滚珠丝杠和梯形丝杠的区别（二）

汉艺精工为您带来滚珠丝杠梯形丝杠区别第二期。

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。

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