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在機(jī)械設(shè)計中，我們經(jīng)常用到滾珠絲桿和梯形絲桿，它們是兩種常用的，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動的方法。

其中，滾珠絲桿因為摩擦小，可逆，還可將直線運(yùn)動，變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，我們稱這種傳動為逆效率傳動。

那么，這兩者有什么區(qū)別？什么時候用滾珠絲桿？什么時候用梯形絲桿？

1.結(jié)構(gòu)不同

首先，我們來看看結(jié)構(gòu)，因為結(jié)構(gòu)決定特性。

滾珠絲桿，從字面上也很好理解，就是用滾珠來滾動，滾珠在哪里滾動，當(dāng)然是在滾珠絲桿軸上滾動。

所以，絲桿軸上有圓弧輪廓，此輪廓在軸上按照一定的升角（導(dǎo)程角）盤旋在軸上。

而滾球被設(shè)計在螺母里，在絲桿軸圓弧輪廓里滾動，所以是滾動摩擦。

其運(yùn)動原理，就是螺旋副，簡單理解，就是類似于擰螺釘，我們知道，擰螺釘時，如果在螺釘端部限制螺釘移動，那么被螺紋嵌入部件，就會沿著螺釘軸線移動。

滾珠絲桿，也是同樣的道理，把絲桿軸一端或者兩端沿軸向固定，用馬達(dá)驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，那么，帶鋼球的螺母，就會沿絲桿軸線方向運(yùn)動。

梯形絲桿和滾珠絲桿的運(yùn)動原理相同，不同之處在于，梯形絲桿里沒有滾珠，那么螺母和絲桿軸之間的運(yùn)動，完全靠機(jī)械接觸產(chǎn)生滑動，是滑動摩擦，所以梯形絲桿也叫滑動絲桿。

所以兩者的結(jié)構(gòu)區(qū)別，用一句話概括就是: 滾珠絲桿是滾動摩擦，梯形絲桿是滑動摩擦。

2.傳動效率不同

很顯然，滾動摩擦的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滑動摩擦系數(shù)。

比如，NSK和THK都顯示，滾珠絲桿的摩擦系數(shù)在0.003到0.01之間，而梯形絲桿的摩擦系數(shù)在0.1到0.2之間。

再比如，REXROTH顯示，滾珠絲桿的摩擦系數(shù)在0.005到0.01之間，而梯形絲桿的摩擦系數(shù)在0.2到0.3之間。

這也是為什么大多數(shù)滾珠絲桿的傳動效率高達(dá)90%，有的甚至達(dá)到95%以上，而大多數(shù)梯形絲桿的傳動效率低于70%。

比如，知名的絲桿供應(yīng)商Thomson linear顯示，滾珠絲桿的傳動效率在85%-95%之間，而梯形絲桿的傳動效率在30%-70%之間。

而另一家供應(yīng)商Helix linear則顯示，其梯形絲桿的傳動效率在15%-85%之間。

梯形絲桿的傳動效率低下，從能量的角度來看，是因為滑動摩擦，特別是高速運(yùn)動，產(chǎn)生了大量的熱，如果絲桿或者螺母受不了，就會“燒著了”，所以，梯形絲桿不太適合高速運(yùn)行要求，其最高轉(zhuǎn)速一般不超過3000RPM。

而滾珠絲桿，因為是滾動摩擦，所以沒有那么多熱量產(chǎn)生，速度可以達(dá)到很高，比如10000RPM。

但是，兩種絲桿，由外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩，計算公式一樣，都是Ta=Fa*L/2πη，F(xiàn)a表示由外部負(fù)荷產(chǎn)生的軸向力，L表示導(dǎo)程，η表示效率。

這個公式用功和能量原理很好理解，因為公式可以寫成Ta*2πη=Fa*L，很明顯，左邊表示轉(zhuǎn)一圈時，扭矩的有效功，右邊表示克服載荷移動一個導(dǎo)程，需要的能量。

