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          深圳市賽瑪爾科技有限公司

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          直線模組(滾珠絲桿與梯形絲桿的區別)
          來源: | 作者:saimaer | 發布時間: 2021-05-12 | 240 次瀏覽 | 分享到:
          在機械設計中,我們經常用到滾珠絲杠和梯形絲杠,它們是兩種常用的,將旋轉運動變為直線運動的方法。

          其中,滾珠絲杠因為摩擦小,可逆,還可將直線運動,變成旋轉運動,我們稱這種傳動為逆效率傳動。

          那么,這兩者有什么區別?什么時候用滾珠絲杠?什么時候用梯形絲杠?

          如何根據精度,速度,載荷等要求,選擇滾珠絲杠(或者梯形絲杠)和電機?

          常用的兩端支撐結構形式是什么?(固定-支撐)

          長行程時,螺母解耦的結構設計是什么樣子?

          今天,我結合自己的設計經歷,來說一下這些問題,算是對這部分的一個小結,如有不恰當的地方,歡迎指正。

          大致從如下的10個方面來說明。

          1.結構不同


          首先,我們來看看結構,因為結構決定特性。

          滾珠絲杠,從字面上也很好理解,就是用滾珠來滾動,滾珠在哪里滾動,當然是在滾珠絲杠軸上滾動。

          所以,絲杠軸上有圓弧輪廓,此輪廓在軸上按照一定的升角(導程角)盤旋在軸上。

          而滾球被設計在螺母里,在絲杠軸圓弧輪廓里滾動,所以是滾動摩擦。

          其運動原理,就是螺旋副,簡單理解,就是類似于擰螺釘,我們知道,擰螺釘時,如果在螺釘端部限制螺釘移動,那么被螺紋嵌入部件,就會沿著螺釘軸

          線移動。

          滾珠絲杠,也是同樣的道理,把絲杠軸一端或者兩端沿軸向固定,用馬達驅動絲杠旋轉,那么,帶鋼球的螺母,就會沿絲杠軸線方向運動。

          梯形絲杠和滾珠絲杠的運動原理相同,不同之處在于,梯形絲杠里沒有滾珠,那么螺母和絲杠軸之間的運動,完全靠機械接觸產生滑動,是滑動摩擦,所

          以梯形絲杠也叫滑動絲杠。

          所以兩者的結構區別,用一句話概括就是: 滾珠絲杠是滾動摩擦,梯形絲杠是滑動摩擦。

          2.傳動效率不同


          很顯然,滾動摩擦的摩擦系數遠遠低于滑動摩擦系數。

          比如,NSK和THK都顯示,滾珠絲杠的摩擦系數在0.003到0.01之間,而梯形絲杠的摩擦系數在0.1到0.2之間。

          再比如,REXROTH顯示,滾珠絲杠的摩擦系數在0.005到0.01之間,而梯形絲杠的摩擦系數在0.2到0.3之間。

          這也是為什么大多數滾珠絲杠的傳動效率高達90%,有的甚至達到95%以上,而大多數梯形絲杠的傳動效率低于70%。

          比如,知名的絲杠供應商Thomson linear顯示,滾珠絲杠的傳動效率在85%-95%之間,而梯形絲杠的傳動效率在30%-70%之間。

          而另一家供應商Helix linear則顯示,其梯形絲杠的傳動效率在15%-85%之間。

          梯形絲杠的傳動效率低下,從能量的角度來看,是因為滑動摩擦,特別是高速運動,產生了大量的熱,如果絲杠或者螺母受不了,就會“燒著了”,所以

          ,梯形絲杠不太適合高速運行要求,其最高轉速一般不超過3000RPM。

          而滾珠絲杠,因為是滾動摩擦,所以沒有那么多熱量產生,速度可以達到很高,比如10000RPM。

