梯形丝杠和滚珠丝杠的区别

在机械规划中，咱们经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。

那么，这两者有什么差异？什么时分用滚珠丝杠？什么时分用梯形丝杠？

怎么依据精度，速度，载荷等要求，挑选滚珠丝杠（或许梯形丝杠）和电机？

常用的两头支撑结构方法是什么？（固定－支撑）

长行程时，螺母解耦的结构规划是什么样子？

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，欢迎指正。

大致从如下的10个方面来阐明。

1.结构不同

首要，咱们来看看结构，由于结构决议特性。

滚珠丝杠，从字面上也很好了解，便是用滚珠来滚动，滚珠在哪里滚动，当然是在滚珠丝杠轴上滚动。

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）回旋扭转在轴上。

而滚球被规划在螺母里，在丝杠轴圆弧归纳里滚动，所以是滚动冲突。

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，假如在螺钉端部限制螺钉移动，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，完全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: 滚珠丝杠是滚动冲突，梯形丝杠是滑动冲突。

2.传动功率不同

很显然，滚动冲突的冲突系数远远低于滑动冲突系数。

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%，有的甚至到达95%以上，而大多数梯形丝杠的传动功率低于70%。

比方，知名的丝杠供货商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，发生了大量的热，假如丝杠或许螺母受不了，就会“烧着了”，所以，梯形丝杠不太合适高速运转要求，其最高转速一般不超越3000RPM。

而滚珠丝杠，由于是滚动冲突，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，核算公式一样，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。

这个公式用功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，右边表明克服载荷移动一个导程，需求的能量。

所以，在导程相同的情况下，就扭矩核算而言，挑选的首要差异就在于功率。

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

3.自锁性不同

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，滚珠丝杠没有自锁性，而梯形丝杠有必定的自锁性。

所以，就Z向运用来说，梯形丝杠有自锁的优势，当然，实际情况，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，需求加额定的结构或许器材，来保证停电时，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。

4.制作资料不同

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，由于铜能够承受较大的载荷，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等资料中，混入特富龙(PTFE)，来完成低冲突系数，一起有必定的耐热性能。

许多时分，PEEK资料本身就被用来做动态接合面的密封，而PTFE和尼龙也经常被用来做涂层，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，到达降低冲突的效果。

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。

数据显现，Turcite A，抗拉强度为52.4Mpa，抗弯强度75.84Mpa，抗压强度89.63Mpa，这些强度都高于Turcite X(三种强度值分别为40.68Mpa，55.16Mpa，82.74Mpa)，并且其PV值仅有7500psi-fpm，大约是TurciteX的一半，所以它用于中度至重负荷，并且适用于中度速度。一起，Turcite A比Turcite X有较高的耐磨性，颜色为蓝色，通常是圆棒资料。

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），并且，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，其颜色为红色。

当然，高载荷时，梯形丝杠也用铜做螺母。

为什么降低冲突在这里变得如此重要？

由于梯形丝杠有PV（PressureVelocity）极限的问题，也便是说载荷必定时，速度有限制，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，通俗了解便是“烧着了”。

5. 制作办法及终究精度不同

滚珠丝杠一般有两种加工办法，一种是研磨，一种是扎制。

研磨也便是精磨。

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，从待加工的轴上滚过去，构成需求的外表形状。

这个有点像擀面，用擀面杖擀面，把面挤压成需求的形状和厚度。

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，轧制便宜。

别的阐明一点，轧制和磨制仅指丝杠轴，金属螺母满是磨削制作。

当然，两种办法加工出的精度，以及加工本钱是不一样的。

还有一点，需求先阐明的是，咱们平常所说的精度，指的是导程精度，便是导程会存在差错，不是抱负的那样一直不变。

比方抱负导程是5mm，接连丈量5次相邻导程，实际导程或许是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。

目前，轧制滚珠丝杠能完成的遍及精度是C7（±50um/300mm），C8（±100um/300mm），C10（±210um/300mm）。

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。

C8和C10的精度等级也能够做相同的核算。

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，即使是低级别C5的滚珠丝杠，也能够到达±18um/100mm的精度。

