线性驱动之滚珠丝杆和滑动丝杆

在传动界，滚珠丝杆是不可或缺的关键机械部件。它是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。

一.滚珠丝杆是什么时候发明的？

滚珠丝杆是由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，是将轴承从滑动动作变成滚动动作。

1898年，人们首次尝试在螺帽与螺杆之间加入钢珠，将传统螺杆的滑动接触转换成滚动接触；以滚动摩擦取代滑动摩擦，将螺帽内的钢珠回转运动转为线性运动，将扭矩转换成轴向反复作用力，以此来改善传统螺杆定位不佳及易损害的情况。

滚珠丝杆是由德克萨斯州的Rudolph G. Boehm发明，于1929年被授予美国专利。

当滚珠丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。

滚珠丝杠组件是金属的，通常是钢制的，由内螺纹螺母和螺杆组成，螺母的螺旋槽与螺杆的螺旋槽相匹配。在凹槽内部，包含在螺母里的是许多由铬钢制成的小球。当滚珠在螺母中循环时，滚珠在螺杆下方提供平稳运动，导流板或返回系统保持球并使它们通过螺母循环。

与电机一起使用时，滚珠丝杠的效率高达90％。它们相当精确，每英尺几千分之一英寸的精度。许多行业都使用滚珠丝杠进行精确控制，包括航空航天，计算机，电子，汽车和医疗行业。

滚珠丝杠也经常用于制造过程，在机器人、自动化装配线、材料处理设备、输送机、机床、电线控制和精密装配设备中都很常见。

二.滚珠丝杆如何来工作？

滚珠丝杠组件是由螺杆和螺母组成，每个都带有匹配的螺旋槽，滚珠在这些槽之间滚动，提供螺母和螺杆之间的唯一接触。

当螺杆或螺母旋转时，滚珠被偏转器偏转到螺母的球返回系统中，并且它们以连续的路径穿过返回系统到达滚珠螺母的相对端。然后滚珠从返回系统退出到滚珠丝杆和螺母螺纹滚道中，以便在闭合回路中再循环。

滚珠螺母决定滚珠丝杆组件的负载和寿命。滚珠螺母回路中的螺纹数量与滚珠丝杆上的螺纹数量之比，决定滚珠螺母将比滚珠螺杆更快地达到疲劳失效（磨损）的程度。

滚珠螺母包含两类滚珠返回方式，外循环式和内循环式。

外循环式（如下图所示）：滚珠通过返回管回到回路的相对端，滚珠返回管突出于滚珠螺母的外径之上。

内循环式：滚珠通过或沿着螺母壁返回，低于滚珠螺母的外径。

内循环式有一个旋转回路（如上图所示），滚珠被迫通过返回系统爬过螺杆上的螺纹顶部，这被称为交叉偏转器型内部返回系统。在交叉偏转器类型的滚珠螺母中，滚珠仅使轴旋转一圈，并且回路由螺母（C）中的球偏转器（B）封闭，允许滚珠在点处的相邻凹槽之间交叉（ A）和（D）。

当长滚珠丝杠高速旋转时，一旦长细比达到该轴尺寸的自然谐波，它就会开始振动。这称为临界速度，可能对滚珠丝杠的使用寿命非常不利。（安全运行速度不应超过螺杆临界速度的80％）

三.滚珠丝杆与滑动丝杆的区别在哪里？（滑动丝杆我们有时也称之为梯形丝杆）

滚珠丝杠和滑动丝杠都是我们在机械设计中经常会使用到的两种能够将旋转运动转化为直线运动的元件，其中，滚珠丝杠还能够实现将直线运动转化为旋转运动，也就是说滚珠丝杠的这种传动具有可逆性，那么，除此之外，这两者还有哪些区别呢？哪种情况下应该选择滚珠丝杠？哪种情况又应该选用滑动丝杠呢？下面小维和大家一起来了解下滚珠丝杠与滑动丝杠的区别：

