dāng)發(fā)生共振時(shí)之速度，稱(chēng)之為危險(xiǎn)速度。共振產(chǎn)生時(shí)的影響之大戶(hù)加工品質(zhì)不良，甚而造成機(jī)器損壞，所以一定要極力避免馬達(dá)之轉(zhuǎn)速和滾珠螺桿的自然頻率發(fā)生共振。如公式 (示： )(10260 7222 r p ( n ：容許轉(zhuǎn)速 (rp m) a ：安全系數(shù) ( a =E ：縱彈性系數(shù) ( 24 /101.2 ) I ：螺桿的軸斷面之最小二次力矩 ( 44 64/ ) 螺桿軸牙底直徑 (A ：螺桿軸斷面積 ( 22 4/ ) L ：安裝間距 (螺桿兩端安之相對(duì)距離 ) g ：重力加速度 ( 23 /108.9 ) Y ：材料之比重 ( 36 /108.7 ) f, ：依滾螺桿之安裝方法而定之系數(shù) 支持支持 f = ) 固定支持 f = =固 定固定 f = =固定自由 f = =(2) 滾珠螺桿之節(jié)圓直徑、 n 為滾珠螺桿的最大轉(zhuǎn)速，所以 dm,n 值即表示滾珠之公轉(zhuǎn)速度。其為影響滾珠螺的噪音、工作溫度、壽命循環(huán)系統(tǒng)之最大因素。一般而言滾珠螺桿值的限制如下式： (注一 ) 精密級(jí)： 70000轉(zhuǎn)造級(jí)： 50000但隨著制技術(shù)的提升， 值已不再受此限制。值甚至已有高達(dá)十萬(wàn)以上的滾螺桿。 注一：此種 值之限制，僅供一般參考。事實(shí)上同一牙底直徑的螺桿，其值是隨螺桿兩端之安裝方式、安裝間距之變化而有不同的容許值。 20 桿設(shè)計(jì)上之注意事項(xiàng)： (1) 完全牙： (使用內(nèi)循環(huán)式螺帽時(shí) ) 當(dāng)為內(nèi)循環(huán)滾珠螺桿時(shí)，由于螺帽裝配時(shí)之需要，在設(shè)計(jì)軸端時(shí)至少必須有一端是完全牙，且至末端為止的直徑都必須比牙底直徑小 上。 (2) 螺桿軸端及螺帽周邊之設(shè)計(jì)： 機(jī)臺(tái)的設(shè)計(jì)，必須注意滾珠螺桿安裝時(shí)的周邊機(jī)構(gòu)。避免因周邊機(jī)構(gòu)的影響或限制，造成安裝滾珠螺桿于機(jī)臺(tái)上時(shí)，必須將螺帽和螺桿分離拆開(kāi)。因?yàn)榉蛛x時(shí)難免會(huì)引起鋼珠的脫落，螺帽的組裝精度及預(yù)壓力變化，滾珠螺桿外循環(huán)彎管破損等情形發(fā)生，嚴(yán)重者將會(huì)造成滾珠螺桿的損壞而不堪使用。 (3) 有效螺紋兩側(cè)端部的硬度： 滾螺桿的熱處理是采用中周感應(yīng)熱處理，所以螺紋兩端各15不在有效熱處理圍內(nèi)，硬度會(huì)較低，故決定有效螺紋長(zhǎng)度時(shí)請(qǐng)加以考慮。 (4) 中間支撐座： 螺桿 過(guò)長(zhǎng)時(shí)，由于自重而中間產(chǎn)生下垂現(xiàn)象，此現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致螺桿承受徑向負(fù)荷，也會(huì)有因螺桿軸之回轉(zhuǎn)而給軸端加上過(guò)大的彎曲應(yīng)力之危險(xiǎn)。在此建議可以在螺桿下方多加設(shè)中間支撐構(gòu)造，以抑制螺帽因自重所產(chǎn)生的下垂量。支撐構(gòu)造有裝置于螺桿的螺帽周?chē)?，能在軸方向做移動(dòng)軸偏震抑制裝置以及于機(jī)臺(tái)上之固定式軸偏震抑制構(gòu)造等兩種。但使用固定式時(shí)須注意當(dāng)工作臺(tái)通過(guò)其上方時(shí)，要能避開(kāi)。 