滚珠丝杆和梯形丝杆有什么差异？各运用于什么场合？怎么选用？

　　我便是由于没留意气候改动，年前年后都感冒了一次，现在都还有点咳嗽，不过定心，我不是冠状病毒，你也不用逃避我这些文字。

　　在机械规划中，咱们常常用到滚珠丝杠和梯形丝杠，它们是两种常用的，将旋转运动变为直线运动的办法。

　　其间，滚珠丝杠由于冲突小，可逆，还可将直线运动，变成旋转运动，咱们称这种传动为逆功率传动。

　　今日，我结合自己的规划阅历，来说一下这些问题，算是对这部分的一个小结，如有不恰当的当地，欢迎纠正。

　　滚珠丝杠，从字面上也很好了解，便是用滚珠来翻滚，滚珠在哪里翻滚，当然是在滚珠丝杠轴上翻滚。

　　所以，丝杠轴上有圆弧归纳，此归纳在轴上依照必定的升角（导程角）回旋改变在轴上。

　　其运动原理，便是螺旋副，简略了解，便是类似于拧螺钉，咱们知道，拧螺钉时，假如在螺钉端部约束螺钉移动，那么被螺纹嵌入部件，就会沿着螺钉轴线移动。

　　滚珠丝杠，也是相同的道理，把丝杠轴一端或许两头沿轴向固定，用马达驱动丝杠旋转，那么，带钢球的螺母，就会沿丝杠轴线方向运动。

　　梯形丝杠和滚珠丝杠的运动原理相同，不同之处在于，梯形丝杠里没有滚珠，那么螺母和丝杠轴之间的运动，彻底赖机械触摸发生滑动，是滑动冲突，所以梯形丝杠也叫滑动丝杠。

　　所以两者的结构差异，用一句话归纳便是:滚珠丝杠是翻滚冲突，梯形丝杠是滑动冲突。

　　比方，NSK和THK都显现，滚珠丝杠的冲突系数在0.003到0.01之间，而梯形丝杠的冲突系数在0.1到0.2之间。

　　再比方，REXROTH显现，滚珠丝杠的冲突系数在0.005到0.01之间，而梯形丝杠的冲突系数在0.2到0.3之间。

　　这也是为什么大多数滚珠丝杠的传动功率高达90%，有的乃至到达95%以上，而大多数梯形丝杠的传动功率低于70%。

　　比方，闻名的丝杠供货商Thomson linear显现，滚珠丝杠的传动功率在85%-95%之间，而梯形丝杠的传动功率在30%-70%之间。

　　而另一家供货商Helix linear则显现，其梯形丝杠的传动功率在15%-85%之间。

　　梯形丝杠的传动功率低下，从能量的视点来看，是由于滑动冲突，特别是高速运动，发生了许多的热，假如丝杠或许螺母受不了，就会“烧着了”，所以，梯形丝杠不太适宜高速运转要求，其最高转速一般不超越3000RPM。

　　而滚珠丝杠，由于是翻滚冲突，所以没有那么多热量发生，速度能够到达很高，比方10000RPM。

　　可是，两种丝杠，由外部负荷引起的冲突扭矩，核算公式相同，都是Ta=Fa*L/2πη，Fa表明由外部负荷发生的轴向力，L表明导程，η表明功率。

　　这个公式刻苦和能量原理很好了解，由于公式能够写成Ta*2πη=Fa*L，很明显，左面表明转一圈时，扭矩的有用功，右边表明战胜载荷移动一个导程，需求的能量。

　　由于滚珠丝杠的功率是梯形丝杠的2-4倍，所以一般来说，用相同的导程，来驱动相同的负载时，滚珠丝杠更有优势。

　　理论显现，当丝杠传动功率大于50%时，没有自锁性，当传动功率小于35%时才有自锁性。

　　所以，就Z向运用来说，梯形丝杠有自锁的优势，当然，实践情况，还需求考虑精度速度等要素。

　　假如将滚珠丝杠，运用于竖直方向，则需求考虑断电时，无法自锁，需求加额外的结构或许器材，来确保停电时，丝杠螺母停留在本来的方位，而不会滑落下来，这对安全起着重要的效果。

　　现在许多电机自带刹车模块，便是断电时，能够抱住电机轴，不让它旋转，起到维护效果，当然，刹车能供给的扭矩是有限的，能够依据需求挑选适宜的类型。

　　滚珠丝杠轴一般是用不锈钢或许合金钢，而螺母一般用铜制，由于铜能够接受较大的载荷，一起冲突系数小，有必定的自光滑效果，正如咱们常见的一些直线轴承，或许平面滑板，也用铜，正是这个原因。