所以，在導(dǎo)程相同的情況下，就扭矩計算而言，選擇的主要區(qū)別就在于效率。

因為滾珠絲桿的效率是梯形絲桿的2-4倍，所以一般而言，用同樣的導(dǎo)程，來驅(qū)動相同的負(fù)載時，滾珠絲桿更有優(yōu)勢。

3.自鎖性不同

理論顯示，當(dāng)絲桿傳動效率大于50%時，沒有自鎖性，當(dāng)傳動效率小于35%時才有自鎖性。

所以，滾珠絲桿沒有自鎖性，而梯形絲桿有一定的自鎖性。

所以，就Z向應(yīng)用來說，梯形絲桿有自鎖的優(yōu)勢，當(dāng)然，實際情況，還需要考慮精度速度等因素。

如果將滾珠絲桿，應(yīng)用于豎直方向，則需要考慮斷電時，無法自鎖，需要加額外的結(jié)構(gòu)或者器件，來保證停電時，絲桿螺母停留在原來的位置，而不會滑落下來，這對安全起著重要的作用。

現(xiàn)在很多電機(jī)自帶剎車模塊，就是斷電時，可以抱住電機(jī)軸，不讓它旋轉(zhuǎn)，起到保護(hù)作用，當(dāng)然，剎車能提供的扭矩是有限的，可以根據(jù)需要選擇合適的型號。

4.制作材料不同

滾珠絲桿軸一般是用不銹鋼或者合金鋼，而螺母一般用銅制，因為銅可以承受較大的載荷，同時摩擦系數(shù)小，有一定的自潤滑作用，正如我們常見的一些直線軸承，或者平面滑板，也用銅，正是這個原因。

梯形絲桿軸也用不銹鋼或者合金鋼。而對于螺母，則和滾珠絲桿有一點不同，很多時候，梯形絲桿螺母會使用非金屬材料。

比如低載荷時，一般用低摩擦系數(shù)，耐高溫的合成工程材料，如在尼龍，賽鋼，PEEK，VESPEL，PET，PPS等材料中，混入特富龍(PTFE)，來實現(xiàn)低摩擦系數(shù)，同時有一定的耐熱性能。

很多時候，PEEK材料本身就被用來做動態(tài)接合面的密封，而PTFE和尼龍也經(jīng)常被用來做涂層，起到潤滑的作用，比如上一篇文章《機(jī)械設(shè)計中，重力平衡有哪些方法？》中提到的鋼繩氣缸，鋼繩上就有尼龍涂層，達(dá)到降低摩擦的作用。

再比如，我們常用的用來做螺母的熱塑性材料，有Turcite A和Turcite X，這是兩種耐磨，自潤滑材料。

數(shù)據(jù)顯示，Turcite A，抗拉強(qiáng)度為52.4Mpa，抗彎強(qiáng)度75.84Mpa，抗壓強(qiáng)度89.63Mpa，這些強(qiáng)度都高于Turcite X(三種強(qiáng)度值分別為40.68Mpa，55.16Mpa，82.74Mpa)，而且其PV值僅有7500psi-fpm，大約是TurciteX的一半，所以它用于中度至重負(fù)荷，而且適用于中度速度。同時，Turcite A比Turcite X有較高的耐磨性，顏色為藍(lán)色，通常是圓棒材料。

而Turcite X比Turcite A有更低的滑動摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)為0.22（Turcite A為0.3），而且，其極限PV值為Turcite A的兩倍多，達(dá)到16000psi-fpm，但是其抗拉強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度都比Turcite X低，所以適用于輕載荷，高速度的應(yīng)用，其顏色為紅色。

當(dāng)然，高載荷時，梯形絲桿也用銅做螺母。

為什么降低摩擦在這里變得如此重要？

因為梯形絲桿有PV（PressureVelocity）極限的問題，也就是說載荷一定時，速度有限制，如果載荷偏大，那么速度需要變得低一點，載荷小速度可以高些。

因為對于特定材料，摩擦產(chǎn)生熱量，如果這個熱量的耗散速度太低，跟不上熱量的產(chǎn)生速度，那么就會導(dǎo)致材料永久變形，通俗理解就是“燒著了”。

5. 制造方法及最終精度不同

滾珠絲桿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，就是用一種帶有絲桿輪廓的工具，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(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者，但是后者的制造設(shè)備成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。

所以說，磨制絲桿的進(jìn)入門檻較低，軋制生產(chǎn)的進(jìn)入門檻較高，能生產(chǎn)軋制絲桿的廠家一般也能生產(chǎn)磨制絲桿，而能生產(chǎn)磨制絲桿的廠家不一定能生產(chǎn)軋制絲桿。

