滾珠絲桿和梯形絲桿有什么區(qū)別?各應(yīng)用于什么場(chǎng)合?
發(fā)布者:暢馨精工 發(fā)布時(shí)間:2023-6-30 9:49:14
在機(jī)械設(shè)計(jì)中,我們經(jīng)常用到滾珠絲桿和梯形絲桿,它們是兩種常用的,將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的方法。
其中,滾珠絲桿因?yàn)槟Σ列?,可逆,還可將直線運(yùn)動(dòng),變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),我們稱這種傳動(dòng)為逆效率傳動(dòng)。
那么,這兩者有什么區(qū)別?什么時(shí)候用滾珠絲桿?什么時(shí)候用梯形絲桿?
1.結(jié)構(gòu)不同
首先,我們來(lái)看看結(jié)構(gòu),因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)決定特性。
滾珠絲桿,從字面上也很好理解,就是用滾珠來(lái)滾動(dòng),滾珠在哪里滾動(dòng),當(dāng)然是在滾珠絲桿軸上滾動(dòng)。
所以,絲桿軸上有圓弧輪廓,此輪廓在軸上按照一定的升角(導(dǎo)程角)盤旋在軸上。
而滾球被設(shè)計(jì)在螺母里,在絲桿軸圓弧輪廓里滾動(dòng),所以是滾動(dòng)摩擦。
其運(yùn)動(dòng)原理,就是螺旋副,簡(jiǎn)單理解,就是類似于擰螺釘,我們知道,擰螺釘時(shí),如果在螺釘端部限制螺釘移動(dòng),那么被螺紋嵌入部件,就會(huì)沿著螺釘軸線移動(dòng)。
滾珠絲桿,也是同樣的道理,把絲桿軸一端或者兩端沿軸向固定,用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn),那么,帶鋼球的螺母,就會(huì)沿絲桿軸線方向運(yùn)動(dòng)。
梯形絲桿和滾珠絲桿的運(yùn)動(dòng)原理相同,不同之處在于,梯形絲桿里沒(méi)有滾珠,那么螺母和絲桿軸之間的運(yùn)動(dòng),完全靠機(jī)械接觸產(chǎn)生滑動(dòng),是滑動(dòng)摩擦,所以梯形絲桿也叫滑動(dòng)絲桿。
所以兩者的結(jié)構(gòu)區(qū)別,用一句話概括就是: 滾珠絲桿是滾動(dòng)摩擦,梯形絲桿是滑動(dòng)摩擦。
2.傳動(dòng)效率不同
很顯然,滾動(dòng)摩擦的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滑動(dòng)摩擦系數(shù)。
比如,NSK和THK都顯示,滾珠絲桿的摩擦系數(shù)在0.003到0.01之間,而梯形絲桿的摩擦系數(shù)在0.1到0.2之間。
再比如,REXROTH顯示,滾珠絲桿的摩擦系數(shù)在0.005到0.01之間,而梯形絲桿的摩擦系數(shù)在0.2到0.3之間。
這也是為什么大多數(shù)滾珠絲桿的傳動(dòng)效率高達(dá)90%,有的甚至達(dá)到95%以上,而大多數(shù)梯形絲桿的傳動(dòng)效率低于70%。
比如,知名的絲桿供應(yīng)商Thomson linear顯示,滾珠絲桿的傳動(dòng)效率在85%-95%之間,而梯形絲桿的傳動(dòng)效率在30%-70%之間。
而另一家供應(yīng)商Helix linear則顯示,其梯形絲桿的傳動(dòng)效率在15%-85%之間。
梯形絲桿的傳動(dòng)效率低下,從能量的角度來(lái)看,是因?yàn)榛瑒?dòng)摩擦,特別是高速運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生了大量的熱,如果絲桿或者螺母受不了,就會(huì)“燒著了”,所以,梯形絲桿不太適合高速運(yùn)行要求,其最高轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)3000RPM。
而滾珠絲桿,因?yàn)槭菨L動(dòng)摩擦,所以沒(méi)有那么多熱量產(chǎn)生,速度可以達(dá)到很高,比如10000RPM。
但是,兩種絲桿,由外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩,計(jì)算公式一樣,都是Ta=Fa*L/2πη,F(xiàn)a表示由外部負(fù)荷產(chǎn)生的軸向力,L表示導(dǎo)程,η表示效率。
這個(gè)公式用功和能量原理很好理解,因?yàn)楣娇梢詫懗蒚a*2πη=Fa*L,很明顯,左邊表示轉(zhuǎn)一圈時(shí),扭矩的有效功,右邊表示克服載荷移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程,需要的能量。
所以,在導(dǎo)程相同的情況下,就扭矩計(jì)算而言,選擇的主要區(qū)別就在于效率。
因?yàn)闈L珠絲桿的效率是梯形絲桿的2-4倍,所以一般而言,用同樣的導(dǎo)程,來(lái)驅(qū)動(dòng)相同的負(fù)載時(shí),滾珠絲桿更有優(yōu)勢(shì)。
3.自鎖性不同
理論顯示,當(dāng)絲桿傳動(dòng)效率大于50%時(shí),沒(méi)有自鎖性,當(dāng)傳動(dòng)效率小于35%時(shí)才有自鎖性。
所以,滾珠絲桿沒(méi)有自鎖性,而梯形絲桿有一定的自鎖性。
所以,就Z向應(yīng)用來(lái)說(shuō),梯形絲桿有自鎖的優(yōu)勢(shì),當(dāng)然,實(shí)際情況,還需要考慮精度速度等因素。
如果將滾珠絲桿,應(yīng)用于豎直方向,則需要考慮斷電時(shí),無(wú)法自鎖,需要加額外的結(jié)構(gòu)或者器件,來(lái)保證停電時(shí),絲桿螺母停留在原來(lái)的位置,而不會(huì)滑落下來(lái),這對(duì)安全起著重要的作用。