　　梯形丝杠轴也用不锈钢或许合金钢。而关于螺母，则和滚珠丝杠有一点不同，许多时分，梯形丝杠螺母会运用非金属资料。

　　比方低载荷时，一般用低冲突系数，耐高温的组成工程资料，如在尼龙，赛钢，PEEK，VESPEL，PET，PPS等资猜中，混入特富龙(PTFE)，来完成低冲突系数，一起有必定的耐热功能。

　　许多时分，PEEK资料自身就被用来做动态接合面的密封，而PTFE和尼龙也常常被用来做涂层，起到光滑的效果，比方上一篇文章《机械规划中，重力平衡有哪些办法？》中说到的钢绳气缸，钢绳上就有尼龙涂层，到达下降冲突的效果。

　　再比方，咱们常用的用来做螺母的热塑性资料，有Turcite A和Turcite X，这是两种耐磨，自光滑资料。

　　而Turcite X比Turcite A有更低的滑动冲突系数，冲突系数为0.22（Turcite A为0.3），而且，其极限PV值为Turcite A的两倍多，到达16000psi-fpm，可是其抗拉强度和抗曲折强度都比Turcite X低，所以适用于轻载荷，高速度的运用，其色彩为赤色。

　　由于梯形丝杠有PV（Pressure Velocity）极限的问题，也便是说载荷必守时，速度有约束，假如载荷偏大，那么速度需求变得低一点，载荷小速度能够高些。

　　由于关于特定资料，冲突发生热量，假如这个热量的耗散速度太低，跟不上热量的发生速度，那么就会导致资料永久变形，浅显了解便是“烧着了”。

　　扎制，是一种冷加工办法，简略了解便是滚压出来的，便是用一种带有丝杠归纳的东西，从待加工的轴上滚曩昔，构成需求的外表形状。

　　别的，磨制归于准确制作，轧制归于批量制作，后者的出产功率远远高于前者，可是后者的制作设备本钱也远远高于前者。

　　所以说，磨制丝杠的进入门槛较低，轧制出产的进入门槛较高，能出产轧制丝杠的厂家一般也能出产磨制丝杠，而能出产磨制丝杠的厂家不用定能出产轧制丝杠。

　　所以，同精度产品，假如能够买到轧制品就不要买磨制品，原因很简略，轧制廉价。

　　还有一点，需求先阐明的是，咱们往常所说的精度，指的是导程精度，便是导程会存在差错，不是抱负的那样一向不变。

　　比方抱负导程是5mm，接连丈量5次相邻导程，实践导程或许是4.998，4.997，5.000，5.002，4.999。

　　这种差错会累积，就会引起定位差错，咱们在依据定位精度挑选导程精度时，就需求从导程精度表中去查询。

　　导程精度，按从高到低分红8个等级，分别是C0，C1，C2，C3，C5，C7，C8，C10。

　　括号里的数值，指的是每300mm有用螺纹长度，或许累积的差错，比方C7，每300mm或许累积±50um的差错，假如螺纹有用长度是600mm，那么或许累积的差错变为±100um。

　　而C0-C5归于研磨级丝杠，研磨滚珠丝杠的最高精度，能够到达C0级，也便是±3um/100mm，即使是低等级C5的滚珠丝杠，也能够到达±18um/100mm的精度。

　　需求留意的是，研磨滚珠丝杠的精度，不能做扎制滚珠丝杠相同的推演，由于研磨丝杠的精度高，内在更广泛(感兴趣的，能够去了解一下)。

　　比方，关于C5等级，螺纹有用长度在100mm以内时，能够完成的精度是±18um。而当螺纹有用长度变为200mm，400mm时，能够完成的精度分别是±20um，±25um，而不是±36um，±72um。

　　例如，Thomson显现，滚压梯形丝杠能够到达的精度是±75um/300mm，这个值介于扎制滚珠丝杠精度C7-C8之间。

　　假如要取得更高的精度，那么就需求研磨，研磨能够到达±7.5um/300mm的精度，可是其本钱也将成10倍以上的添加。

　　再比方，Helix显现，其研磨梯形丝杠能到达的精度是±12.5um/300mm，而铣削能够到达的精度是±50um/300mm，滚压只能完成±90um/300mm的精度。

　　归纳来看，滚珠丝杠的精度高于梯形丝杠，所以一般对精度要求高的运用，滚珠丝杠是首选。

　　轴向空隙，也是选取丝杠时，需求考虑的一个非常重要的要素，由于空隙的存在会导致返程差错，这直接影响了反向运转时的精度。

　　为了消除螺母和丝杠轴之间的轴向空隙，进步传动精度，滚珠丝杠和梯形丝杠都能够添加预压。

　　例如，THK和NSK滚珠丝杠，关于单螺母，运用螺母相位差，而关于双螺母，则运用预压垫片，或许运用绷簧片做预压。

　　运用相位差来完成预压，也便是在螺母中，改动中心沟槽的螺距，使得沟槽两边的钢球处于绷紧状况，到达预压的意图。

　　理论上，滚珠丝杠预压量设定为外部负荷的1/3，就能够到达无空隙传动，可是那样，预压偏高，减小了运用寿数，所以，实践运用时，最大预压量设定为额外动载荷的10%，例如半导体设备上，一般运用的预压量是1%－4%。