21 帽的設(shè)計(jì) 帽型式的選擇 (1) 型式： 選定型式時(shí)，請(qǐng)考慮要求之精度、尺寸 (螺帽長(zhǎng)度、內(nèi)徑、外徑 )、預(yù)壓力、交貨期等。 (2) 循環(huán)方 式； a. 外循環(huán)： 經(jīng)濟(jì)性 因鋼珠回流的路徑較長(zhǎng)，故而噪音較小 最適合量產(chǎn) 可采用于導(dǎo)程 /螺桿軸外徑較大者。 螺帽外徑精巧 (節(jié)省空間 ) 適合于導(dǎo)程 /螺桿軸外徑較小者 (3) 珠卷數(shù)： 選定珠卷數(shù)要考慮要求的性能、壽命等，其比較如表 示。 (4) 凸緣形狀 ( 本公司備有三種標(biāo)準(zhǔn)型式 (A 型式、 B 型式、 C 型式 )請(qǐng)配合螺帽安裝部分之空間加以選定。 (5) 油嘴孔： 精密用標(biāo)準(zhǔn)螺帽設(shè)有油嘴孔，設(shè)計(jì)時(shí)請(qǐng)標(biāo)明其尺寸。 表 卷數(shù)與其要求特性 要求特性 外循環(huán) 內(nèi)循環(huán) 動(dòng)作性 、 、 1 卷 、 1 卷 剛性 、 1 卷 22 向負(fù)荷的計(jì)算 平往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 圖 平搬運(yùn)裝置簡(jiǎn)圖 一般的搬運(yùn)裝置，螺帽作水平的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其軸向負(fù)荷分析如下： 向左等加速 1 ( 3 . 2 . 1 ) 向左等速 2 ( 3 . 2 . 2 ) 向左等減速 3 ( 3 . 2 . 3 ) 向右等加速 4 ( 3 . 2 . 4 ) 向右等速 5 ( 3 . 2 . 5 ) 向右等減速 6 ( 3 . 2 . 6 ) 直往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 一般的搬運(yùn)裝置，螺帽作重直的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其軸向負(fù)荷分析如下： 上升等加速 1 ( 3 . 2 . 7 ) 上升等速 2 ( 3 . 2 . 8 ) 上升等減速 3 ( 3 . 2 . 9 ) 下降等加速 4 ( 3 . 2 . 1 0 ) 下降等速 5 ( 3 . 2 . 1 1 ) 下降等減速 6 ( 3 . 2 . 1 2 ) a ：加速度 為最高速度 t：為加速度時(shí)間 23 ：摩擦系數(shù) f ：無(wú)負(fù)荷時(shí)的阻力 m ：總質(zhì)量，機(jī)臺(tái)的重量加搬運(yùn)物的重量 圖 直搬運(yùn)裝置簡(jiǎn)圖 帽設(shè)計(jì)上的注意事項(xiàng) 偏斜負(fù)荷 (扭矩負(fù)荷及徑向負(fù)荷 ) 滾珠螺桿的動(dòng)作特性的發(fā)揮關(guān)鍵在使螺桿軸與螺帽間的所有鋼珠均能承受均勻的負(fù)荷而滾動(dòng)。所以當(dāng)有扭矩負(fù) 荷作用于螺帽上時(shí)，此時(shí)負(fù)荷集中于少數(shù)的鋼珠上，不僅動(dòng)作特性受到影響，連壽命也會(huì)有極顯著的縮短。因此在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及裝配上必須特別注意。 24 性 動(dòng)螺桿系統(tǒng)的剛性 螺桿的周邊結(jié)構(gòu)剛性太弱乃是造成失位 (主因之一。