現(xiàn)在很多電機(jī)自帶剎車模塊,就是斷電時(shí),可以抱住電機(jī)軸,不讓它旋轉(zhuǎn),起到保護(hù)作用,當(dāng)然,剎車能提供的扭矩是有限的,可以根據(jù)需要選擇合適的型號(hào)。
4.制作材料不同
滾珠絲桿軸一般是用不銹鋼或者合金鋼,而螺母一般用銅制,因?yàn)殂~可以承受較大的載荷,同時(shí)摩擦系數(shù)小,有一定的自潤(rùn)滑作用,正如我們常見(jiàn)的一些直線軸承,或者平面滑板,也用銅,正是這個(gè)原因。
很多時(shí)候,PEEK材料本身就被用來(lái)做動(dòng)態(tài)接合面的密封,而PTFE和尼龍也經(jīng)常被用來(lái)做涂層,起到潤(rùn)滑的作用,比如上一篇文章《機(jī)械設(shè)計(jì)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(dá)到降低摩擦的作用。
再比如,我們常用的用來(lái)做螺母的熱塑性材料,有Turcite A和Turcite X,這是兩種耐磨,自潤(rùn)滑材料。
數(shù)據(jù)顯示,Turcite A,抗拉強(qiáng)度為52.4Mpa,抗彎強(qiáng)度75.84Mpa,抗壓強(qiáng)度89.63Mpa,這些強(qiáng)度都高于Turcite X(三種強(qiáng)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(fù)荷,而且適用于中度速度。同時(shí),Turcite A比Turcite X有較高的耐磨性,顏色為藍(lán)色,通常是圓棒材料。
而Turcite X比Turcite A有更低的滑動(dòng)摩擦系數(shù),摩擦系數(shù)為0.22(Turcite A為0.3),而且,其極限PV值為Turcite A的兩倍多,達(dá)到16000psi-fpm,但是其抗拉強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度都比Turcite X低,所以適用于輕載荷,高速度的應(yīng)用,其顏色為紅色。
當(dāng)然,高載荷時(shí),梯形絲桿也用銅做螺母。
為什么降低摩擦在這里變得如此重要?
因?yàn)樘菪谓z桿有PV(PressureVelocity)極限的問(wèn)題,也就是說(shuō)載荷一定時(shí),速度有限制,如果載荷偏大,那么速度需要變得低一點(diǎn),載荷小速度可以高些。
因?yàn)閷?duì)于特定材料,摩擦產(chǎn)生熱量,如果這個(gè)熱量的耗散速度太低,跟不上熱量的產(chǎn)生速度,那么就會(huì)導(dǎo)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
滾珠絲桿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(jiǎn)單理解就是滾壓出來(lái)的,就是用一種帶有絲桿輪廓的工具,從待加工的軸上滾過(guò)去,形成需要的表面形狀。
這個(gè)有點(diǎn)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(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者,但是后者的制造設(shè)備成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。
所以說(shuō),磨制絲桿的進(jìn)入門檻較低,軋制生產(chǎn)的進(jìn)入門檻較高,能生產(chǎn)軋制絲桿的廠家一般也能生產(chǎn)磨制絲桿,而能生產(chǎn)磨制絲桿的廠家不一定能生產(chǎn)軋制絲桿。
所以,同精度產(chǎn)品,如果可以買到軋制品就不要買磨制品,原因很簡(jiǎn)單,軋制便宜。
另外說(shuō)明一點(diǎn),軋制和磨制僅指絲桿軸,金屬螺母全是磨削制造。
當(dāng)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(diǎn),需要先說(shuō)明的是,我們平常所說(shuō)的精度,指的是導(dǎo)程精度,就是導(dǎo)程會(huì)存在誤差,不是理想的那樣一直不變。
比如理想導(dǎo)程是5mm,連續(xù)測(cè)量5次相鄰導(dǎo)程,實(shí)際導(dǎo)程可能是4.998,4.997,5.000,5.002,4.999。
這種誤差會(huì)累積,就會(huì)引起定位誤差,我們?cè)诟鶕?jù)定位精度選擇導(dǎo)程精度時(shí),就需要從導(dǎo)程精度表中去查詢。
導(dǎo)程精度,按從高到低分成8個(gè)等級(jí),分別是C0,C1,C2,C3,C5,C7,C8,C10。
目前,軋制滾珠絲桿能實(shí)現(xiàn)的普遍精度是C7(±50um/300mm),C8(±100um/300mm),C10(±210um/300mm)。
括號(hào)里的數(shù)值,指的是每300mm有效螺紋長(zhǎng)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(zhǎng)度是600mm,那么可能累積的誤差變?yōu)椤?00um。
C8和C10的精度等級(jí)也可以做同樣的推算。
而C0-C5屬于研磨級(jí)絲桿,研磨滾珠絲桿的最高精度,可以達(dá)到C0級(jí),也就是±3um/100mm,即使是低級(jí)別C5的滾珠絲桿,也可以達(dá)到±18um/100mm的精度。
需要注意的是,研磨滾珠絲桿的精度,不能做扎制滾珠絲桿一樣的推演,因?yàn)檠心ソz桿的精度高,內(nèi)涵更廣泛(感興趣的,可以去了解一下)。