          但是,兩種絲杠,由外部負荷引起的摩擦扭矩,計算公式一樣,都是Ta=Fa*L/2πη,Fa表示由外部負荷產生的軸向力,L表示導程,η表示效率。

          這個公式用功和能量原理很好理解,因為公式可以寫成Ta*2πη=Fa*L,很明顯,左邊表示轉一圈時,扭矩的有效功,右邊表示克服載荷移動一個導程,

          需要的能量。

          所以,在導程相同的情況下,就扭矩計算而言,選擇的主要區別就在于效率。

          因為滾珠絲杠的效率是梯形絲杠的2-4倍,所以一般而言,用同樣的導程,來驅動相同的負載時,滾珠絲杠更有優勢。

          3.自鎖性不同

          理論顯示,當絲杠傳動效率大于50%時,沒有自鎖性,當傳動效率小于35%時才有自鎖性。

          所以,滾珠絲杠沒有自鎖性,而梯形絲杠有一定的自鎖性。

          所以,就Z向應用來說,梯形絲杠有自鎖的優勢,當然,實際情況,還需要考慮精度速度等因素。

          如果將滾珠絲杠,應用于豎直方向,則需要考慮斷電時,無法自鎖,需要加額外的結構或者器件,來保證停電時,絲杠螺母停留在原來的位置,而不會滑

          落下來,這對安全起著重要的作用。

          現在很多電機自帶剎車模塊,就是斷電時,可以抱住電機軸,不讓它旋轉,起到保護作用,當然,剎車能提供的扭矩是有限的,可以根據需要選擇合適的

          型號。

          4.制作材料不同

          滾珠絲杠軸一般是用不銹鋼或者合金鋼,而螺母一般用銅制,因為銅可以承受較大的載荷,同時摩擦系數小,有一定的自潤滑作用,正如我們常見的一些

          直線軸承,或者平面滑板,也用銅,正是這個原因。

          梯形絲杠軸也用不銹鋼或者合金鋼。而對于螺母,則和滾珠絲杠有一點不同,很多時候,梯形絲杠螺母會使用非金屬材料。


          梯形絲杠螺母的制作材料
          比如低載荷時,一般用低摩擦系數,耐高溫的合成工程材料,如在尼龍,賽鋼,PEEK,VESPEL,PET,PPS等材料中,混入特富龍(PTFE),來實現低摩擦系

          數,同時有一定的耐熱性能。

          很多時候,PEEK材料本身就被用來做動態接合面的密封,而PTFE和尼龍也經常被用來做涂層,起到潤滑的作用,比如上一篇文章《機械設計中,重力平衡

          有哪些方法?》中提到的鋼繩氣缸,鋼繩上就有尼龍涂層,達到降低摩擦的作用。


          Turcite A和Turcite X屬性對比
          再比如,我們常用的用來做螺母的熱塑性材料,有Turcite A和Turcite X,這是兩種耐磨,自潤滑材料。

          數據顯示,Turcite A,抗拉強度為52.4Mpa,抗彎強度75.84Mpa,抗壓強度89.63Mpa,這些強度都高于Turcite X(三種強度值分別為40.68Mpa,55.16Mpa

          ,82.74Mpa),而且其PV值僅有7500psi-fpm,大約是TurciteX的一半,所以它用于中度至重負荷,而且適用于中度速度。同時,Turcite A比Turcite X有

          較高的耐磨性,顏色為藍色,通常是圓棒材料。

          而Turcite X比Turcite A有更低的滑動摩擦系數,摩擦系數為0.22(Turcite A為0.3),而且,其極限PV值為Turcite A的兩倍多,達到16000psi-fpm,

          但是其抗拉強度和抗彎曲強度都比Turcite X低,所以適用于輕載荷,高速度的應用,其顏色為紅色。

          當然,高載荷時,梯形絲杠也用銅做螺母。

          為什么降低摩擦在這里變得如此重要?