因此在綜合加工機(jī)等精密機(jī)械為了要獲得良好的定位精度，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮傳動(dòng)螺桿各部位零件軸向剛性的平衡及其扭曲剛性。 動(dòng)螺桿系統(tǒng)之軸向剛性 傳動(dòng)螺桿的軸向彈性變形及剛性，可由下列公式求出 ( ( ：傳動(dòng)螺桿系統(tǒng)軸向彈性變形量 ( m ) 動(dòng)螺桿系統(tǒng)所承載之軸向負(fù)荷 (傳動(dòng)螺桿系統(tǒng)之軸向剛性 桿軸之軸向剛性 帽之軸向剛性 支持軸承之軸向剛性 螺帽及軸承安裝部之軸向剛性 (1) 螺桿軸之軸向剛性： 安裝方式的不同，做以下的分析： a. 固定 310 x (桿軸之軸向剛性 ( ) A ： 螺桿軸斷面積 ( 22 4/ ) 螺桿軸牙底直徑 (桿節(jié)圓直徑鋼珠直徑 E ： 縱彈性系數(shù) ( 24 /101.2 ) x ：負(fù)荷作用點(diǎn)間距離 (b. 固定 310)( (螺桿軸 之軸向剛性 ( ) L ：安裝間距離 (注： x=L/2 的位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大的軸向變形。 25 (2) 螺帽之軸向剛性： KN a. 無(wú)預(yù)壓螺帽的剛性 軸向負(fù)荷 軸向彈性變形a之關(guān)系如 (所示 )(s 2 (C ：依材料、形狀、尺寸所決定的常數(shù)。 (參考：中徑精密 級(jí) C ：鋼珠與溝槽的接觸角度 珠直徑 (Q ：每個(gè)鋼珠之負(fù)荷 ( k a s ) Z ：鋼珠數(shù)量 ：精度、內(nèi)部構(gòu)造系數(shù) 以 30%的基本動(dòng)額定負(fù)荷做為軸向負(fù)荷施加于滾珠螺桿上，此時(shí)藉由產(chǎn)生于溝漕與鋼珠之間的彈性變形量可求得剛性理論值 K。若連同 螺帽一同考慮則剛性值 K 取尺寸表內(nèi)值之 80%較適宜。 當(dāng)軸向負(fù)荷 用 30%的基本動(dòng)額定負(fù)荷 基準(zhǔn)時(shí)，剛性值 用下式求出。 3/ (K ：尺寸表的剛性值 ( ) 向負(fù)荷 ( 本動(dòng)額定負(fù)荷 ( b. 有預(yù)壓螺帽的剛性 施加 10%(過(guò)尺寸預(yù)壓方式時(shí)取 5%)的基本動(dòng)額定負(fù)荷的預(yù)壓力于滾珠螺桿內(nèi)。藉由軸向負(fù)荷的作用所產(chǎn)生于螺桿溝槽與鋼珠間的彈性變形量可計(jì)算求得剛性理論值 K(見(jiàn)本型錄各螺桿尺寸表 )。若連同螺帽本體一同考慮時(shí)，則取尺寸表值 80%較適宜。 當(dāng)預(yù)壓力0%的基本動(dòng)額負(fù)荷性值 3/ (26 K ：尺寸表的剛性值 壓力 ：剛性計(jì)算基準(zhǔn)系數(shù) =壓片預(yù)壓及偏位導(dǎo)程預(yù)壓 ) =尺寸預(yù)壓 ) (3) 支撐軸承的剛性： 做為滾珠螺桿的支撐軸承并且 廣泛使用于機(jī)密機(jī)器方面的組合止推斜角滾珠軸承的剛性以下式可求出。 03K (0a：施予預(yù)壓時(shí)的軸向彈性變形量 s 20 (a ：鋼珠與溝槽的接觸角度 珠直徑 Q ：每個(gè)鋼珠之 負(fù)荷 Z ：鋼珠數(shù)量 (4) 螺帽及軸承安裝處之剛性： 在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)之初就必須注意加強(qiáng)此安裝處的剛性。 動(dòng)螺桿系統(tǒng)之扭曲剛性 因回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的扭曲產(chǎn)生定位精度誤差的因素有： 1. 