比如,對(duì)于C5等級(jí),螺紋有效長(zhǎng)度在100mm以內(nèi)時(shí),可以實(shí)現(xiàn)的精度是±18um。而當(dāng)螺紋有效長(zhǎng)度變?yōu)?00mm,400mm時(shí),可以實(shí)現(xiàn)的精度分別是±20um,±25um,而不是±36um,±72um。
好了,到這里,滾珠絲桿說(shuō)得差不多了,接下來(lái)我們說(shuō)說(shuō)梯形絲桿。
梯形絲桿有滾壓,切削和研磨三種制造方法。
滾壓比切削更好,因?yàn)闈L壓可以得到更硬的表面,且具有優(yōu)越的表面光潔度。
但是,就精度來(lái)說(shuō),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,滾壓梯形絲桿可以達(dá)到的精度是±75um/300mm,這個(gè)值介于扎制滾珠絲桿精度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(dá)到±7.5um/300mm的精度,但是其成本也將成10倍以上的增長(zhǎng)。
再比如,Helix顯示,其研磨梯形絲桿能達(dá)到的精度是±12.5um/300mm,而銑削可以達(dá)到的精度是±50um/300mm,滾壓只能實(shí)現(xiàn)±90um/300mm的精度。
綜合來(lái)看,滾珠絲桿的精度高于梯形絲桿,所以一般對(duì)精度要求高的應(yīng)用,滾珠絲桿是首選。
6.軸向間隙及預(yù)壓方式不同
軸向間隙,也是選取絲桿時(shí),需要考慮的一個(gè)非常重要的因素,因?yàn)殚g隙的存在會(huì)導(dǎo)致返程誤差,這直接影響了反向運(yùn)行時(shí)的精度。
滾珠絲桿按照間隙的不同,分成不同的等級(jí)。
例如,THK分成G0(0及預(yù)緊),G1(0-0.005),GT(0-0.01),G2(0-0.02),G3(0-0.05)共5個(gè)等級(jí),軸向間隙依次增大。
NSK也分成5個(gè)等級(jí),分別是Z(0及預(yù)緊),T(0-0.005),S(0-0.02),N(0-0.05),L(0-0.3),括號(hào)中的數(shù)值表示軸向間隙的范圍,單位是毫米。
對(duì)于梯形絲桿,Thomson顯示,軸向間隙在0.02mm-0.25mm之間。
為了消除螺母和絲桿軸之間的軸向間隙,提高傳動(dòng)精度,滾珠絲桿和梯形絲桿都可以增加預(yù)壓。
但是,兩者的預(yù)壓方式有所不同。
例如,THK和NSK滾珠絲桿,對(duì)于單螺母,使用螺母相位差,而對(duì)于雙螺母,則使用預(yù)壓墊片,或者使用彈簧片做預(yù)壓。
使用相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)壓,也就是在螺母中,改變中央溝槽的螺距,使得溝槽兩側(cè)的鋼球處于繃緊狀態(tài),達(dá)到預(yù)壓的目的。
使用相位差和墊片都是定位預(yù)壓方式,而使用彈簧片預(yù)壓是屬于定壓預(yù)壓方式。
理論上,滾珠絲桿預(yù)壓量設(shè)定為外部負(fù)荷的1/3,就可以達(dá)到無(wú)間隙傳動(dòng),但是那樣,預(yù)壓偏高,減小了使用壽命,所以,實(shí)際使用時(shí),最大預(yù)壓量設(shè)定為額定動(dòng)載荷的10%,例如半導(dǎo)體設(shè)備上,一般使用的預(yù)壓量是1%-4%。
而梯形絲桿,一般使用壓簧做預(yù)壓,彈簧向絲桿軸兩個(gè)方向張緊其兩側(cè)的螺母,使得螺母完全接觸絲桿軸。
當(dāng)然,彈簧做預(yù)壓的缺點(diǎn)很明顯,就是軸向剛性差,如果要增大剛性,就需要增大預(yù)壓,也就是說(shuō)要增加彈簧力,這會(huì)使得磨損加劇,并且摩擦扭矩變大,絲桿壽命縮短。
所以,現(xiàn)在有另外一種預(yù)壓方法,叫主動(dòng)凸輪預(yù)壓法。這個(gè)方法,不直接用壓簧在軸向做預(yù)壓,而改用扭簧配合端部凸輪。
扭簧扭轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)扭簧兩側(cè)的梯形絲桿螺母旋轉(zhuǎn),使得其端部輪廓接觸凸輪輪廓,在消除間隙的同時(shí),保證了較大的軸向剛性。
因?yàn)檫@里使用了楔塊理論,在軸向施加力來(lái)讓扭簧旋轉(zhuǎn),需要的力是非常大的。
綜合來(lái)說(shuō),軸向間隙當(dāng)然是滾珠絲桿更小,而預(yù)壓方式也是滾珠絲桿更多,因?yàn)樘菪谓z桿目前的預(yù)壓方式,都屬于定壓預(yù)壓法,而滾珠絲桿是定位預(yù)壓和定壓預(yù)壓兩種。
7.計(jì)算方法有所不同
滾珠絲桿精度等級(jí)及軸向間隙選擇依據(jù)
滾珠絲桿及驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩計(jì)算公式
滾珠絲桿在計(jì)算時(shí),需要考慮系統(tǒng)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(dǎo)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(zhǎng)度800mm(需要考慮螺母長(zhǎng)度和行程余量,所以大于700mm),則選擇C5精度,因?yàn)镃5精度在800mm內(nèi)的誤差控制在±35um以內(nèi),小于±50um,在要求以內(nèi),剩下的±15um誤差,分配給系統(tǒng)剛度和控制誤差。
運(yùn)行速度V(mm/min)和滾珠絲桿的導(dǎo)程L(mm)及馬達(dá)轉(zhuǎn)速n(r/min)有關(guān),L=V/n。高速要求時(shí),可以適當(dāng)加大導(dǎo)程,但是導(dǎo)程的加大會(huì)要求更大的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩(Ta=Fa*L/2πη),所以需要綜合考慮。