          因為梯形絲杠有PV(PressureVelocity)極限的問題,也就是說載荷一定時,速度有限制,如果載荷偏大,那么速度需要變得低一點,載荷小速度可以高

          些。

          因為對于特定材料,摩擦產生熱量,如果這個熱量的耗散速度太低,跟不上熱量的產生速度,那么就會導致材料永久變形,通俗理解就是“燒著了”。

          5. 制造方法及最終精度不同


          絲杠的制造方法
          滾珠絲杠一般有兩種加工方法,一種是研磨,一種是扎制。

          研磨也就是精磨。

          扎制,是一種冷加工方法,簡單理解就是滾壓出來的,就是用一種帶有絲杠輪廓的工具,從待加工的軸上滾過去,形成需要的表面形狀。

          這個有點像搟面,用搟面杖搟面,把面擠壓成需要的形狀和厚度。

          另外,磨制屬于精確制造,軋制屬于批量制造,后者的生產效率遠遠高于前者,但是后者的制造設備成本也遠遠高于前者。

          所以說,磨制絲杠的進入門檻較低,軋制生產的進入門檻較高,能生產軋制絲杠的廠家一般也能生產磨制絲杠,而能生產磨制絲杠的廠家不一定能生產軋

          制絲杠。

          所以,同精度產品,如果可以買到軋制品就不要買磨制品,原因很簡單,軋制便宜。

          另外說明一點,軋制和磨制僅指絲杠軸,金屬螺母全是磨削制造。

          當然,兩種方法加工出的精度,以及加工成本是不一樣的。

          還有一點,需要先說明的是,我們平常所說的精度,指的是導程精度,就是導程會存在誤差,不是理想的那樣一直不變。

          比如理想導程是5mm,連續測量5次相鄰導程,實際導程可能是4.998,4.997,5.000,5.002,4.999。

          這種誤差會累積,就會引起定位誤差,我們在根據定位精度選擇導程精度時,就需要從導程精度表中去查詢。



          滾珠絲杠和梯形絲杠的導程精度2
          導程精度,按從高到低分成8個等級,分別是C0,C1,C2,C3,C5,C7,C8,C10。

          目前,軋制滾珠絲杠能實現的普遍精度是C7(±50um/300mm),C8(±100um/300mm),C10(±210um/300mm)。

          括號里的數值,指的是每300mm有效螺紋長度,可能累積的誤差,比如C7,每300mm可能累積±50um的誤差,如果螺紋有效長度是600mm,那么可能累積的

          誤差變為±100um。

          C8和C10的精度等級也可以做同樣的推算。

          而C0-C5屬于研磨級絲杠,研磨滾珠絲杠的最高精度,可以達到C0級,也就是±3um/100mm,即使是低級別C5的滾珠絲杠,也可以達到±18um/100mm的精度

          。

          需要注意的是,研磨滾珠絲杠的精度,不能做扎制滾珠絲杠一樣的推演,因為研磨絲杠的精度高,內涵更廣泛(感興趣的,可以去了解一下)。

          比如,對于C5等級,螺紋有效長度在100mm以內時,可以實現的精度是±18um。而當螺紋有效長度變為200mm,400mm時,可以實現的精度分別是±20um,

          ±25um,而不是±36um,±72um。

          好了,到這里,滾珠絲杠說得差不多了,接下來我們說說梯形絲杠。

          梯形絲杠有滾壓,切削和研磨三種制造方法。

          滾壓比切削更好,因為滾壓可以得到更硬的表面,且具有優越的表面光潔度。

          但是,就精度來說,研磨可以獲得最高精度,切削其次,滾壓獲得的精度最低。

          例如,Thomson顯示,滾壓梯形絲杠可以達到的精度是±75um/300mm,這個值介于扎制滾珠絲杠精度C7-C8之間。

          如果要獲得更高的精度,那么就需要研磨,研磨可以達到±7.5um/300mm的精度,但是其成本也將成10倍以上的增長。

          再比如,Helix顯示,其研磨梯形絲杠能達到的精度是±12.5um/300mm,而銑削可以達到的精度是±50um/300mm,滾壓只能實現±90um/300mm的精度。

