在許多機(jī)構(gòu)中，滑動(dòng)絲桿一般用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和線性運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換。這些機(jī)構(gòu)的效率過(guò)去通常都比較低，需要加潤(rùn)滑脂以改善性能。在最近的數(shù)十年中，工程塑料材料和新的制造工藝的出現(xiàn)改變了這種情況,良好和合適的設(shè)計(jì)可以使滑動(dòng)絲桿成為運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)中高效的解決方案。滑動(dòng)絲桿原理粗看比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方案中采用滑動(dòng)絲杠副從失敗案例到成功案例的轉(zhuǎn)變，不僅需要了解滑動(dòng)絲桿的基本運(yùn)行原理，而且需要對(duì)絲桿副的前沿材料和加工工藝的有更好的理解，這是扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方案成敗的關(guān)鍵。　　為便于解釋滑動(dòng)絲桿的工作原理，我們首先回顧一下基本的斜面滑塊機(jī)構(gòu)。下圖1展示的是一個(gè)人在斜面上逐級(jí)向上推箱子，斜面將人的一部分水平推力轉(zhuǎn)化為克服物體重力的垂直力，除了重力和人的推力外，還有一個(gè)垂直于斜面的法向力以及物體和斜面之間的摩擦力。摩擦力方向是雙向的，因?yàn)樗偸桥c運(yùn)動(dòng)方向相反，在該應(yīng)用中運(yùn)動(dòng)可能是相對(duì)斜面往上或者往下的。摩擦力( Ff ) 取決于兩個(gè)作用面（重物和斜面）之間的摩擦系數(shù)和法向力( Fn )。在這個(gè)例子中有三個(gè)因素決定需要多大的力來(lái)推動(dòng)重物向上運(yùn)動(dòng)，斜面傾角( α )，負(fù)載的大小以及重物和斜面間的摩擦系數(shù)。當(dāng)傾角α增大時(shí)，需要更大的推力來(lái)向上推動(dòng)重物，但同時(shí)相同的提升高度行程也減小了。當(dāng)傾角足夠大或者摩擦系數(shù)足夠小時(shí)，重物在沒(méi)有外力支撐的前提下會(huì)從斜面上自由滑落（該現(xiàn)象在滑動(dòng)絲桿上稱之為該絲桿副不自鎖。　　絲桿的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或轉(zhuǎn)動(dòng)的力（扭矩）轉(zhuǎn)化為直線的力（推力）。為便于理解，忽略滑動(dòng)絲桿的牙形角，而將其簡(jiǎn)化為一個(gè)環(huán)繞圓柱向上的斜面，呈一個(gè)螺旋線。在這種情況下，斜面的抬升就等同于絲桿的線性運(yùn)動(dòng)，而斜面的運(yùn)動(dòng)就等同于絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。絲桿導(dǎo)程的定義是絲桿旋轉(zhuǎn)一周的直線行程，圖上所示重力代表絲桿上螺母所受的所有負(fù)載；人的推力代表驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸入扭矩，α代表螺紋升角。　　正確的選型是絲桿應(yīng)用成功的關(guān)鍵。明確所需推力和線性速度是一個(gè)良好的開(kāi)端。計(jì)算最大軸向推力要考慮許多因素，例如加速度，負(fù)載，負(fù)載方向，阻力等。最大速度取決于完成整個(gè)行程，包括加減速過(guò)程在內(nèi)所需要的時(shí)間；安全系數(shù)，速度和負(fù)載都需要考慮取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)；大多數(shù)情況下，最大推力將會(huì)細(xì)化絲桿直徑的可選范圍。絲桿的臨界速度（下文討論）也將限制直徑的選擇范圍。絲桿導(dǎo)程的選取還它信息，包括分辨率、自鎖力和輸入扭矩的大小。系統(tǒng)的分辨率定義是系統(tǒng)的最小轉(zhuǎn)動(dòng)角而獲得的直線移動(dòng)距離（有些設(shè)計(jì)中可以不考慮該因素）。相比于大導(dǎo)程絲桿，小導(dǎo)程絲桿的分辨率要更高。如果絲桿副需要在斷電并帶載的情況下，保持做位置不變，那就需要自鎖力。絲桿副的自鎖力取決于螺紋升角，牙形角和摩擦系數(shù)。如果絲桿副要求自鎖，需向絲桿制造商咨詢；因?yàn)椴煌瑥S家的絲桿螺紋牙形角有差異，摩擦系數(shù)取決于廠家選用的材料。輸入扭矩的大小實(shí)際是一個(gè)電機(jī)的選用問(wèn)題，例如空間尺寸，可獲得性，預(yù)算和電機(jī)的有效輸出功率。當(dāng)這些應(yīng)用的要求明確后，就可以得到清晰明確的對(duì)絲桿副的性能要求。　　將直線推力和線性速度轉(zhuǎn)化為扭矩和旋轉(zhuǎn)速度見(jiàn)以下所列公式1和公式2. 由公式可見(jiàn)，改變絲桿的導(dǎo)程將同時(shí)影響驅(qū)動(dòng)扭矩和旋轉(zhuǎn)速度，從而影響最終性能。公式1顯示改變效率將影響所需的驅(qū)動(dòng)扭矩。在絲桿直徑和導(dǎo)程不改變的前提下，可以通過(guò)改變摩擦系數(shù)從而提高絲桿副的效率；一般實(shí)現(xiàn)的方法有改變螺母材質(zhì)或?qū)z桿進(jìn)行表面涂覆等。　　公式1 驅(qū)動(dòng)扭矩=（導(dǎo)程x推力）/(2∏x效率)　　公式2 旋轉(zhuǎn)速度=線性速度/導(dǎo)程　　絲桿副的正確安裝和前篇的負(fù)載計(jì)算一樣也非常重要。安裝的結(jié)構(gòu)將決定機(jī)構(gòu)的最大可旋轉(zhuǎn)速度。該數(shù)值的參見(jiàn)簡(jiǎn)化計(jì)算公式3，該式假設(shè)螺桿彈性系數(shù)是28Mpsi（螺桿材料為303不銹鋼），安裝系數(shù)參見(jiàn)下表1所示，有4種。通常，最大旋轉(zhuǎn)速度取臨界速度的75%，以應(yīng)對(duì)制造和安裝誤差。不建議超過(guò)臨界速度運(yùn)行，將會(huì)損壞絲桿組件及其關(guān)聯(lián)部件。　　當(dāng)采用工程塑料材質(zhì)的螺母時(shí)，需要考慮壓力速度（PV）值。材料的PV特性是指該材質(zhì)能夠承受的發(fā)熱量。發(fā)熱源于絲桿和螺母之間的摩擦，其與推力和旋轉(zhuǎn)速度是直接關(guān)聯(lián)的。PV過(guò)載可導(dǎo)致絲桿副在短期內(nèi)就失效。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)減小推力，減小直線速度或者增大導(dǎo)程等減小PV值，如公示4所示。