選擇滾珠絲桿時(shí),根據(jù)載荷確定需要的扭矩及電機(jī),是最花時(shí)間的一塊。
滾珠絲桿計(jì)算扭矩時(shí),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=絲桿側(cè)齒數(shù)N2/馬達(dá)側(cè)齒數(shù)N1,表示減速比。
Ta=Fa*L/2πη: 表示勻速時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩。
Tpmax=0.05(tanβ)^-0.5*Fa0*L/2π(基準(zhǔn)力矩)+Δ:表示預(yù)緊滾珠絲桿的最大動(dòng)摩擦力矩,β表示螺紋升角,F(xiàn)a0表示預(yù)緊力。Δ表示力矩變動(dòng)率的上許可范圍,可以在計(jì)算了基準(zhǔn)力矩的基礎(chǔ)之上,查表求得。當(dāng)然,Tpmax也可以在具體的絲桿型號(hào)參數(shù)表中查得。
Tu:支撐軸承的摩擦力矩,可以在軸承參數(shù)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(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
JM: 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
JG1: 馬達(dá)側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
JG2: 絲桿側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
JS: 絲桿軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
m: 移動(dòng)物體總質(zhì)量。
α:馬達(dá)的角加速度。
而梯形絲桿一般只需要一個(gè)公式就夠了,T1=FP/2πη,因?yàn)樘菪谓z桿適用于低速的應(yīng)用,不存在高速往返,高加減速等問(wèn)題,當(dāng)然也需要結(jié)合實(shí)際要求做計(jì)算,并給定一定的余量。
8. 螺母解耦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
當(dāng)絲桿較長(zhǎng),螺母受到軸向偏轉(zhuǎn)力矩,或者螺母受到軸向載荷時(shí),絲桿軸傾斜或者沿徑向變形,會(huì)引起受力不均,可能出現(xiàn)卡頓,振動(dòng),導(dǎo)致磨損加劇,影響精度。
這時(shí),需要從螺母連接結(jié)構(gòu)上進(jìn)行解耦,以保證絲桿螺母運(yùn)行到行程內(nèi)的任何位置時(shí),絲桿不卡,運(yùn)行平穩(wěn),這有利于延長(zhǎng)絲桿的壽命。
那么,結(jié)構(gòu)上應(yīng)該包含什么主要的特征,才能實(shí)現(xiàn)?
目前,我知道的有2種結(jié)構(gòu),雖然外形不同,但是實(shí)質(zhì)是都一樣。
核心都在于,在螺母和被連接件之間,有一個(gè)十字滑塊件,用來(lái)吸收由于螺母的位置變化(假設(shè)是垂直于XY方向的運(yùn)動(dòng)),引起的XY方向上位置變化。
當(dāng)然這個(gè)滑動(dòng)量一般不大,設(shè)計(jì)時(shí)單邊留1.5mm就足夠了,設(shè)計(jì)概念如下圖。
螺母解耦結(jié)構(gòu)1的優(yōu)點(diǎn)是,設(shè)計(jì)緊湊,占用空間小,缺點(diǎn)是裝配和拆卸麻煩一點(diǎn),因?yàn)樾枰劝丫G色和藍(lán)色工件從軸端套進(jìn)去。拆卸時(shí),也得松開(kāi)軸端。
而解耦結(jié)構(gòu)2的優(yōu)點(diǎn)是拆卸和裝配簡(jiǎn)單一些,沒(méi)有結(jié)構(gòu)1的拆裝問(wèn)題,因?yàn)榭梢栽谘b配了絲桿后再裝配,拆卸時(shí)也可以直接拆卸,而不必取下軸端支持軸承。但是缺點(diǎn)就是占用了軸向太多的空間,同樣長(zhǎng)度絲桿縮短了行程。
另外,結(jié)構(gòu)1那個(gè)綠色滑動(dòng)件可用Turcite X紅膠材料,因?yàn)槟湍デ夷Σ料禂?shù)是0.2。結(jié)構(gòu)2綠色件可以用鋁或者鋼,因?yàn)槠淅锩嫘枰惭b滑套。
9. 應(yīng)用場(chǎng)合的區(qū)別
梯形絲桿,是滑動(dòng)摩擦,過(guò)高的速度將在結(jié)合面上產(chǎn)生高熱量,導(dǎo)致磨損加劇。
所以,梯形絲桿,適合用于重量較輕,速度要求不高的應(yīng)用中。
同時(shí),梯形絲桿,因?yàn)榫鹊托?,所以往往更適合于對(duì)精度要求不高的應(yīng)用,比如慢速轉(zhuǎn)移,搬運(yùn)等。
而滾珠絲桿,發(fā)熱小,精度高,通常更適合要求平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),高效率,高精度,以及長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)或高速運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用,比如半導(dǎo)體設(shè)備。
其中,滾珠絲桿因?yàn)槟Σ列?,可逆,還可將直線運(yùn)動(dòng),變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),我們稱這種傳動(dòng)為逆效率傳動(dòng)。
那么,這兩者有什么區(qū)別?什么時(shí)候用滾珠絲桿?什么時(shí)候用梯形絲桿?