螺桿軸的扭曲變形 2. 聯(lián)軸器部位的扭曲變形 3. 馬達(dá)的扭曲變形 但由于上述變形量在一般的工具機(jī) (非高速機(jī) )使用時(shí)，比起軸向變形量為小，故省略不予考慮。 珠螺的預(yù)壓與效果 為求達(dá)到高定位精度，一般方法有消除滾珠螺桿的間隙到零，另一 個(gè)方法即為提高剛性以減低承受軸向負(fù)荷時(shí)的彈性變形量，此兩種方法均可藉由對(duì)滾珠螺桿施加預(yù)壓來(lái)達(dá)成。 27 (1) 預(yù)壓的方法 a. 雙螺帽的中間放入預(yù)壓片施加預(yù)壓，可分為下面兩種： 如圖 示，根據(jù)預(yù)壓力的大小選擇相對(duì)厚度的預(yù)壓片放入螺帽之間，施加預(yù)壓力，由于螺帽 A、 B 產(chǎn)生伸張負(fù)荷，故稱(chēng)為伸張預(yù)壓力。 如圖 示，根據(jù)預(yù)壓力的大小選擇相對(duì)簿度的預(yù)壓片放入螺帽之間，施加預(yù)壓力，由施螺帽 A、 B 產(chǎn)生伸張負(fù)荷，故稱(chēng)為壓縮預(yù)壓力。 圖 張預(yù)壓 圖 縮預(yù)壓 b. 單螺帽滾珠螺桿的預(yù)壓方法： 如圖 (示在滾溝槽內(nèi)置入較溝槽空間稍大直徑的鋼珠，使?jié)L珠與溝槽做四點(diǎn)接觸的預(yù)壓方式，適用于輕預(yù)壓。 如圖 (示在螺帽中央位置附近的螺紋導(dǎo)程依所需之預(yù)壓量使其偏位或位移 (其移位量為預(yù)壓量 )適用于中預(yù)壓。此種螺帽雖為單個(gè)，但經(jīng)此法施予預(yù)壓之后，作用如同雙螺帽，且剛性更佳。 圖 點(diǎn)接觸預(yù)壓 圖 位導(dǎo)程預(yù)壓 28 (2) 預(yù)壓力與彈性變形之關(guān)系 圖 螺帽 A、 B 乃藉由預(yù)壓力合后 在各個(gè)螺帽之彈性變形量為0a。在此狀態(tài)將外部負(fù)荷 時(shí)，見(jiàn)圖 示，螺 A、 B 之彈性變形為： 彈性變形為： 1010 這時(shí)加于螺帽 A、 B 之負(fù)荷是 00(注： F A 與 F B 方向相反 ) 圖 螺帽之定位預(yù)壓 29 圖 位預(yù)壓變形關(guān)系圖 亦即 藉螺帽 B 之變形減少而被緩沖吸收 ，結(jié)果螺帽 A 之彈性變形變小，此效果一直會(huì)持續(xù)到因受到外部負(fù)荷而產(chǎn)生之彈性變形等于，而螺帽 B 之預(yù)壓消失為止。軸向負(fù)荷與彈性變形之關(guān)系式如下所示： 2/2/203/2013/2103/20 所以預(yù)壓力為最大軸向負(fù)荷的 1/3。過(guò)大的預(yù)壓力，對(duì)壽命、散熱會(huì)帶來(lái)不良影響。最大預(yù)壓力定為基本動(dòng)額定負(fù)荷的 10%。 如圖 示，有預(yù)壓的滾珠螺桿和無(wú)預(yù)壓的滾珠螺桿之彈性變形曲線(xiàn)，當(dāng)施加預(yù)壓力的 3 倍之軸向負(fù)荷時(shí)，有預(yù)壓 的滾珠螺桿其彈性變形只有無(wú)預(yù)壓滾珠螺桿的 1/2。 圖 性變形曲線(xiàn) 位精度 給精度誤差的因素 進(jìn)給精度誤差的因素中，導(dǎo)程精度、進(jìn)給系統(tǒng)的剛性是研究的重點(diǎn)，其他像因溫升所產(chǎn)生的熱變形、導(dǎo)引面的組裝精度等因素也需加以考慮。 程精度的選定 累積基準(zhǔn)導(dǎo)程與公稱(chēng)導(dǎo)程相同，但由于運(yùn)轉(zhuǎn)中的溫升所導(dǎo)致的螺桿伸長(zhǎng)，或因外部負(fù)荷致使螺桿伸縮時(shí)，為了要加以補(bǔ)30 正乃將螺桿軸的基準(zhǔn)導(dǎo)程往負(fù)或正方向加以補(bǔ)償。