行星滚柱丝杠/滚珠丝杠的选型和优缺点

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行星滚柱丝杠
优点:
· 预紧版具有高承载能力和高轴向刚度的特点
· 在频繁改变方向和高线速度的应用中表现出色
· 高定位准确度、高重复性和可靠性
· 定制化设计的可行性


特点:
· 重载能力强，导程范围宽（1至50mm），使用寿命长
· 3种螺母设计形式，带或不带循环滚柱
· 高转速取决于螺丝公称直径，N.d0可达210mm
· 提供带轴向间隙、消除齿隙或执行预紧的型号
各类行业都依赖行星滚柱丝杠产品来满足其驱动要求。从传统形式的线性驱动转变，其滚柱丝杠代表了进、强劲的机电驱动的推手。瑞士是该项技术的先驱者，提供了高质量的滚柱丝杠产品。 滚柱丝杠非常适用于重型负载、高功率、高转速、高线速度、高加速度（特别是行星滚柱丝杠）、要求极高的精度和刚性的条件下使用，也适合在恶劣环境中运行。根据应用要求，提供3种不同类型的滚柱丝杠：行星滚柱丝杠、循环滚柱丝杠和反向滚柱丝杠。




为什么要使用滚珠丝杠？
普通螺钉在其螺纹上滑动并拉动连接件。这就是 ACME 螺钉的工作原理。这种滑动运动很容易产生，但效率极低；大约 40% 的输入功率被传输到工件。为了改进这个想法，必须用滚动元件代替滑动接触。滚珠丝杠使用螺母中的滚珠轴承沿丝杠滚动。球必须再循环，否则它们会从螺母中掉出。这导致目前的循环滚珠丝杠设计效率超过 90%。




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GSA 行星滚柱丝杠螺纹工业集团。
滚珠丝杠的物理特性：
滚珠丝杠的四个主要部件包括滚珠丝杠轴、滚珠螺母、滚珠轴承和密封件，下文将进一步说明。




1. 滚珠丝杠轴：
丝杠轴是一根铬钢长条，其凹槽形成螺旋状。这是滚珠丝杠的主体。

• 滚珠凹槽设计：在为滚珠丝杠形成凹槽时，重要的是要考虑接触点。最常见的凹槽样式是哥特式拱门。这种类型的凹槽始终允许四个接触点。通过四个接触点，球可以在该平面的任何方向上加载。
  

• 滚珠的节圆直径：节圆（dm）是从轴承中心到丝杠另一侧轴承中心的距离。该测量用于最大速度计算。
  

• 公称直径：丝杠的外径。这种测量对于确定丝杠的尺寸很有用，因为它易于测量。
  
• 根径：从槽底到相邻槽底的直径。这是丝杠中最小的部分，对于临界速度计算很重要。
  
• 导程：它是螺母在一圈内移动的距离。导程越大，螺母移动的速度越快。导程还决定了螺杆的垂直最大有效载荷和制动力。这是因为对于更大的引线，负载角更陡；它可以承受的重量更小。
  

• 滚珠直径：在预紧力为 0 的情况下装入沟槽的滚珠轴承的直径。这用于计算可提供一定预紧力的滚珠轴承的直径。与螺母和螺杆间隙相比，滚珠越大，预紧力就越高。
  

2. 滚珠螺母（螺母和滚珠再循环）：
滚珠丝杠螺母主要有 3 种类型，各有特点：

• Profile Ball Groove：这是最常见的一种滚珠螺母，制作简单，性能稳定。它的简单性使这种螺母易于批量生产和调整以适应大多数尺寸、引线和负载。滚珠通过管子进行再循环，这些管子拾起轴承，然后将它们放回循环中。球在再循环之前的行数通常在 1.5-3.5 行之间，以保持回流管尺寸易于管理并更容易重新球化。
  

• 球节圆直径：该螺母具有微调轮廓，因为它不使用管子来移动球。相反，偏转器用于将轴承撞到先前的轨道上。这意味着每一圈都必须有一个导流板，每个导流板只有一个节圆。这种设计本质上也更适合较小的导程角，因为凹槽之间的距离较小，因此更容易“跳跃”。这种类型的螺母制造起来更昂贵，因为更多的轨道被内部化并且其应用受到铅的限制。非常适合用于小型、空间有限且引线较小的应用。由于再循环方法，每个循环只能有一行。
  