1、结构不同

滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成，而滑动丝杠主要是由螺杆和螺母组成，滑动丝杠由于没有滚珠，所以相对结构简单，安装拆卸更方便，但是精度不如滚珠丝杠。滚珠丝杠是属于滚动摩擦，而滑动丝杠是属于滑动摩擦。

2、传动效率不同

滚动摩擦的摩擦系数远远低于滑动摩擦系数。据相关数据表明，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

传动效率大于50%是不存在自锁性的，当传动效率小于35%才会有自锁性，滚珠丝杠不具备自锁性，单就Z向应用来说，滑动丝杠具备自锁性的优势。但是我们还需要考虑精度、速度等因素。

4、制造材质不同

滚珠丝杠的轴一般是用不锈钢或者合金钢，而螺母一般用铜制，而滑动丝杠的螺母一般是由工程塑料制成，以此实现低摩擦系数，同时有一定的耐热性能。

5、工艺不同

滚珠丝杠的制作工艺有研磨和轧制，其中轧制工艺的门槛高一些，轧制工艺更加容易实现批量高效生产，价格相对便宜。滑动丝杠有滚压，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。

6、适用场景不同

由上述内容可知，滚珠丝杠和滑动丝杠分别属于滚动摩擦和滑动摩擦，梯形丝杠精度稍低适合用于重量较轻，速度要求不高的应用中。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。

苏州维本工程塑料Wintone Z33是一款强韧耐磨型工程塑料，在齿轮、螺母等耐磨功能件的应用上最显著的特点是：耐磨、静音、耐腐蚀、强韧且不受水份影响。

在丝杆步进电机螺母和各类减速电机传动齿轮的应用上，与传统的POM和PA66相比，Wintone Z33具有更好的耐磨性、静音、弹性、耐疲劳性和抗形变能力，Z33在保持了良好刚性的同时，进一步提升了弹性和韧性（这种优异的机械性能在摄氏-40度、0度和80度都有保持和体现），可以帮助解决齿轮断齿问题，同时大幅度降低摩擦噪音，经应用后比较，Wintone Z33也优于不少耐磨改性规格的POM和PA66（如聚四氟乙烯，硅酮类或二硫化钼改性）。

另外，Z33具有很好的耐腐蚀性，可以用于很多场景下接触各类化学物质的严苛环境，比如PCB设备齿轮、印染纺织机械上的齿轮，液压系统的挡圈和密封圈，等等，成功替代价格昂贵的PEEK，PA12，PVDF，PTFE，PA46，TPEE的部分应用领域。另外Z33的吸湿很少，综合性能受水份的影响很小，整包装Wintone Z33注塑前不需要提前烘料，可以直接注塑，注塑完无需水处理。

四.滚珠丝杆可能发生问题的原因与预防

间隙太大

1. 无预压或预压不足

无预压的滚珠丝杆垂直放置时，螺帽会因本身的重量而造成转动而下滑；无预压的丝杆会有相当的背隙存在，因 此只能用于较小操作阻力的机器，但主要的顾虑是定位精度较不要求。上银于不同的应用上决定正确的预压量，并于出货前调好预压；因此当您订购滚珠丝杆前请确实详述设备的操作情况。

2. 扭转位移太大

(1) 热处理不当、硬化层太薄、硬度分佈不均或材质太软钢 珠、螺帽、丝杆的标准硬度分别为HRC 62~66、HRC58~62、HRC 56~62。

(2) 不当的设计：细长比(Slender ratio)太大…等丝杆的细长 比越小刚性越高，细长比的界限必须在60以下如果细长比太大丝杆会产生自重下 垂。

3. 轴承选用不当

通常滚珠丝杆必须搭配斜角轴承，尤其是以高压力角设计的轴承为较佳的选择；当滚珠丝杆承受轴向负载时，一 般的深沟滚珠轴承会产生一定量的轴向背隙，因此深沟滚珠轴承并不适用于此。

4. 轴承安装不当

(1) 若轴承安装于滚珠丝杆而两者贴合不确实，在承受轴向负载的情况下会导致背隙的产生，这种情形可能是由于 丝杆肩部太长或太短所造成的。

(2) 轴承承靠面与锁定螺帽V形牙轴心的垂直度不佳，或两对应方向的锁定螺帽面平行度不佳，会导致轴承的倾斜；因此丝杆肩部的锁定螺帽V形牙与轴承承靠面必须同时加工，才能确保垂直度，如果以研磨方式加工更好。