1.結(jié)構(gòu)不同
首先,我們來(lái)看看結(jié)構(gòu),因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)決定特性。
滾珠絲桿,從字面上也很好理解,就是用滾珠來(lái)滾動(dòng),滾珠在哪里滾動(dòng),當(dāng)然是在滾珠絲桿軸上滾動(dòng)。
所以,絲桿軸上有圓弧輪廓,此輪廓在軸上按照一定的升角(導(dǎo)程角)盤旋在軸上。
而滾球被設(shè)計(jì)在螺母里,在絲桿軸圓弧輪廓里滾動(dòng),所以是滾動(dòng)摩擦。
其運(yùn)動(dòng)原理,就是螺旋副,簡(jiǎn)單理解,就是類似于擰螺釘,我們知道,擰螺釘時(shí),如果在螺釘端部限制螺釘移動(dòng),那么被螺紋嵌入部件,就會(huì)沿著螺釘軸線移動(dòng)。
滾珠絲桿,也是同樣的道理,把絲桿軸一端或者兩端沿軸向固定,用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn),那么,帶鋼球的螺母,就會(huì)沿絲桿軸線方向運(yùn)動(dòng)。
梯形絲桿和滾珠絲桿的運(yùn)動(dòng)原理相同,不同之處在于,梯形絲桿里沒(méi)有滾珠,那么螺母和絲桿軸之間的運(yùn)動(dòng),完全靠機(jī)械接觸產(chǎn)生滑動(dòng),是滑動(dòng)摩擦,所以梯形絲桿也叫滑動(dòng)絲桿。
所以兩者的結(jié)構(gòu)區(qū)別,用一句話概括就是: 滾珠絲桿是滾動(dòng)摩擦,梯形絲桿是滑動(dòng)摩擦。
2.傳動(dòng)效率不同
很顯然,滾動(dòng)摩擦的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滑動(dòng)摩擦系數(shù)。
比如,NSK和THK都顯示,滾珠絲桿的摩擦系數(shù)在0.003到0.01之間,而梯形絲桿的摩擦系數(shù)在0.1到0.2之間。
再比如,REXROTH顯示,滾珠絲桿的摩擦系數(shù)在0.005到0.01之間,而梯形絲桿的摩擦系數(shù)在0.2到0.3之間。
這也是為什么大多數(shù)滾珠絲桿的傳動(dòng)效率高達(dá)90%,有的甚至達(dá)到95%以上,而大多數(shù)梯形絲桿的傳動(dòng)效率低于70%。
比如,知名的絲桿供應(yīng)商Thomson linear顯示,滾珠絲桿的傳動(dòng)效率在85%-95%之間,而梯形絲桿的傳動(dòng)效率在30%-70%之間。
而另一家供應(yīng)商Helix linear則顯示,其梯形絲桿的傳動(dòng)效率在15%-85%之間。
梯形絲桿的傳動(dòng)效率低下,從能量的角度來(lái)看,是因?yàn)榛瑒?dòng)摩擦,特別是高速運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生了大量的熱,如果絲桿或者螺母受不了,就會(huì)“燒著了”,所以,梯形絲桿不太適合高速運(yùn)行要求,其最高轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)3000RPM。
而滾珠絲桿,因?yàn)槭菨L動(dòng)摩擦,所以沒(méi)有那么多熱量產(chǎn)生,速度可以達(dá)到很高,比如10000RPM。
但是,兩種絲桿,由外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩,計(jì)算公式一樣,都是Ta=Fa*L/2πη,F(xiàn)a表示由外部負(fù)荷產(chǎn)生的軸向力,L表示導(dǎo)程,η表示效率。
這個(gè)公式用功和能量原理很好理解,因?yàn)楣娇梢詫懗蒚a*2πη=Fa*L,很明顯,左邊表示轉(zhuǎn)一圈時(shí),扭矩的有效功,右邊表示克服載荷移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程,需要的能量。
所以,在導(dǎo)程相同的情況下,就扭矩計(jì)算而言,選擇的主要區(qū)別就在于效率。
因?yàn)闈L珠絲桿的效率是梯形絲桿的2-4倍,所以一般而言,用同樣的導(dǎo)程,來(lái)驅(qū)動(dòng)相同的負(fù)載時(shí),滾珠絲桿更有優(yōu)勢(shì)。
3.自鎖性不同
理論顯示,當(dāng)絲桿傳動(dòng)效率大于50%時(shí),沒(méi)有自鎖性,當(dāng)傳動(dòng)效率小于35%時(shí)才有自鎖性。
所以,滾珠絲桿沒(méi)有自鎖性,而梯形絲桿有一定的自鎖性。
所以,就Z向應(yīng)用來(lái)說(shuō),梯形絲桿有自鎖的優(yōu)勢(shì),當(dāng)然,實(shí)際情況,還需要考慮精度速度等因素。
如果將滾珠絲桿,應(yīng)用于豎直方向,則需要考慮斷電時(shí),無(wú)法自鎖,需要加額外的結(jié)構(gòu)或者器件,來(lái)保證停電時(shí),絲桿螺母停留在原來(lái)的位置,而不會(huì)滑落下來(lái),這對(duì)安全起著重要的作用。
現(xiàn)在很多電機(jī)自帶剎車模塊,就是斷電時(shí),可以抱住電機(jī)軸,不讓它旋轉(zhuǎn),起到保護(hù)作用,當(dāng)然,剎車能提供的扭矩是有限的,可以根據(jù)需要選擇合適的型號(hào)。
4.制作材料不同
滾珠絲桿軸一般是用不銹鋼或者合金鋼,而螺母一般用銅制,因?yàn)殂~可以承受較大的載荷,同時(shí)摩擦系數(shù)小,有一定的自潤(rùn)滑作用,正如我們常見(jiàn)的一些直線軸承,或者平面滑板,也用銅,正是這個(gè)原因。
