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滾珠絲杠和梯形絲杠的區(qū)別（二）

漢藝精工為您帶來(lái)滾珠絲杠梯形絲杠區(qū)別第二期。

5. 制造方法及最終精度不同

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(jiǎn)單理解就是滾壓出來(lái)的，就是用一種帶有絲杠輪廓的工具，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)，磨制絲杠的進(jìn)入門(mén)檻較低，軋制生產(chǎn)的進(jìn)入門(mén)檻較高，能生產(chǎn)軋制絲杠的廠(chǎng)家一般也能生產(chǎn)磨制絲杠，而能生產(chǎn)磨制絲杠的廠(chǎng)家不一定能生產(chǎn)軋制絲杠。
所以，同精度產(chǎn)品，如果可以買(mǎi)到軋制品就不要買(mǎi)磨制品，原因很簡(jiǎn)單，軋制便宜。
另外說(shuō)明一點(diǎn)，軋制和磨制僅指絲杠軸，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(xún)。
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，軋制滾珠絲杠能實(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)絲杠，研磨滾珠絲杠的最高精度，可以達(dá)到C0級(jí)，也就是±3um/100mm，即使是低級(jí)別C5的滾珠絲杠，也可以達(dá)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?yàn)檠心ソz杠的精度高，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?xún)?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，滾珠絲杠說(shuō)得差不多了，接下來(lái)我們說(shuō)說(shuō)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?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，滾壓梯形絲杠可以達(dá)到的精度是±75um/300mm，這個(gè)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(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，其研磨梯形絲杠能達(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，滾珠絲杠的精度高于梯形絲杠，所以一般對(duì)精度要求高的應(yīng)用，滾珠絲杠是首選。

6. 軸向間隙及預(yù)壓方式不同

軸向間隙，也是選取絲杠時(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。
滾珠絲杠按照間隙的不同，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(dòng)精度，滾珠絲杠和梯形絲杠都可以增加預(yù)壓。
但是，兩者的預(yù)壓方式有所不同。

例如，THK和NSK滾珠絲杠，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，滾珠絲杠預(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%。
而梯形絲杠，一般使用壓簧做預(yù)壓，彈簧向絲杠軸兩個(gè)方向張緊其兩側(cè)的螺母，使得螺母完全接觸絲杠軸。
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，絲杠壽命縮短。
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)的梯形絲杠螺母旋轉(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)然是滾珠絲杠更小，而預(yù)壓方式也是滾珠絲杠更多，因?yàn)樘菪谓z杠目前的預(yù)壓方式，都屬于定壓預(yù)壓法，而滾珠絲杠是定位預(yù)壓和定壓預(yù)壓兩種。
7. 計(jì)算方法不同

滾珠絲杠在計(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?xún)?nèi)，小于±50um，在要求以?xún)?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）和滾珠絲杠的導(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。
選擇滾珠絲杠時(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。
滾珠絲杠計(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=絲杠側(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)緊滾珠絲杠的最大動(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也可以在具體的絲杠型號(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: 絲杠側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。JS: 絲杠軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。m: 移動(dòng)物體總質(zhì)量。α：馬達(dá)的角加速度。
而梯形絲杠一般只需要一個(gè)公式就夠了，T1=FP/2πη，因?yàn)樘菪谓z杠適用于低速的應(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)絲杠較長(zhǎng)，螺母受到軸向偏轉(zhuǎn)力矩，或者螺母受到軸向載荷時(shí)，絲杠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，以保證絲杠螺母運(yùn)行到行程內(nèi)的任何位置時(shí)，絲杠不卡，運(yùn)行平穩(wěn)，這有利于延長(zhǎng)絲杠的壽命。
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配了絲杠后再裝配，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)度絲杠縮短了行程。
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)別梯形絲杠，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，梯形絲杠，適合用于重量較輕，速度要求不高的應(yīng)用中。
同時(shí)，梯形絲杠，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。
而滾珠絲杠，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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