• 端盖：这些类型的螺母专门用于高导程和多头螺纹。它是为这些类型的螺母保留的，因为生产它们需要模具，增加了成本。在这种再循环类型中，每个循环的行数不受限制，每次启动一个循环，整个螺母再循环是正常的。
  

多个启动线程：
多螺纹螺钉用于高导程应用，以允许更多的滚珠与螺母接触。多螺纹仅用于大导程螺杆，因为在小导螺杆上实际上没有空间添加它们。想象多螺纹螺杆的一个好方法是想象一根有多种颜色的拐杖糖。不同的颜色是不同的开始。端盖用于这些滚珠丝杠，因为它们使用较少的空间进行再循环。使用多个启动螺钉时要考虑的另一件事是导程和螺距不再相同。领先是间距乘以启动次数。见下图。




3.滚珠轴承：

• 直径：轴承直径必须适合导程和轴径。如果球太小，则螺纹之间的空间太大；相反，如果它们太大，它们就会离得太近。凹槽之间的波峰应该是平的，但不能太大。
  

• 加载：滚珠之间没有像圆形轴承那样的保持器，因此当发生不希望的球对球接触时，滚珠可能会卡住。这可以通过添加间隔球来减少。间隔球是在负载球之间旋转的稍小的球，但这会降低负载能力，因为负载球较少。已开发出一种合成塑料保持架，可为任何循环滚珠轴承应用增加许多理想的特性。塑料保持架可防止球对球接触，减少摩擦、卡住并延长使用寿命。这些笼子还可以收集油和油脂，有助于保持球上油良好。
  

4、密封件：有标准密封件和高性能密封件，适用于不同环境。所有密封件都防止异物进入螺母和滚珠丝杠之间的空间。一些密封件还用于润滑剂保留。

• 标准印章：
  
  
  • 塑料：用于普通或标准滚珠丝杆，属于非接触式：通过障碍物阻挡杂物
    
  • 刷子：用于滚动滚珠丝杠，属于接触式，刷掉轨道上的碎屑
    
  
  
• 高性能：专为单个螺母和导程组合制造的密封件。这些密封件有一个特殊的唇缘，可以阻挡污染物，同时只会略微增加操作扭矩。这些密封件用于特别脏的工作，例如木工、焊接和汽车制造。
  

什么是准确性？
精度是滚珠丝杠操作的重要组成部分之一，因为滚珠丝杠主要用于保持精度和准确度。导程误差和安装误差是滚珠丝杠应用中需要重点考虑的两个计算误差参数。
1. Lead Error： Lead Error有两种定义方式：预期长度（L）与实际长度（L+/-e）之差，以及所有e的总和（∑e=E）。例如，如果 L 为 5mm 且 e=+/-.005mm，则可能的长度可能为 4.995-5.005mm。






2、安装误差：安装误差是由丝杆的支撑方式和滚珠螺母的安装引起的。三种最可能的安装错误包括轴承未对准、联轴器未对准和螺母未对准。安装错误会产生噪音、缩短寿命并导致定位错误。
什么是预载？
预载是在施加操作载荷之前施加在零件（螺栓、螺钉、轴承等）上的载荷。此负载会导致一些弹性变形，从而提高性能。弹性变形是一种完全可逆的形状变化，就像压扁橡皮球一样。对于滚珠丝杠，预紧力位于螺母和丝杠的界面上。滚珠轴承以及螺母和螺钉槽都被“挤压”在一起。

这种“挤压”消除了反冲并减少了偏转。齿隙是由传动系统松动引起的空转量，会导致放置错误。预紧力与螺母形成紧密配合，消除了反冲。增加的刚度是由于一块钢被弹性加载的现象引起的；它变得越来越难以变形。预紧消除了“容易”变形的可能性；需要更大的力量。