梯形絲桿軸也用不銹鋼或者合金鋼。而對(duì)于螺母,則和滾珠絲桿有一點(diǎn)不同,很多時(shí)候,梯形絲桿螺母會(huì)使用非金屬材料。
梯形絲桿螺母的制作材料
比如低載荷時(shí),一般用低摩擦系數(shù),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(lái)實(shí)現(xiàn)低摩擦系數(shù),同時(shí)有一定的耐熱性能。很多時(shí)候,PEEK材料本身就被用來(lái)做動(dòng)態(tài)接合面的密封,而PTFE和尼龍也經(jīng)常被用來(lái)做涂層,起到潤(rùn)滑的作用,比如上一篇文章《機(jī)械設(shè)計(jì)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(dá)到降低摩擦的作用。
再比如,我們常用的用來(lái)做螺母的熱塑性材料,有Turcite A和Turcite X,這是兩種耐磨,自潤(rùn)滑材料。
數(shù)據(jù)顯示,Turcite A,抗拉強(qiáng)度為52.4Mpa,抗彎強(qiáng)度75.84Mpa,抗壓強(qiáng)度89.63Mpa,這些強(qiáng)度都高于Turcite X(三種強(qiáng)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(fù)荷,而且適用于中度速度。同時(shí),Turcite A比Turcite X有較高的耐磨性,顏色為藍(lán)色,通常是圓棒材料。
而Turcite X比Turcite A有更低的滑動(dòng)摩擦系數(shù),摩擦系數(shù)為0.22(Turcite A為0.3),而且,其極限PV值為Turcite A的兩倍多,達(dá)到16000psi-fpm,但是其抗拉強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度都比Turcite X低,所以適用于輕載荷,高速度的應(yīng)用,其顏色為紅色。
當(dāng)然,高載荷時(shí),梯形絲桿也用銅做螺母。
為什么降低摩擦在這里變得如此重要?
因?yàn)樘菪谓z桿有PV(PressureVelocity)極限的問(wèn)題,也就是說(shuō)載荷一定時(shí),速度有限制,如果載荷偏大,那么速度需要變得低一點(diǎn),載荷小速度可以高些。
因?yàn)閷?duì)于特定材料,摩擦產(chǎn)生熱量,如果這個(gè)熱量的耗散速度太低,跟不上熱量的產(chǎn)生速度,那么就會(huì)導(dǎo)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
滾珠絲桿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(jiǎn)單理解就是滾壓出來(lái)的,就是用一種帶有絲桿輪廓的工具,從待加工的軸上滾過(guò)去,形成需要的表面形狀。
這個(gè)有點(diǎn)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(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者,但是后者的制造設(shè)備成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。
所以說(shuō),磨制絲桿的進(jìn)入門檻較低,軋制生產(chǎn)的進(jìn)入門檻較高,能生產(chǎn)軋制絲桿的廠家一般也能生產(chǎn)磨制絲桿,而能生產(chǎn)磨制絲桿的廠家不一定能生產(chǎn)軋制絲桿。
所以,同精度產(chǎn)品,如果可以買到軋制品就不要買磨制品,原因很簡(jiǎn)單,軋制便宜。
另外說(shuō)明一點(diǎn),軋制和磨制僅指絲桿軸,金屬螺母全是磨削制造。
當(dāng)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(diǎn),需要先說(shuō)明的是,我們平常所說(shuō)的精度,指的是導(dǎo)程精度,就是導(dǎo)程會(huì)存在誤差,不是理想的那樣一直不變。
比如理想導(dǎo)程是5mm,連續(xù)測(cè)量5次相鄰導(dǎo)程,實(shí)際導(dǎo)程可能是4.998,4.997,5.000,5.002,4.999。
這種誤差會(huì)累積,就會(huì)引起定位誤差,我們?cè)诟鶕?jù)定位精度選擇導(dǎo)程精度時(shí),就需要從導(dǎo)程精度表中去查詢。
導(dǎo)程精度,按從高到低分成8個(gè)等級(jí),分別是C0,C1,C2,C3,C5,C7,C8,C10。
目前,軋制滾珠絲桿能實(shí)現(xiàn)的普遍精度是C7(±50um/300mm),C8(±100um/300mm),C10(±210um/300mm)。
括號(hào)里的數(shù)值,指的是每300mm有效螺紋長(zhǎng)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(zhǎng)度是600mm,那么可能累積的誤差變?yōu)椤?00um。
C8和C10的精度等級(jí)也可以做同樣的推算。
而C0-C5屬于研磨級(jí)絲桿,研磨滾珠絲桿的最高精度,可以達(dá)到C0級(jí),也就是±3um/100mm,即使是低級(jí)別C5的滾珠絲桿,也可以達(dá)到±18um/100mm的精度。
需要注意的是,研磨滾珠絲桿的精度,不能做扎制滾珠絲桿一樣的推演,因?yàn)檠心ソz桿的精度高,內(nèi)涵更廣泛(感興趣的,可以去了解一下)。