另外，在補(bǔ)正軸伸長(zhǎng)的對(duì)策方面，于安裝時(shí)可在螺桿軸上施予預(yù)拉力。一般是以支撐 軸承的負(fù)荷能力以上另加溫升 230C 的預(yù)拉力。 變形對(duì)策 螺桿軸因熱而伸長(zhǎng)變形，會(huì)導(dǎo)致定位精度惡化。熱變形的多寡，可由 (計(jì)算求得。 (L：熱變形量 ：熱膨系數(shù) ：螺桿軸的平均溫升 L ：指滾珠螺桿的全長(zhǎng) 上式可 解釋為 1000的螺桿在每升 10C 就會(huì)有產(chǎn)生12 m 的伸長(zhǎng)量。因此即使?jié)L螺桿的導(dǎo)程經(jīng)過(guò)高精度的加工、也會(huì)因溫升所產(chǎn)生的變形而無(wú)法滿(mǎn)足高度的定位要求。另外當(dāng)滾珠螺桿要求的運(yùn)轉(zhuǎn)速度愈高，則平均溫升也相對(duì)提升，熱變形也就愈大。那么要如何減低溫升所帶來(lái)的不良影響呢？有以下三種方法： (1) 控制發(fā)熱量： 選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力。 選擇正確且適量的潤(rùn)滑劑。 加大滾珠螺桿的導(dǎo)程、降低轉(zhuǎn)速。 (2) 施予強(qiáng)制冷卻： 螺桿軸挖成中空，利用一根冷卻液管通入，利用冷卻液帶出熱量。 螺桿軸 外緣以潤(rùn)滑油或空氣來(lái)冷卻。 (3) 避免溫升的影響： 求出累積導(dǎo)程誤差的目標(biāo)值，取負(fù)值補(bǔ)正。 機(jī)臺(tái)先用高速運(yùn)轉(zhuǎn)溫車(chē)，溫度達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)后再使用。 螺桿軸于安裝時(shí)施予預(yù)拉力 使用閉回路的方式定位 31 命 珠螺桿的壽命 滾珠螺桿即使用正確狀態(tài)下使用，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后也會(huì)因劣化而無(wú)法再使用。而開(kāi)始使用到無(wú)法使用為止的時(shí)間即為滾珠螺桿的壽命，一般區(qū)分為兩種： a. 疲勞壽命：發(fā)生剝離現(xiàn)象時(shí)稱(chēng)之。 b. 精度壽命：因磨損導(dǎo)致精度劣化時(shí)稱(chēng)之。 勞壽命 滾珠螺桿的疲勞壽命與滾動(dòng)軸承一樣，可藉由基本 動(dòng)額定負(fù)荷來(lái)計(jì)算。 本動(dòng)額定負(fù)荷 負(fù)荷是指一批相同規(guī)格的滾珠螺桿以相同的條件運(yùn)轉(zhuǎn) 106 次，其中 90%的螺桿不會(huì)因疲勞而產(chǎn)生剝離現(xiàn)象。則此軸向負(fù)荷即為動(dòng)額定負(fù)荷 ( 勞壽命 (1) 壽命計(jì)算： 疲勞壽命有三種表示方式： 6310 ( 3 . 4 . 1 ) 60 ( 3 . 4 . 2 ) 610 ( 3 . 4 . 3 ) L ：疲勞壽命，用總回轉(zhuǎn)數(shù)表示 勞壽命，用總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間表示 勞壽命，用總行程表示 本動(dòng)額定負(fù)荷 向負(fù)荷 n ：馬達(dá)之最大轉(zhuǎn)速 l ：導(dǎo)程 荷系數(shù) (見(jiàn)表 32 表 荷因數(shù) 震動(dòng)與沖擊 速度 (V) 輕 V15(m/ 15V60(m/ 60V(m/用滾珠螺桿時(shí)，壽命太短或過(guò)長(zhǎng)都不適合，使用過(guò)長(zhǎng)的壽命，會(huì)使選擇的滾珠螺桿尺寸太大，造成不經(jīng)濟(jì)的結(jié)果，因此下表列出各用途的滾珠螺桿疲勞壽命目標(biāo)值供參考。 