(3) 以两个锁定螺帽搭配弹簧垫圈来固定轴承，以防止运转中鬆脱。

5. 螺帽座或轴承座刚性不足

如果螺帽座或轴承座刚性不足，由于元件本身的重量或机器的荷载会使其产生偏斜。此方式用 来检测螺帽座的刚性，类似的测试也可用来检测轴承座的刚性。

6. 螺帽座或轴承座组装不当

(1) 由于震动或未加固定销使得元件鬆脱。以实心销取代弹簧销达到定位的目的。

(2) 因固定螺丝太长或螺帽座螺丝孔太浅使得螺帽固定螺丝无法锁紧。

(3) 由于震动或缺少弹簧垫圈使得螺帽固定螺丝鬆脱

7. 支撑座的表面平行度或平面度超公差

不论结合元件表面是研磨或剷花，只要其平行度或平面度超出公差范围，床台运动时位置的重现精度将较差；因 此一部机器中，通常在支撑座与机器本体间以薄垫片来达到调整的目的。

8. 马达与滚珠丝杆结合不当

(1) 联轴器结合不牢固或本身刚性不佳，会使丝杆与马达间产生转动差(relative rotation)。

(2) 若不适合以齿轮驱动或驱动结构不是刚体，可用时规皮带来驱动以防止产生滑动。

(3) 键的鬆动，或是键、键槽、轮毂间的任何不当搭配，皆会使这些元件间产生间隙。

异物进入钢珠轨道

1.包装材料阻碍钢珠轨道：出货时以许多的材料及防鏽袋来包装滚珠丝杆，如果在包装或排列的时候未依适当的 程序来执行，异物或其他的物体可能会阻碍钢珠轨道，导致钢珠的滑动而非正常滚动甚至卡死。

2.加工碎屑进入轨道：滚珠丝杆若未安装刮刷器，加工碎屑或灰尘的堆积会阻碍钢珠轨道，造成顺畅度不佳、精 度降低及减少使用寿命。

碎裂

1. 钢珠破裂

钢珠最常用的材质是铬钼钢，若要使一颗直径3.175mm(1/8吋)的钢珠破裂，约须1400kg(3080磅)~1600kg(3520 磅)。滚珠丝杆有、无润滑于作动时温升差异明显，此温升可能造成钢珠破裂或损坏因此造成螺帽或丝杆珠槽的损坏。因此设计过程中须考虑润滑油的补充，如无法使用自动润滑系统，必须将润滑油的补充计划列入保养手册。

2. 迴流管凹陷或断裂

螺帽过行程或迴流管受到撞击会造成迴流管的凹陷或断裂，因此阻碍钢珠的循环路径，使得钢珠变成滑动而非正 常滚动，最后造成迴流管断裂。

3. 滚珠丝杆肩部断裂

(1) 不当设计：丝杆肩部应避免锐角设计，以减少局部应力集中。

(2) 丝杆轴颈弯曲：轴承承靠面与锁定螺帽V形牙轴心的垂直度不佳，或两对应方向的锁定螺帽面平行度不佳，皆 会导致丝杆肩部的弯曲或裂；因此在锁定螺帽锁紧的前后，丝杆肩部偏摆量不得超过0.01mm(0.004 吋)。

(3) 径向力或反覆应力(fluctuating stress)：安装丝杆时造成的偏心会产生异常的交变剪应力并使滚珠丝杆提早损坏。

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1.POM和PA66齿轮噪音比较大，耐磨耐疲劳性不够的问题。

2.PA12和TPEE齿轮，太软扭矩太小，耐磨性不够，在60摄氏度以上时，扭力下降比较快。

3.POM和PA66齿轮的耐腐蚀性不够，以及断齿的问题。

4.尼龙46齿轮的降噪性不够，尺寸受水份影响比较大。

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