滚珠丝杠和梯形丝杠有什么区别-三益精密

滚珠丝杠和梯形丝杠有什么区别

　　机械设计中，我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方法。其中滚珠丝杠因为摩擦小，可逆，还可将直线运动，变成旋转运动，我们称这种传动为逆效率传动。那么，这两者有什么区别？什么时候用滚珠丝杠？什么时候用梯形丝杠？

　　如何根据精度，速度，载荷等要求，选择滚珠丝杠（或者梯形丝杠）和电机？常用的两端支撑结构形式是什么？（固定－支撑）长行程时，螺母解耦的结构设计是什么样子。今天我结合自己的设计经历，来说一下这些问题，算是对这部分的一个小结，如有不恰当的地方，欢迎指正。大致从如下的10个方面来说明。

　　1.结构不同

　　首先，我们来看看结构，因为结构决定特性。滚珠丝杠，从字面上也很好理解，就是用滚珠来滚动，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轮廓，此轮廓在轴上按照一定的升角（导程角）盘旋在轴上。而滚球被设计在螺母里，在丝杠轴圆弧轮廓里滚动，所以是滚动摩擦。

　　其运动原理，就是螺旋副，简单理解，就是类似于拧螺钉，我们知道，拧螺钉时，如果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，也是同样的道理，把丝杠轴一端或者两端沿轴向固定，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，完全靠机械接触产生滑动，是滑动摩擦，所以梯形丝杠也叫滑动丝杠。所以两者的结构区别，用一句话概括就是:?滚珠丝杠是滚动摩擦，梯形丝杠是滑动摩擦。

　　2.传动效率不同

　　很显然，滚动摩擦的摩擦系数远远低于滑动摩擦系数。比如，NSK和THK都显示，滚珠丝杠的摩擦系数在0.003到0.01之间，而梯形丝杠的摩擦系数在0.1到0.2之间。再比如，REXROTH显示，滚珠丝杠的摩擦系数在0.005到0.01之间，而梯形丝杠的摩擦系数在0.2到0.3之间。这也是为什么大多数滚珠丝杠的传动效率高达90%，有的甚至达到95%以上，而大多数梯形丝杠的传动效率低于70%。比如，知名的丝杠供应商Thomson linear显示，滚珠丝杠的传动效率在85%-95%之间，而梯形丝杠的传动效率在30%-70%之间。而另一家供应商Helix linear则显示，其梯形丝杠的传动效率在15%-85%之间。

　　梯形丝杠的传动效率低下，从能量的角度来看，是因为滑动摩擦，特别是高速运动，产生了大量的热，如果丝杠或者螺母受不了，就会“烧着了”，所以，梯形丝杠不太适合高速运行要求，其最高转速一般不超过3000RPM。而滚珠丝杠，因为是滚动摩擦，所以没有那么多热量产生，速度可以达到很高，比如10000RPM。但是两种丝杠，由外部负荷引起的摩擦扭矩，计算公式一样，都是Ta=Fa*L/2πη，Fa表示由外部负荷产生的轴向力，L表示导程，η表示效率。

　　这个公式用功和能量原理很好理解，因为公式可以写成Ta*2πη=Fa*L，很明显，左边表示转一圈时，扭矩的有效功，右边表示克服载荷移动一个导程，需要的能量。所以在导程相同的情况下，就扭矩计算而言，选择的主要区别就在于效率。因为滚珠丝杠的效率是梯形丝杠的2-4倍，所以一般而言，用同样的导程，来驱动相同的负载时，滚珠丝杠更有优势。

　　3.自锁性不同理论显示，当丝杠传动效率大于50%时，没有自锁性，当传动效率小于35%时才有自锁性。

　　所以滚珠丝杠没有自锁性，而梯形丝杠有一定的自锁性。所以就Z向应用来说，梯形丝杠有自锁的优势，当然，实际情况，还需要考虑精度速度等因素。

　　如果将滚珠丝杠，应用于竖直方向，则需要考虑断电时，无法自锁，需要加额外的结构或者器件，来保证停电时，丝杠螺母停留在原来的位置，而不会滑落下来，这对安全起着重要的作用。现在很多电机自带刹车模块，就是断电时，可以抱住电机轴，不让它旋转，起到保护作用，当然，刹车能提供的扭矩是有限的，可以根据需要选择合适的型号。

