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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(chǎn)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(chǎn)的進入門檻較高，能生產(chǎn)軋制絲杠的廠家一般也能生產(chǎn)磨制絲杠，而能生產(chǎn)磨制絲杠的廠家不一定能生產(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(xù)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(jù)定位精度選擇導程精度時，就需要從導程精度表中去查詢。
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(xiàn)的普遍精度是C7（±50um/300mm），C8（±100um/300mm），C10（±210um/300mm）。
括號里的數(shù)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?yōu)椤?00um。
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(xiàn)的精度是±18um。而當螺紋有效長度變?yōu)?00mm，400mm時，可以實現(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(yōu)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(xiàn)±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

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(shù)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。

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(xiàn)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(tài)，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(xiàn)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. 計算方法不同

滾珠絲杠在計算時，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(tǒng)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(jù)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(shù)N2/馬達側齒數(shù)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，F(xiàn)a0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(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(xiàn)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(wěn)，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(xiàn)？
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。

螺母解耦結構1的優(yōu)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(yōu)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(shù)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(qū)別梯形絲杠，是滑動摩擦，過高的速度將在結合面上產(chǎn)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(fā)熱小，精度高，通常更適合要求平穩(wěn)運動，高效率，高精度，以及長時間連續(xù)或高速運動的應用，比如半導體設備。

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