比如,對(duì)于C5等級(jí),螺紋有效長(zhǎng)度在100mm以內(nèi)時(shí),可以實(shí)現(xiàn)的精度是±18um。而當(dāng)螺紋有效長(zhǎng)度變?yōu)?00mm,400mm時(shí),可以實(shí)現(xiàn)的精度分別是±20um,±25um,而不是±36um,±72um。
好了,到這里,滾珠絲桿說(shuō)得差不多了,接下來(lái)我們說(shuō)說(shuō)梯形絲桿。
梯形絲桿有滾壓,切削和研磨三種制造方法。
滾壓比切削更好,因?yàn)闈L壓可以得到更硬的表面,且具有優(yōu)越的表面光潔度。
但是,就精度來(lái)說(shuō),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,滾壓梯形絲桿可以達(dá)到的精度是±75um/300mm,這個(gè)值介于扎制滾珠絲桿精度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(dá)到±7.5um/300mm的精度,但是其成本也將成10倍以上的增長(zhǎng)。
再比如,Helix顯示,其研磨梯形絲桿能達(dá)到的精度是±12.5um/300mm,而銑削可以達(dá)到的精度是±50um/300mm,滾壓只能實(shí)現(xiàn)±90um/300mm的精度。
綜合來(lái)看,滾珠絲桿的精度高于梯形絲桿,所以一般對(duì)精度要求高的應(yīng)用,滾珠絲桿是首選。
6.軸向間隙及預(yù)壓方式不同
軸向間隙,也是選取絲桿時(shí),需要考慮的一個(gè)非常重要的因素,因?yàn)殚g隙的存在會(huì)導(dǎo)致返程誤差,這直接影響了反向運(yùn)行時(shí)的精度。
滾珠絲桿按照間隙的不同,分成不同的等級(jí)。
例如,THK分成G0(0及預(yù)緊),G1(0-0.005),GT(0-0.01),G2(0-0.02),G3(0-0.05)共5個(gè)等級(jí),軸向間隙依次增大。
NSK也分成5個(gè)等級(jí),分別是Z(0及預(yù)緊),T(0-0.005),S(0-0.02),N(0-0.05),L(0-0.3),括號(hào)中的數(shù)值表示軸向間隙的范圍,單位是毫米。
對(duì)于梯形絲桿,Thomson顯示,軸向間隙在0.02mm-0.25mm之間。
為了消除螺母和絲桿軸之間的軸向間隙,提高傳動(dòng)精度,滾珠絲桿和梯形絲桿都可以增加預(yù)壓。
但是,兩者的預(yù)壓方式有所不同。
例如,THK和NSK滾珠絲桿,對(duì)于單螺母,使用螺母相位差,而對(duì)于雙螺母,則使用預(yù)壓墊片,或者使用彈簧片做預(yù)壓。
使用相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)壓,也就是在螺母中,改變中央溝槽的螺距,使得溝槽兩側(cè)的鋼球處于繃緊狀態(tài),達(dá)到預(yù)壓的目的。
使用相位差和墊片都是定位預(yù)壓方式,而使用彈簧片預(yù)壓是屬于定壓預(yù)壓方式。
理論上,滾珠絲桿預(yù)壓量設(shè)定為外部負(fù)荷的1/3,就可以達(dá)到無(wú)間隙傳動(dòng),但是那樣,預(yù)壓偏高,減小了使用壽命,所以,實(shí)際使用時(shí),最大預(yù)壓量設(shè)定為額定動(dòng)載荷的10%,例如半導(dǎo)體設(shè)備上,一般使用的預(yù)壓量是1%-4%。
而梯形絲桿,一般使用壓簧做預(yù)壓,彈簧向絲桿軸兩個(gè)方向張緊其兩側(cè)的螺母,使得螺母完全接觸絲桿軸。
當(dāng)然,彈簧做預(yù)壓的缺點(diǎn)很明顯,就是軸向剛性差,如果要增大剛性,就需要增大預(yù)壓,也就是說(shuō)要增加彈簧力,這會(huì)使得磨損加劇,并且摩擦扭矩變大,絲桿壽命縮短。
所以,現(xiàn)在有另外一種預(yù)壓方法,叫主動(dòng)凸輪預(yù)壓法。這個(gè)方法,不直接用壓簧在軸向做預(yù)壓,而改用扭簧配合端部凸輪。
扭簧扭轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)扭簧兩側(cè)的梯形絲桿螺母旋轉(zhuǎn),使得其端部輪廓接觸凸輪輪廓,在消除間隙的同時(shí),保證了較大的軸向剛性。
因?yàn)檫@里使用了楔塊理論,在軸向施加力來(lái)讓扭簧旋轉(zhuǎn),需要的力是非常大的。
綜合來(lái)說(shuō),軸向間隙當(dāng)然是滾珠絲桿更小,而預(yù)壓方式也是滾珠絲桿更多,因?yàn)樘菪谓z桿目前的預(yù)壓方式,都屬于定壓預(yù)壓法,而滾珠絲桿是定位預(yù)壓和定壓預(yù)壓兩種。
7.計(jì)算方法有所不同
滾珠絲桿精度等級(jí)及軸向間隙選擇依據(jù)
滾珠絲桿及驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩計(jì)算公式
滾珠絲桿在計(jì)算時(shí),需要考慮系統(tǒng)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(dǎo)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(zhǎng)度800mm(需要考慮螺母長(zhǎng)度和行程余量,所以大于700mm),則選擇C5精度,因?yàn)镃5精度在800mm內(nèi)的誤差控制在±35um以內(nèi),小于±50um,在要求以內(nèi),剩下的±15um誤差,分配給系統(tǒng)剛度和控制誤差。
運(yùn)行速度V(mm/min)和滾珠絲桿的導(dǎo)程L(mm)及馬達(dá)轉(zhuǎn)速n(r/min)有關(guān),L=V/n。高速要求時(shí),可以適當(dāng)加大導(dǎo)程,但是導(dǎo)程的加大會(huì)要求更大的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩(Ta=Fa*L/2πη),所以需要綜合考慮。