　　4.制作材料不同滚珠丝杠轴一般是用不锈钢或者合金钢，而螺母一般用铜制，因为铜可以承受较大的载荷，同时摩擦系数小，有一定的自润滑作用，正如我们常见的一些直线轴承，或者平面滑板，也用铜，正是这个原因。

　　梯形丝杠轴也用不锈钢或者合金钢。而对于螺母，则和滚珠丝杠有一点不同，很多时候，梯形丝杠螺母会使用非金属材料。比如低载荷时，一般用低摩擦系数，耐高温的合成工程材料，如在尼龙，赛钢，PEEK，VESPEL，PET，PPS等材料中，混入特富龙(PTFE)，来实现低摩擦系数，同时有一定的耐热性能。

　　很多时候，PEEK材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，起到润滑的作用，比如上一篇文章《机械设计中，重力平衡有哪些方法？》中提到的钢绳气缸，钢绳上就有尼龙涂层，达到降低摩擦的作用。

　　再比如，我们常用的用来做螺母的热塑性材料，有Turcite A和Turcite X，这是两种耐磨，自润滑材料。数据显示，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)，而且其PV值仅有7500psi-fpm，大约是TurciteX的一半，所以它用于中度至重负荷，而且适用于中度速度。同时，Turcite A比Turcite X有较高的耐磨性，颜色为蓝色，通常是圆棒材料。

　　而Turcite X比Turcite A有更低的滑动摩擦系数，摩擦系数为0.22（Turcite A为0.3），而且，其极限PV值为Turcite A的两倍多，达到16000psi-fpm，但是其抗拉强度和抗弯曲强度都比Turcite X低，所以适用于轻载荷，高速度的应用，其颜色为红色。

　　当然高载荷时，梯形丝杠也用铜做螺母。为什么降低摩擦在这里变得如此重要？因为梯形丝杠有PV（PressureVelocity）极限的问题，也就是说载荷一定时，速度有限制，如果载荷偏大，那么速度需要变得低一点，载荷小速度可以高些。因为对于特定材料，摩擦产生热量，如果这个热量的耗散速度太低，跟不上热量的产生速度，那么就会导致材料永久变形，通俗理解就是“烧着了”。

　　5.制造方法及最终精度不同

　　滚珠丝杠一般有两种加工方法，一种是研磨，一种是扎制。研磨也就是精磨。扎制，是一种冷加工方法，简单理解就是滚压出来的，就是用一种带有丝杠轮廓的工具，从待加工的轴上滚过去，形成需要的表面形状。这个有点像擀面，用擀面杖擀面，把面挤压成需要的形状和厚度。另外磨制属于精确制造，轧制属于批量制造，后者的生产效率远远高于前者，但是后者的制造设备成本也远远高于前者。所以说磨制丝杠的进入门槛较低，轧制生产的进入门槛较高，能生产轧制丝杠的厂家一般也能生产磨制丝杠，而能生产磨制丝杠的厂家不一定能生产轧制丝杠。所以同精度产品，如果可以买到轧制品就不要买磨制品，原因很简单，轧制便宜。

　　另外说明一点，轧制和磨制仅指丝杠轴，金属螺母全是磨削制造。当然两种方法加工出的精度，以及加工成本是不一样的。还有一点，需要先说明的是，我们平常所说的精度，指的是导程精度，就是导程会存在误差，不是理想的那样一直不变。比如理想导程是5mm，连续测量5次相邻导程，实际导程可能是4.998，4.997，5.000，5.002，4.999。这种误差会累积，就会引起定位误差，我们在根据定位精度选择导程精度时，就需要从导程精度表中去查询。

　　导程精度，按从高到低分成8个等级，分别是C0，C1，C2，C3，C5，C7，C8，C10。目前轧制滚珠丝杠能实现的普遍精度是C7（±50um/300mm），C8（±100um/300mm），C10（±210um/300mm）。括号里的数值，指的是每300mm有效螺纹长度，可能累积的误差，比如C7，每300mm可能累积±50um的误差，如果螺纹有效长度是600mm，那么可能累积的误差变为±100um。C8和C10的精度等级也可以做同样的推算。