　　而梯形丝杠，一般运用压簧做预压，绷簧向丝杠轴两个方向张紧其两边的螺母，使得螺母彻底触摸丝杠轴。

　　当然，绷簧做预压的缺陷很明显，便是轴向刚性差，假如要增大刚性，就需求增大预压，也便是说要添加绷簧力，这会使得磨损加重，而且冲突扭矩变大，丝杠寿数缩短。

　　所以，现在有别的一种预压办法，叫自动凸轮预压法。这个办法，不直接用压簧在轴向做预压，而改用扭簧合作端部凸轮。

　　扭簧改变，驱动扭簧两边的梯形丝杠螺母旋转，使得其端部归纳触摸凸轮归纳，在消除空隙的一起，确保了较大的轴向刚性。

　　归纳来说，轴向空隙当然是滚珠丝杠更小，而预压方法也是滚珠丝杠更多，由于梯形丝杠现在的预压方法，都归于定压预压法，而滚珠丝杠是定位预压和定压预压两种。

　　定位精度的要求，决议了导程精度的挑选。比方行程700mm，±0.05/700mm的定位精度要求。那么假定螺纹有用长度800mm（需求考虑螺母长度和行程余量，所以大于700mm），则挑选C5精度，由于C5精度在800mm内的差错操控在±35um以内，小于±50um，在要求以内，剩余的±15um差错，分配给体系刚度和操控差错。

　　运转速度V（mm/min）和滚珠丝杠的导程L（mm）及马达转速n（r/min）有关，L=V/n。高速要求时，能够恰当加大导程，可是导程的加大会要求更大的马达驱动力矩（Ta=Fa*L/2πη），所以需求归纳考虑。

　　其间等速扭矩：T1=（Ta+Tpmax+Tu）/i。i=丝杠侧齿数N2/马达侧齿数N1，表明减速比。

　　Tpmax＝0.05(tanβ)^-0.5*Fa0*L/2π（基准力矩）＋Δ：表明预紧滚珠丝杠的最大动冲突力矩，β表明螺纹升角，Fa0表明预紧力。Δ表明力矩改变率的上答应规模，能够在核算了基准力矩的根底之上，查表求得。当然，Tpmax也能够在详细的丝杠类型参数表中查得。

　　而梯形丝杠一般只需求一个公式就够了，T1=FP/2πη，由于梯形丝杠适用于低速的运用，不存在高速往复，高加减速等问题，当然也需求结合实践要求做核算，并给定必定的余量。

　　当丝杠较长，螺母遭到轴向偏转力矩，或许螺母遭到轴向载荷时，丝杠轴歪斜或许沿径向变形，会引起受力不均，或许呈现卡顿，振荡，导致磨损加重，影响精度。

　　这时，需求从螺母衔接结构上进行解耦，以确保丝杠螺母运转到行程内的任何方位时，丝杠不卡，运转平稳，这有利于延伸丝杠的寿数。

　　中心都在于，在螺母和被衔接件之间，有一个十字滑块件，用来吸收由于螺母的方位改动（假设是垂直于XY方向的运动），引起的XY方向上方位改动。

　　当然这个滑动量一般不大，规划时单边留1.5mm就足够了，规划概念如下图。

　　螺母解耦结构1的长处是，规划紧凑，占用空间小，缺陷是装置和拆开费事一点，由于需求先把绿色和蓝色工件从轴端套进去。拆开时，也得松开轴端。

　　而解耦结构2的长处是拆开和装置简略一些，没有结构1的拆装问题，由于能够在装置了丝杠后再装置，拆开时也能够直接拆开，而不用取下轴端支撑轴承。可是缺陷便是占用了轴向太多的空间，相同长度丝杠缩短了行程。

　　别的，结构1那个绿色滑动件可用Turcite X红胶资料，由于耐磨且冲突系数是0.2。结构2绿色件能够用铝或许钢，由于其里边需求装置滑套。

　　一起，梯形丝杠，由于精度低些，所以往往更适宜于对精度要求不高的运用，比方慢速转移，转移等。

　　而滚珠丝杠，发热小，精度高，一般更适宜要求平稳运动，高功率，高精度，以及长期接连或高速运动的运用，比方半导体设备。

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