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，軋制和磨制僅指絲桿軸，金屬螺母全是磨削制造。

當(dāng)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(dǎo)程精度，就是導(dǎo)程會存在誤差，不是理想的那樣一直不變。

比如理想導(dǎo)程是5mm，連續(xù)測量5次相鄰導(dǎo)程，實際導(dǎo)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(dǎo)程精度時，就需要從導(dǎo)程精度表中去查詢。

導(dǎo)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，軋制滾珠絲桿能實現(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屬于研磨級絲桿，研磨滾珠絲桿的最高精度，可以達(dá)到C0級，也就是±3um/100mm，即使是低級別C5的滾珠絲桿，也可以達(dá)到±18um/100mm的精度。

需要注意的是，研磨滾珠絲桿的精度，不能做扎制滾珠絲桿一樣的推演，因為研磨絲桿的精度高，內(nèi)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(nèi)時，可以實現(xiàn)的精度是±18um。而當(dāng)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，滾珠絲桿說得差不多了，接下來我們說說梯形絲桿。

梯形絲桿有滾壓，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，滾壓梯形絲桿可以達(dá)到的精度是±75um/300mm，這個值介于扎制滾珠絲桿精度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(dá)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，其研磨梯形絲桿能達(dá)到的精度是±12.5um/300mm，而銑削可以達(dá)到的精度是±50um/300mm，滾壓只能實現(xiàn)±90um/300mm的精度。

綜合來看，滾珠絲桿的精度高于梯形絲桿，所以一般對精度要求高的應(yīng)用，滾珠絲桿是首選。





6.軸向間隙及預(yù)壓方式不同

軸向間隙，也是選取絲桿時，需要考慮的一個非常重要的因素，因為間隙的存在會導(dǎo)致返程誤差，這直接影響了反向運(yùn)行時的精度。

滾珠絲桿按照間隙的不同，分成不同的等級。

例如，THK分成G0(0及預(yù)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(yù)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。

對于梯形絲桿，Thomson顯示，軸向間隙在0.02mm-0.25mm之間。

為了消除螺母和絲桿軸之間的軸向間隙，提高傳動精度，滾珠絲桿和梯形絲桿都可以增加預(yù)壓。

但是，兩者的預(yù)壓方式有所不同。

例如，THK和NSK滾珠絲桿，對于單螺母，使用螺母相位差，而對于雙螺母，則使用預(yù)壓墊片，或者使用彈簧片做預(yù)壓。

使用相位差來實現(xiàn)預(yù)壓，也就是在螺母中，改變中央溝槽的螺距，使得溝槽兩側(cè)的鋼球處于繃緊狀態(tài)，達(dá)到預(yù)壓的目的。

使用相位差和墊片都是定位預(yù)壓方式，而使用彈簧片預(yù)壓是屬于定壓預(yù)壓方式。

理論上，滾珠絲桿預(yù)壓量設(shè)定為外部負(fù)荷的1/3，就可以達(dá)到無間隙傳動，但是那樣，預(yù)壓偏高，減小了使用壽命，所以，實際使用時，最大預(yù)壓量設(shè)定為額定動載荷的10%，例如半導(dǎo)體設(shè)備上，一般使用的預(yù)壓量是1%－4%。

而梯形絲桿，一般使用壓簧做預(yù)壓，彈簧向絲桿軸兩個方向張緊其兩側(cè)的螺母，使得螺母完全接觸絲桿軸。

當(dāng)然，彈簧做預(yù)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(yù)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，絲桿壽命縮短。

所以，現(xiàn)在有另外一種預(yù)壓方法，叫主動凸輪預(yù)壓法。這個方法，不直接用壓簧在軸向做預(yù)壓，而改用扭簧配合端部凸輪。

扭簧扭轉(zhuǎn)，驅(qū)動扭簧兩側(cè)的梯形絲桿螺母旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，需要的力是非常大的。

綜合來說，軸向間隙當(dāng)然是滾珠絲桿更小，而預(yù)壓方式也是滾珠絲桿更多，因為梯形絲桿目前的預(yù)壓方式，都屬于定壓預(yù)壓法，而滾珠絲桿是定位預(yù)壓和定壓預(yù)壓兩種。