　　而C0-C5属于研磨级丝杠，研磨滚珠丝杠的最高精度，可以达到C0级，也就是±3um/100mm，即使是低级别C5的滚珠丝杠，也可以达到±18um/100mm的精度。需要注意的是，研磨滚珠丝杠的精度，不能做扎制滚珠丝杠一样的推演，因为研磨丝杠的精度高，内涵更广泛(感兴趣的，可以去了解一下)。

　　比如对于C5等级，螺纹有效长度在100mm以内时，可以实现的精度是±18um。而当螺纹有效长度变为200mm，400mm时，可以实现的精度分别是±20um，±25um，而不是±36um，±72um。好了到这里滚珠丝杠说得差不多了，接下来我们说说梯形丝杠。

　　梯形丝杠有滚压，切削和研磨三种制造方法。滚压比切削更好，因为滚压可以得到更硬的表面，且具有优越的表面光洁度。但是就精度来说，研磨可以获得最高精度，切削其次，滚压获得的精度最低。例如Thomson显示，滚压梯形丝杠可以达到的精度是±75um/300mm，这个值介于扎制滚珠丝杠精度C7-C8之间。

　　如果要获得更高的精度，那么就需要研磨，研磨可以达到±7.5um/300mm的精度，但是其成本也将成10倍以上的增长。再比如Helix显示，其研磨梯形丝杠能达到的精度是±12.5um/300mm，而铣削可以达到的精度是±50um/300mm，滚压只能实现±90um/300mm的精度。综合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应用，滚珠丝杠是首选。

　　6.轴向间隙及预压方式不同

　　轴向间隙，也是选取丝杠时，需要考虑的一个非常重要的因素，因为间隙的存在会导致返程误差，这直接影响了反向运行时的精度。滚珠丝杠按照间隙的不同，分成不同的等级。例如，THK分成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，轴向间隙依次增大。NSK也分成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)，括号中的数值表示轴向间隙的范围，单位是毫米。对于梯形丝杠，Thomson显示，轴向间隙在0.02mm-0.25mm之间。

　　为了消除螺母和丝杠轴之间的轴向间隙，提高传动精度，滚珠丝杠和梯形丝杠都可以增加预压。但是，两者的预压方式有所不同。

　　例如，THK和NSK滚珠丝杠，对于单螺母，使用螺母相位差，而对于双螺母，则使用预压垫片，或者使用弹簧片做预压。

　　使用相位差来实现预压，也就是在螺母中，改变中央沟槽的螺距，使得沟槽两侧的钢球处于绷紧状态，达到预压的目的。使用相位差和垫片都是定位预压方式，而使用弹簧片预压是属于定压预压方式。理论上，滚珠丝杠预压量设定为外部负荷的1/3，就可以达到无间隙传动，但是那样，预压偏高，减小了使用寿命，所以，实际使用时，最大预压量设定为额定动载荷的10%，例如半导体设备上，一般使用的预压量是1%－4%。而梯形丝杠，一般使用压簧做预压，弹簧向丝杠轴两个方向张紧其两侧的螺母，使得螺母完全接触丝杠轴。

　　当然弹簧做预压的缺点很明显，就是轴向刚性差，如果要增大刚性，就需要增大预压，也就是说要增加弹簧力，这会使得磨损加剧，并且摩擦扭矩变大，丝杠寿命缩短。所以现在有另外一种预压方法，叫主动凸轮预压法。这个方法，不直接用压簧在轴向做预压，而改用扭簧配合端部凸轮。扭簧扭转，驱动扭簧两侧的梯形丝杠螺母旋转，使得其端部轮廓接触凸轮轮廓，在消除间隙的同时，保证了较大的轴向刚性。

　　因为这里使用了楔块理论，在轴向施加力来让扭簧旋转，需要的力是非常大的。综合来说轴向间隙当然是滚珠丝杠更小，而预压方式也是滚珠丝杠更多，因为梯形丝杠目前的预压方式，都属于定压预压法，而滚珠丝杠是定位预压和定压预压两种。