          綜合來看,滾珠絲杠的精度高于梯形絲杠,所以一般對精度要求高的應用,滾珠絲杠是首選。

          6.軸向間隙及預壓方式不同


          滾珠絲杠和梯形絲杠的軸向間隙
          軸向間隙,也是選取絲杠時,需要考慮的一個非常重要的因素,因為間隙的存在會導致返程誤差,這直接影響了反向運行時的精度。

          滾珠絲杠按照間隙的不同,分成不同的等級。

          例如,THK分成G0(0及預緊),G1(0-0.005),GT(0-0.01),G2(0-0.02),G3(0-0.05)共5個等級,軸向間隙依次增大。

          NSK也分成5個等級,分別是Z(0及預緊),T(0-0.005),S(0-0.02),N(0-0.05),L(0-0.3),括號中的數值表示軸向間隙的范圍,單位是毫米。

          對于梯形絲杠,Thomson顯示,軸向間隙在0.02mm-0.25mm之間。

          為了消除螺母和絲杠軸之間的軸向間隙,提高傳動精度,滾珠絲杠和梯形絲杠都可以增加預壓。

          但是,兩者的預壓方式有所不同。


          滾珠絲杠和梯形絲杠的預壓方式
          例如,THK和NSK滾珠絲杠,對于單螺母,使用螺母相位差,而對于雙螺母,則使用預壓墊片,或者使用彈簧片做預壓。

          使用相位差來實現預壓,也就是在螺母中,改變中央溝槽的螺距,使得溝槽兩側的鋼球處于繃緊狀態,達到預壓的目的。

          使用相位差和墊片都是定位預壓方式,而使用彈簧片預壓是屬于定壓預壓方式。

          理論上,滾珠絲杠預壓量設定為外部負荷的1/3,就可以達到無間隙傳動,但是那樣,預壓偏高,減小了使用壽命,所以,實際使用時,最大預壓量設定

          為額定動載荷的10%,例如半導體設備上,一般使用的預壓量是1%-4%。

          而梯形絲杠,一般使用壓簧做預壓,彈簧向絲杠軸兩個方向張緊其兩側的螺母,使得螺母完全接觸絲杠軸。

          當然,彈簧做預壓的缺點很明顯,就是軸向剛性差,如果要增大剛性,就需要增大預壓,也就是說要增加彈簧力,這會使得磨損加劇,并且摩擦扭矩變大

          ,絲杠壽命縮短。

          所以,現在有另外一種預壓方法,叫主動凸輪預壓法。這個方法,不直接用壓簧在軸向做預壓,而改用扭簧配合端部凸輪。

          扭簧扭轉,驅動扭簧兩側的梯形絲杠螺母旋轉,使得其端部輪廓接觸凸輪輪廓,在消除間隙的同時,保證了較大的軸向剛性。

          因為這里使用了楔塊理論,在軸向施加力來讓扭簧旋轉,需要的力是非常大的。

          綜合來說,軸向間隙當然是滾珠絲杠更小,而預壓方式也是滾珠絲杠更多,因為梯形絲杠目前的預壓方式,都屬于定壓預壓法,而滾珠絲杠是定位預壓和

          定壓預壓兩種。

          7.計算方法有所不同


          滾珠絲杠精度等級及軸向間隙選擇依據

          滾珠絲杠及驅動電機力矩計算公式
          滾珠絲杠在計算時,需要考慮系統需要的精度,速度,載荷等基本條件。

          定位精度的要求,決定了導程精度的選擇。比如行程700mm,±0.05/700mm的定位精度要求。那么假定螺紋有效長度800mm(需要考慮螺母長度和行程余量

          ,所以大于700mm),則選擇C5精度,因為C5精度在800mm內的誤差控制在±35um以內,小于±50um,在要求以內,剩下的±15um誤差,分配給系統剛度和

          控制誤差。

          運行速度V(mm/min)和滾珠絲杠的導程L(mm)及馬達轉速n(r/min)有關,L=V/n。高速要求時,可以適當加大導程,但是導程的加大會要求更大的馬

          達驅動力矩(Ta=Fa*L/2πη),所以需要綜合考慮。