添加预加载有几种不同的方法：

• 选择一个比凹槽大的球
  
• 选择一个比螺丝小的螺母
  
• 选择一个比螺母大的螺丝
  
• 使用 2 个螺母并插入一个楔子
  
• 使用 2 个螺母并插入一个弹簧
  
• 螺母内的偏置凹槽
  

滚珠丝杠组件：
必须支撑滚珠丝杠，以便轴可以旋转。通常这涉及滚子轴承和固定支架。一些较长的螺钉需要支撑以达到临界速度和弯曲限制。可能需要进行端面加工以装入轴承或连接到电机。连接到电机需要联轴器和适当的加工。为了使螺母准确平移，必须用工作台和支撑导轨对其进行约束。最后，滚珠丝杠组件应如下图所示。




滚珠丝杠使用什么类型的润滑？
滚珠丝杠可以使用油脂或油进行润滑。建议在大多数正常应用中使用润滑脂。这是因为油脂不需要任何特殊的润滑系统，而且比油需要的油脂少得多。高速应用或需要时可能需要油。
滚珠丝杠的历史：
从19世纪开始就有人尝试用滚动摩擦螺杆代替滑动摩擦螺杆。但由于制造水平和技术水平的限制，滚珠丝杠的第一个实际应用是通用汽车公司，其转向柱采用了滚珠丝杠。从那时起，围绕滚珠丝杠的技术发展迅速。这种快速进步使它们被用于 CNC 机器、自动化制造和医疗设备。凭借卓越的精度、可重复性和高效率，滚珠丝杠是将旋转运动转化为线性运动的最佳方式。
滚珠丝杠应用
滚珠丝杠用于运动控制，但需要轴承支撑和电机联轴器才能有效工作。通过将滚珠丝杠与线性平台结合使用，我们能够为许多应用产生稳定的线性平移。出于这个原因，滚珠丝杠用于从车库门开启器到 CNC 机器和 MRI 工作台滑块的广泛行业。滚珠丝杠不常用于需要小于滚珠直径的摆动运动的应用中。这种类型的运动会去除润滑层并导致错误增加。这可以使用较小的滚珠丝杠和特殊润滑脂来解决。
滚珠丝杠的寿命
滚珠丝杠的摩擦系数非常低，这是其精度和使用寿命的关键。实际寿命由载荷、速度、导程和螺杆尺寸决定。常用值为 20,000 小时和 50,000 公里或 5 年。
滚珠丝杠所需的维护
大多数滚珠丝杠需要一定程度的定期维护；然而，一些特殊的滚珠丝杠不需要任何维护！确保导轨没有水、污垢、灰尘和碎屑等污染物。还应使用油或油脂润滑螺母。油脂的整体性能较低，但比油（需要循环系统）更方便、使用更便宜且更易于维护。
滚珠丝杆用语
反冲- 因传动系统松动而产生的“空转”。

滚珠轴承 -一种铬钢滚珠，公差严格，可支撑负载。

滚珠螺母——安装在滚珠丝杠上并使用循环滚珠轴承的螺母。

滚珠丝杠轴 -带有螺旋槽的铬钢轴，装有滚珠轴承，可将旋转运动转变为直线运动。

弹性变形- 一种非永久性的形状变化，会自行逆转。

端盖螺母 - 一种在末端再循环的螺母类型，用于容纳大型和多根引线。

润滑脂——一种不太粘稠的润滑剂。

带领-旋转一圈所走的直线距离。

导程误差——滚珠螺母的实际行程与理论行程之差。

润滑剂——一种减少其他物体之间摩擦的物质。

安装误差 - 由于在轴承、电机、滚珠螺母等中安装螺钉不准确而导致的误差。

多起始螺纹 -具有多个轨道的螺钉，由于空间限制仅适用于大导程。用于向大导程滚珠螺母添加更多滚珠。

标称直径——螺纹“顶端”的直径；螺杆的最大直径油-一种高粘度的润滑剂

节

圆螺母-一种每次旋转都使

滚珠

循环的螺母类型，适用于小导程和小螺母外形涉及的零件变形。

Profile Ball Nut-最常见的螺母类型，它使用管子使球再循环。

根径——从螺钉底部算起的直径，

最薄点，用于寿命计算。
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