選擇滾珠絲桿時(shí),根據(jù)載荷確定需要的扭矩及電機(jī),是最花時(shí)間的一塊。
滾珠絲桿計(jì)算扭矩時(shí),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=絲桿側(cè)齒數(shù)N2/馬達(dá)側(cè)齒數(shù)N1,表示減速比。
Ta=Fa*L/2πη: 表示勻速時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩。
Tpmax=0.05(tanβ)^-0.5*Fa0*L/2π(基準(zhǔn)力矩)+Δ:表示預(yù)緊滾珠絲桿的最大動(dòng)摩擦力矩,β表示螺紋升角,F(xiàn)a0表示預(yù)緊力。Δ表示力矩變動(dòng)率的上許可范圍,可以在計(jì)算了基準(zhǔn)力矩的基礎(chǔ)之上,查表求得。當(dāng)然,Tpmax也可以在具體的絲桿型號(hào)參數(shù)表中查得。
Tu:支撐軸承的摩擦力矩,可以在軸承參數(shù)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(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
JM: 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
JG1: 馬達(dá)側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
JG2: 絲桿側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
JS: 絲桿軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
m: 移動(dòng)物體總質(zhì)量。
α:馬達(dá)的角加速度。
而梯形絲桿一般只需要一個(gè)公式就夠了,T1=FP/2πη,因?yàn)樘菪谓z桿適用于低速的應(yīng)用,不存在高速往返,高加減速等問(wèn)題,當(dāng)然也需要結(jié)合實(shí)際要求做計(jì)算,并給定一定的余量。
8. 螺母解耦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
當(dāng)絲桿較長(zhǎng),螺母受到軸向偏轉(zhuǎn)力矩,或者螺母受到軸向載荷時(shí),絲桿軸傾斜或者沿徑向變形,會(huì)引起受力不均,可能出現(xiàn)卡頓,振動(dòng),導(dǎo)致磨損加劇,影響精度。
這時(shí),需要從螺母連接結(jié)構(gòu)上進(jìn)行解耦,以保證絲桿螺母運(yùn)行到行程內(nèi)的任何位置時(shí),絲桿不卡,運(yùn)行平穩(wěn),這有利于延長(zhǎng)絲桿的壽命。
那么,結(jié)構(gòu)上應(yīng)該包含什么主要的特征,才能實(shí)現(xiàn)?
目前,我知道的有2種結(jié)構(gòu),雖然外形不同,但是實(shí)質(zhì)是都一樣。
核心都在于,在螺母和被連接件之間,有一個(gè)十字滑塊件,用來(lái)吸收由于螺母的位置變化(假設(shè)是垂直于XY方向的運(yùn)動(dòng)),引起的XY方向上位置變化。
當(dāng)然這個(gè)滑動(dòng)量一般不大,設(shè)計(jì)時(shí)單邊留1.5mm就足夠了,設(shè)計(jì)概念如下圖。
螺母解耦結(jié)構(gòu)1的優(yōu)點(diǎn)是,設(shè)計(jì)緊湊,占用空間小,缺點(diǎn)是裝配和拆卸麻煩一點(diǎn),因?yàn)樾枰劝丫G色和藍(lán)色工件從軸端套進(jìn)去。拆卸時(shí),也得松開(kāi)軸端。
而解耦結(jié)構(gòu)2的優(yōu)點(diǎn)是拆卸和裝配簡(jiǎn)單一些,沒(méi)有結(jié)構(gòu)1的拆裝問(wèn)題,因?yàn)榭梢栽谘b配了絲桿后再裝配,拆卸時(shí)也可以直接拆卸,而不必取下軸端支持軸承。但是缺點(diǎn)就是占用了軸向太多的空間,同樣長(zhǎng)度絲桿縮短了行程。
另外,結(jié)構(gòu)1那個(gè)綠色滑動(dòng)件可用Turcite X紅膠材料,因?yàn)槟湍デ夷Σ料禂?shù)是0.2。結(jié)構(gòu)2綠色件可以用鋁或者鋼,因?yàn)槠淅锩嫘枰惭b滑套。
9. 應(yīng)用場(chǎng)合的區(qū)別
梯形絲桿,是滑動(dòng)摩擦,過(guò)高的速度將在結(jié)合面上產(chǎn)生高熱量,導(dǎo)致磨損加劇。
所以,梯形絲桿,適合用于重量較輕,速度要求不高的應(yīng)用中。
同時(shí),梯形絲桿,因?yàn)榫鹊托?,所以往往更適合于對(duì)精度要求不高的應(yīng)用,比如慢速轉(zhuǎn)移,搬運(yùn)等。
而滾珠絲桿,發(fā)熱小,精度高,通常更適合要求平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),高效率,高精度,以及長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)或高速運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用,比如半導(dǎo)體設(shè)備。
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