　　7.计算方法不同

　　滚珠丝杠在计算时，需要考虑系统需要的精度，速度，载荷等基本条件。

　　定位精度的要求，决定了导程精度的选择。比如行程700mm，±0.05/700mm的定位精度要求。那么假定螺纹有效长度800mm（需要考虑螺母长度和行程余量，所以大于700mm），则选择C5精度，因为C5精度在800mm内的误差控制在±35um以内，小于±50um，在要求以内，剩下的±15um误差，分配给系统刚度和控制误差。运行速度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，可以适当加大导程，但是导程的加大会要求更大的马达驱动力矩（Ta=Fa*L/2πη），所以需要综合考虑。选择滚珠丝杠时，根据载荷确定需要的扭矩及电机，是最花时间的一块。

　　滚珠丝杠计算扭矩时，分为等速扭矩T1，和加速扭矩T2。

　　其中等速扭矩：T1=（Ta+Tpmax+Tu）/i。i=丝杠侧齿数N2/马达侧齿数N1，表示减速比。

　　Ta=Fa*L/2πη: 表示匀速时的驱动力矩。

　　Tpmax＝0.05(tanβ)^-0.5*Fa0*L/2π（基准力矩）＋Δ：表示预紧滚珠丝杠的最大动摩擦力矩，β表示螺纹升角，Fa0表示预紧力。Δ表示力矩变动率的上许可范围，可以在计算了基准力矩的基础之上，查表求得。当然，Tpmax也可以在具体的丝杠型号参数表中查得。

　　Tu：支撑轴承的摩擦力矩，可以在轴承参数表中查得。

　　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：马达的角加速度。

　　而梯形丝杠一般只需要一个公式就够了，T1=FP/2πη，因为梯形丝杠适用于低速的应用，不存在高速往返，高加减速等问题，当然也需要结合实际要求做计算，并给定一定的余量。

　　8.螺母解耦的结构设计当丝杠较长，螺母受到轴向偏转力矩，或者螺母受到轴向载荷时，丝杠轴倾斜或者沿径向变形，会引起受力不均，可能出现卡顿，振动，导致磨损加剧，影响精度。

　　这时需要从螺母连接结构上进行解耦，以保证丝杠螺母运行到行程内的任何位置时，丝杠不卡，运行平稳，这有利于延长丝杠的寿命。那么结构上应该包含什么主要的特征，才能实现？目前我知道的有2种结构，虽然外形不同，但是实质是都一样。核心都在于，在螺母和被连接件之间，有一个十字滑块件，用来吸收由于螺母的位置变化（假设是垂直于XY方向的运动），引起的XY方向上位置变化。当然这个滑动量一般不大，设计时单边留1.5mm就足够了，设计概念如下图。

　　螺母解耦结构1的优点是，设计紧凑，占用空间小，缺点是装配和拆卸麻烦一点，因为需要先把绿色和蓝色工件从轴端套进去。拆卸时，也得松开轴端。而解耦结构2的优点是拆卸和装配简单一些，没有结构1的拆装问题，因为可以在装配了丝杠后再装配，拆卸时也可以直接拆卸，而不必取下轴端支持轴承。但是缺点就是占用了轴向太多的空间，同样长度丝杠缩短了行程。另外结构1那个绿色滑动件可用Turcite X红胶材料，因为耐磨且摩擦系数是0.2。结构2绿色件可以用铝或者钢，因为其里面需要安装滑套。

　　9.?应用场合的区别梯形丝杠，是滑动摩擦，过高的速度将在结合面上产生高热量，导致磨损加剧。所以梯形丝杠，适合用于重量较轻，速度要求不高的应用中。同时梯形丝杠，因为精度低些，所以往往更适合于对精度要求不高的应用，比如慢速转移，搬运等。而滚珠丝杠，发热小，精度高，通常更适合要求平稳运动，高效率，高精度，以及长时间连续或高速运动的应用，比如半导体设备。

　　10.《滚珠丝杠计算选型例子》

　　最后如何根据精度，速度，载荷，寿命等条件，选择滚珠丝杠，滚珠丝杠和梯形丝杠的预压方式