公式3　　CS=臨界速度（rpm）　　MF=安裝系數(shù)　　RD=絲桿底徑（in）　　L=支撐點(diǎn)間距（in）

公式4　　PV=壓力速度（psi fpm）　　LS=線性速度（in/s）　　l=導(dǎo)程（in）　　P=負(fù)載（lbs）　　OD=絲桿外徑（in）　　RD=絲桿底徑（in）　　在PV值計(jì)算中假設(shè)P是絲桿和螺母間的純軸向推力，這需要合理的負(fù)載導(dǎo)向，如導(dǎo)桿或滾珠導(dǎo)軌。如果設(shè)計(jì)中將絲桿組件在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的同時(shí)又作為導(dǎo)向組件是不合理的，結(jié)果是螺母的軸向偏離受力將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩，如下圖2a所示。螺母承受翻轉(zhuǎn)力可能造成多種潛在的失效模式，包括安裝，PV和額外的阻力。翻轉(zhuǎn)力矩足夠大時(shí)，由于傳動(dòng)部位的局部應(yīng)力集中，可直接導(dǎo)致安裝面（螺紋或法蘭）和螺母本體的損壞。所有的翻轉(zhuǎn)力矩都會(huì)導(dǎo)致絲桿副的局部PV值升高。如果升高后的PV值超過(guò)螺母材料的額定PV，可能直接導(dǎo)致絲桿副的快速失效。PV值升高的原因是由于螺母和絲桿間局部壓力的升高。壓力的升高同時(shí)也要求驅(qū)動(dòng)絲桿的力矩增大，從而導(dǎo)致電機(jī)卡住或損壞。如圖2b增加了一個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的話，翻轉(zhuǎn)力矩就由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)承受而不是絲桿副承受。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和絲桿副之間的連接板要安裝合理可靠，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和螺母的裝配對(duì)絲杠副的可靠性和壽命也很關(guān)鍵，安裝過(guò)定位可能會(huì)增加PV值，阻力矩和導(dǎo)致電機(jī)失步。