需求注意的是，研磨滚珠丝杠的精度，不能做扎制滚珠丝杠一样的推演，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。

好了，到这里，滚珠丝杠说得差不多了，接下来咱们说说梯形丝杠。

梯形丝杠有滚压，切削和研磨三种制作办法。

滚压比切削更好，由于滚压能够得到更硬的外表，且具有优越的外表光洁度。

可是，就精度来说，研磨能够取得最高精度，切削其次，滚压取得的精度最低。

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倍以上的增长。

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。

6.轴向空隙及预压方法不同

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。

滚珠丝杠依照空隙的不同，分红不同的等级。

例如，THK分红G0(0及预紧)，G1(0-0.005)，GT(0-0.01)，G2(0-0.02)，G3(0-0.05)共5个等级，轴向空隙依次增大。

NSK也分红5个等级，分别是Z(0及预紧)，T(0-0.005)，S(0-0.02)，N(0-0.05)，L(0-0.3)，括号中的数值表明轴向空隙的规模，单位是毫米。

关于梯形丝杠，Thomson显现，轴向空隙在0.02mm-0.25mm之间。

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

可是，两者的预压方法有所不同。

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，改动中央沟槽的螺距，使得沟槽两边的钢球处于绷紧状态，到达预压的目的。

运用相位差和垫片都是定位预压方法，而运用绷簧片预压是归于定压预压方法。

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，实际运用时，最大预压量设定为额定动载荷的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，使得螺母完全触摸丝杠轴。

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，并且冲突扭矩变大，丝杠寿数缩短。

所以，现在有别的一种预压办法，叫主动凸轮预压法。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。

扭簧扭转，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，保证了较大的轴向刚性。

由于这里运用了楔块理论，在轴向施加力来让扭簧旋转，需求的力是非常大的。

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，由于梯形丝杠目前的预压方法，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。

7.核算办法有所不同

滚珠丝杠在核算时，需求考虑体系需求的精度，速度，载荷等基本条件。

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。

挑选滚珠丝杠时，依据载荷确定需求的扭矩及电机，是最花时间的一块。

滚珠丝杠核算扭矩时，分为等速扭矩T1，和加快扭矩T2。

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。

Ta=Fa*L/2πη: 表明匀速时的驱动力矩。

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表明力矩变动率的上许可规模，能够在核算了基准力矩的根底之上，查表求得。当然，Tpmax也能够在具体的丝杠类型参数表中查得。

Tu：支撑轴承的冲突力矩，能够在轴承参数表中查得。

而加快扭矩：T2=T1+Jα。

J＝JM＋JG1+（JG2+JS+m＊（L/2π）^2）/i^2：表明对电机的转动惯量。

JM: 电机的转动惯量。

JG1: 马达侧齿轮的转动惯量。

JG2: 丝杠侧齿轮的转动惯量。

JS: 丝杠轴的转动惯量。

m: 移动物体总质量。

α：马达的角加快度。

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，不存在高速往返，高加减速等问题，当然也需求结合实际要求做核算，并给定必定的余量。

8. 螺母解耦的结构规划

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，以保证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。

那么，结构上应该包括什么首要的特征，才干完成？

目前，我知道的有2种结构，虽然外形不同，可是本质是都一样。

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变（假设是垂直于XY方向的运动），引起的XY方向上方位改变。

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，缺陷是安装和拆开麻烦一点，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的长处是拆开和安装简略一些，没有结构1的拆装问题，由于能够在安装了丝杠后再安装，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，由于其里面需求安装滑套。

9. 运用场合的差异

梯形丝杠，是滑动冲突，过高的速度将在结合面上发生高热量，导致磨损加重。

所以，梯形丝杠，合适用于重量较轻，速度要求不高的运用中。

一起，梯形丝杠，由于精度低些，所以往往更合适于对精度要求不高的运用，比方慢速搬运，搬运等。

而滚珠丝杠，发热小，精度高，通常更合适要求平稳运动，高功率，高精度，以及长时间接连或高速运动的运用，比方半导体设备。

10.《滚珠丝杠核算选型比如》

最终，怎么依据精度，速度，载荷，寿数等条件，挑选滚珠丝杠？