工 作機(jī)械 20,000 小時(shí) 產(chǎn)業(yè)機(jī)械 10,000 小時(shí) 自動(dòng)控制裝置 15,000 小時(shí) 量測(cè)裝置 15,000 小時(shí) (2) 平均負(fù)荷 當(dāng)軸向負(fù)荷不斷在變動(dòng)時(shí)，想要得知疲勞壽命，就必須先計(jì)算出平均軸向負(fù)荷 (行。我們以軸向負(fù)荷 ( Y 軸，回轉(zhuǎn)數(shù) (n)值為 X 軸，可得三種曲線(xiàn)，其分析如下： a. 程階段式曲線(xiàn)時(shí)： 平均軸向負(fù)荷可用下列公式求得： 312211322321131 平均轉(zhuǎn)速則用下列公式求得： 212211 b. 呈近似直線(xiàn)時(shí)： 尚平均軸向 負(fù)荷的變動(dòng)曲線(xiàn)如圖 ，可用公式 )(3/1 m a xm FF m c. 呈正弦曲線(xiàn)時(shí)：有兩情況 1. 當(dāng)平均軸向負(fù)荷的變動(dòng)曲線(xiàn)時(shí)，可用下列公式求得近似值： 33 2. 當(dāng)平均軸向負(fù)荷的變動(dòng)曲線(xiàn)時(shí)，可用下列公式求得近似值： 裝誤差的影響 施加偏負(fù)荷 (扭轉(zhuǎn)負(fù)荷及徑向負(fù)荷 )，則不僅作動(dòng)性甚至連疲勞壽命也會(huì)受到不良的影響。因此于機(jī)臺(tái)的設(shè)計(jì)之初就把安裝結(jié)構(gòu)部 (螺桿軸、 支撐軸承、導(dǎo)引面 )的剛性加大，即可減低安裝誤差的影響。 珠溝槽的容許負(fù)荷 即使珠螺桿的使用頻率很低且速度又慢，選用時(shí)也必須使最大負(fù)荷遠(yuǎn)小于滾珠螺桿的基本靜額定負(fù)荷的值。 本靜額定負(fù)荷 軸向靜止負(fù)荷，使承受此負(fù)荷最大應(yīng)力的溝槽與鋼珠接觸點(diǎn) (包括螺帽與螺桿軸 )的永久變形量和鋼珠本身永久變形量的總和達(dá)到鋼珠直徑的 ，則此負(fù)荷即為基本靜額定負(fù)荷。 大容許負(fù)荷的計(jì)算 so 容許負(fù)荷系數(shù) 料與硬度 滾珠螺桿的標(biāo)準(zhǔn)材料與度如表 示 表 珠螺桿的材料與硬度 零件名稱(chēng) 材料 熱處理熱法 硬度 ( 精密級(jí)螺桿 50周波熱處理 5862 轉(zhuǎn)造級(jí)螺桿 周波熱處理 5862 螺 帽 碳熱處理 5862 34 處理檢驗(yàn)證明 35 滑 滾珠螺桿所使用的潤(rùn)滑劑、潤(rùn)滑脂是使用鋰皂基系之潤(rùn)滑基油，其粘度 304000C)潤(rùn)滑油使用 級(jí) 32100。 選擇依 據(jù)： 1. 低溫用途時(shí)：使用基油粘度低的潤(rùn)滑劑。 2. 高溫、高負(fù)荷或搖動(dòng)、低速用途時(shí)：使用基油粘度較高的潤(rùn)滑劑。 表 示潤(rùn)滑劑之檢查與補(bǔ)給間隔之一般指標(biāo)。補(bǔ)給時(shí)要擦掉附著于螺桿軸的舊潤(rùn)滑液后再加以補(bǔ)給。 表 滑劑之檢視與補(bǔ)給間隔 潤(rùn)滑方法 檢查間隔 檢查項(xiàng)目 補(bǔ)給或更換間隔 自動(dòng)間隔給油 每一星期 油量、污臟 每次檢查時(shí)補(bǔ)給，但視油槽容量做適當(dāng)補(bǔ)充。 