7.計算方法有所不同

滾珠絲桿精度等級及軸向間隙選擇依據(jù)

滾珠絲桿及驅(qū)動電機(jī)力矩計算公式
滾珠絲桿在計算時，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(dǎo)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(nèi)的誤差控制在±35um以內(nèi)，小于±50um，在要求以內(nèi)，剩下的±15um誤差，分配給系統(tǒng)剛度和控制誤差。

運(yùn)行速度V（mm/min）和滾珠絲桿的導(dǎo)程L（mm）及馬達(dá)轉(zhuǎn)速n（r/min）有關(guān)，L=V/n。高速要求時，可以適當(dāng)加大導(dǎo)程，但是導(dǎo)程的加大會要求更大的馬達(dá)驅(qū)動力矩（Ta=Fa*L/2πη），所以需要綜合考慮。

選擇滾珠絲桿時，根據(jù)載荷確定需要的扭矩及電機(jī)，是最花時間的一塊。

滾珠絲桿計算扭矩時，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=絲桿側(cè)齒數(shù)N2/馬達(dá)側(cè)齒數(shù)N1，表示減速比。

Ta=Fa*L/2πη: 表示勻速時的驅(qū)動力矩。

Tpmax＝0.05(tanβ)^-0.5*Fa0*L/2π（基準(zhǔn)力矩）＋Δ：表示預(yù)緊滾珠絲桿的最大動摩擦力矩，β表示螺紋升角，F(xiàn)a0表示預(yù)緊力。Δ表示力矩變動率的上許可范圍，可以在計算了基準(zhǔn)力矩的基礎(chǔ)之上，查表求得。當(dāng)然，Tpmax也可以在具體的絲桿型號參數(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(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。

JM: 電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。

JG1: 馬達(dá)側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)動慣量。

JG2: 絲桿側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)動慣量。

JS: 絲桿軸的轉(zhuǎn)動慣量。

m: 移動物體總質(zhì)量。

α：馬達(dá)的角加速度。

而梯形絲桿一般只需要一個公式就夠了，T1=FP/2πη，因為梯形絲桿適用于低速的應(yīng)用，不存在高速往返，高加減速等問題，當(dāng)然也需要結(jié)合實際要求做計算，并給定一定的余量。

8. 螺母解耦的結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)絲桿較長，螺母受到軸向偏轉(zhuǎn)力矩，或者螺母受到軸向載荷時，絲桿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(dǎo)致磨損加劇，影響精度。

這時，需要從螺母連接結(jié)構(gòu)上進(jìn)行解耦，以保證絲桿螺母運(yùn)行到行程內(nèi)的任何位置時，絲桿不卡，運(yùn)行平穩(wěn)，這有利于延長絲桿的壽命。

那么，結(jié)構(gòu)上應(yīng)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(jié)構(gòu)，雖然外形不同，但是實質(zhì)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(shè)是垂直于XY方向的運(yùn)動），引起的XY方向上位置變化。

當(dāng)然這個滑動量一般不大，設(shè)計時單邊留1.5mm就足夠了，設(shè)計概念如下圖。

螺母解耦結(jié)構(gòu)1的優(yōu)點是，設(shè)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(lán)色工件從軸端套進(jìn)去。拆卸時，也得松開軸端。

而解耦結(jié)構(gòu)2的優(yōu)點是拆卸和裝配簡單一些，沒有結(jié)構(gòu)1的拆裝問題，因為可以在裝配了絲桿后再裝配，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，同樣長度絲桿縮短了行程。

另外，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)2綠色件可以用鋁或者鋼，因為其里面需要安裝滑套。

9. 應(yīng)用場合的區(qū)別

梯形絲桿，是滑動摩擦，過高的速度將在結(jié)合面上產(chǎn)生高熱量，導(dǎo)致磨損加劇。

所以，梯形絲桿，適合用于重量較輕，速度要求不高的應(yīng)用中。

同時，梯形絲桿，因為精度低些，所以往往更適合于對精度要求不高的應(yīng)用，比如慢速轉(zhuǎn)移，搬運(yùn)等。

而滾珠絲桿，發(fā)熱小，精度高，通常更適合要求平穩(wěn)運(yùn)動，高效率，高精度，以及長時間連續(xù)或高速運(yùn)動的應(yīng)用，比如半導(dǎo)體設(shè)備。