          選擇滾珠絲杠時,根據載荷確定需要的扭矩及電機,是最花時間的一塊。

          滾珠絲杠計算扭矩時,分為等速扭矩T1,和加速扭矩T2。

          其中等速扭矩:T1=(Ta+Tpmax+Tu)/i。i=絲杠側齒數N2/馬達側齒數N1,表示減速比。

          Ta=Fa*L/2πη: 表示勻速時的驅動力矩。

          Tpmax=0.05(tanβ)^-0.5*Fa0*L/2π(基準力矩)+Δ:表示預緊滾珠絲杠的最大動摩擦力矩,β表示螺紋升角,Fa0表示預緊力。Δ表示力矩變動率的

          上許可范圍,可以在計算了基準力矩的基礎之上,查表求得。當然,Tpmax也可以在具體的絲杠型號參數表中查得。

          Tu:支撐軸承的摩擦力矩,可以在軸承參數表中查得。

          而加速扭矩:T2=T1+Jα。

          J=JM+JG1+(JG2+JS+m*(L/2π)^2)/i^2:表示對電機的轉動慣量。

          JM: 電機的轉動慣量。

          JG1: 馬達側齒輪的轉動慣量。

          JG2: 絲杠側齒輪的轉動慣量。

          JS: 絲杠軸的轉動慣量。

          m: 移動物體總質量。

          α:馬達的角加速度。

          而梯形絲杠一般只需要一個公式就夠了,T1=FP/2πη,因為梯形絲杠適用于低速的應用,不存在高速往返,高加減速等問題,當然也需要結合實際要求

          做計算,并給定一定的余量。

          8. 螺母解耦的結構設計

          當絲杠較長,螺母受到軸向偏轉力矩,或者螺母受到軸向載荷時,絲杠軸傾斜或者沿徑向變形,會引起受力不均,可能出現卡頓,振動,導致磨損加劇,

          影響精度。

          這時,需要從螺母連接結構上進行解耦,以保證絲杠螺母運行到行程內的任何位置時,絲杠不卡,運行平穩,這有利于延長絲杠的壽命。

          那么,結構上應該包含什么主要的特征,才能實現?

          目前,我知道的有2種結構,雖然外形不同,但是實質是都一樣。

          核心都在于,在螺母和被連接件之間,有一個十字滑塊件,用來吸收由于螺母的位置變化(假設是垂直于XY方向的運動),引起的XY方向上位置變化。

          當然這個滑動量一般不大,設計時單邊留1.5mm就足夠了,設計概念如下圖。


          絲杠螺母解耦結構
          螺母解耦結構1的優點是,設計緊湊,占用空間小,缺點是裝配和拆卸麻煩一點,因為需要先把綠色和藍色工件從軸端套進去。拆卸時,也得松開軸端。

          而解耦結構2的優點是拆卸和裝配簡單一些,沒有結構1的拆裝問題,因為可以在裝配了絲杠后再裝配,拆卸時也可以直接拆卸,而不必取下軸端支持軸承

          。但是缺點就是占用了軸向太多的空間,同樣長度絲杠縮短了行程。

          另外,結構1那個綠色滑動件可用Turcite X紅膠材料,因為耐磨且摩擦系數是0.2。結構2綠色件可以用鋁或者鋼,因為其里面需要安裝滑套。

          9. 應用場合的區別

          梯形絲杠,是滑動摩擦,過高的速度將在結合面上產生高熱量,導致磨損加劇。

          所以,梯形絲杠,適合用于重量較輕,速度要求不高的應用中。

          同時,梯形絲杠,因為精度低些,所以往往更適合于對精度要求不高的應用,比如慢速轉移,搬運等。

          而滾珠絲杠,發熱小,精度高,通常更適合要求平穩運動,高效率,高精度,以及長時間連續或高速運動的應用,比如半導體設備。







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