潤(rùn) 滑 脂 工作初期 23 個(gè)月 有無(wú)異物混入 通常每一年補(bǔ)給，但依檢查結(jié)果適當(dāng)補(bǔ)充。 油 浴 每日開(kāi)工前 油面管理 視消耗狀況 適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充。 塵 滾珠螺桿與滾動(dòng)軸承一樣，當(dāng)混入異物或水分時(shí)，磨損會(huì)加快，嚴(yán)重者甚至?xí)?dǎo)致破損。有鑒于此，滾珠螺桿螺帽的前后兩端皆附有刮刷器，以達(dá)到防塵的效果。另外在法蘭面端的刮刷器再加上 O 型套環(huán)，更可以防止漏油的發(fā)生。 36 動(dòng)扭矩 珠螺桿之扭矩 (1) 正作動(dòng) 把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為正作動(dòng)，此時(shí)所需的扭矩可用下式求得： 12 (作動(dòng)扭矩 向負(fù)荷 l：導(dǎo)程 1 ：正效率 (2) 逆作動(dòng) 把直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為逆作動(dòng)，此時(shí)所需的扭矩可用下式求得： 2 2 (逆作動(dòng)扭矩 2 ：逆效率 (3) 有預(yù)壓力螺帽之摩擦扭矩 因預(yù)壓力所產(chǎn)生的摩擦扭矩，可用下式求得： 2 (基準(zhǔn)扭矩 壓力 k ：滾珠螺桿之預(yù)壓扭矩系數(shù)，參照 ( k 達(dá)之驅(qū)動(dòng)扭矩 (1) 定速時(shí)之驅(qū)動(dòng)扭矩 能抗衡外部負(fù)荷并使?jié)L珠螺桿做等 速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需之扭矩，稱(chēng)為定速之驅(qū)動(dòng)扭矩，此扭矩等于預(yù)壓扭矩 +軸向力產(chǎn)生的摩擦扭矩 +支持軸承的摩擦扭矩?？捎孟率角蟮茫?211 22 (1T ：定速時(shí)之驅(qū)動(dòng)扭矩 壓力 向負(fù)荷 F ：螺桿軸向之切削力 37 ：導(dǎo)引面之 摩擦系數(shù) W ：移動(dòng)物總重量 (工作臺(tái)重量 +工作物重量 ) 支持軸承之摩擦扭矩 1N ：齒輪一之齒數(shù) 2N ：齒輪二之齒數(shù) 馬達(dá)的種類(lèi)繁多，一般來(lái)說(shuō)皆以定速時(shí)的驅(qū)動(dòng)扭矩不得超過(guò)馬達(dá)額定扭矩的 30%為使用標(biāo)準(zhǔn)。 圖 作臺(tái)受力示意圖 (2) 加速度時(shí)之驅(qū)動(dòng)扭矩 能抗衡外部負(fù)荷并使?jié)L瑖螺桿做等加速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需之最大扭矩，稱(chēng)為加速度之驅(qū)動(dòng)扭 矩，此扭矩可用下式求得： 12 ( 22211 (221 (2T ：加速時(shí)之最大驅(qū)動(dòng)扭矩 w ：馬達(dá)之角加速度 J ：馬達(dá)所負(fù)荷之總慣性矩 馬達(dá)之慣性矩 1輪一之慣性矩 2輪二之慣性矩 38 桿軸之慣性矩 動(dòng)部 (螺帽、工作臺(tái) )之慣矩 軸器之慣性矩 W ：總荷重 (工作臺(tái)加工作物的重量 ) l ：導(dǎo)程 g ：重力加速度 圓筒體 (滾珠螺桿、齒輪等 )之慣矩之計(jì)算 24 s g ( 242 84 g (r ：材料之比重量。 (鋼材的比重量 33