圖2a

圖2b　　下面我們舉個(gè)簡(jiǎn)單的案例：應(yīng)用要求在3.5s內(nèi)軸向提升15lbs的負(fù)載移動(dòng)12in。根據(jù)運(yùn)動(dòng)模型考慮阻力以及安全系數(shù)，選取絲桿副最大線性速度4in/s時(shí)推力25lbs，絲桿的兩端支撐方案建議采用簡(jiǎn)支梁（表1），由于螺母本體長(zhǎng)度，要求行程以及預(yù)留余量，支撐的間距采用16英寸。鑒于是垂直軸向負(fù)載，螺母單向受力，螺母選取標(biāo)準(zhǔn)自由式的螺母（與消隙螺母相對(duì)）。根據(jù)制造商網(wǎng)站上的負(fù)載和絲桿直徑推薦表，初步選定0.25in直徑的絲桿；由現(xiàn)有電機(jī)的扭矩曲線可知扭矩60 oz*in, 轉(zhuǎn)速最高可達(dá)650RPM. 根據(jù)上篇的理論計(jì)算公式初步選擇直徑0.25in，導(dǎo)程0.1in的絲桿，但通過(guò)公式5和6計(jì)算得知該螺桿對(duì)于電機(jī)和需要達(dá)到的速度來(lái)說(shuō)導(dǎo)程太小了。與制造商確認(rèn)，并根據(jù)公式7 計(jì)算得出0.5in導(dǎo)程的絲桿達(dá)到所需直線速度時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速480PRM，小于650RPM。　　由絲桿和螺母的材料（303不銹鋼和聚縮醛為基材的工程塑料）得出直徑0.25in，導(dǎo)程0.5in的絲杠效率是73.1%，將所需推力代入公式1，得出所需驅(qū)動(dòng)扭矩是43.5oz.in，見(jiàn)等式8。小于電機(jī)扭矩60oz.in，且小有余量。　　現(xiàn)在適配現(xiàn)有電機(jī)并滿足推力和速度要求的絲桿已經(jīng)選定，接下來(lái)是支撐結(jié)構(gòu)和材料的校核。根據(jù)制造商的規(guī)格書，可知所選絲桿底徑是0.169in，代入公式3，得出臨界速度是3103RPM，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)公式9，考慮安裝、制造公差和安全系數(shù)，通常取計(jì)算值的75%，見(jiàn)公式10。該應(yīng)用中最大運(yùn)行速度480RPM遠(yuǎn)小于絲桿的臨界速度。所選螺母材料是聚縮醛基材的工程塑料，額定PV值是12000psi fpm，通過(guò)公式4計(jì)算得出所選整體系統(tǒng)的PV值是8230psi fpm，見(jiàn)計(jì)算公式11　　以下分別為公式5，6，7，8，9，10，11

綜上可見(jiàn)，直徑0.25in，導(dǎo)程0.5in的絲桿與現(xiàn)有電機(jī)組合可以滿足應(yīng)用要求。該設(shè)計(jì)中還有一個(gè)重要的信息是絲桿效率過(guò)高而導(dǎo)致絲桿自身不自鎖，當(dāng)電機(jī)斷電時(shí)，負(fù)載會(huì)從絲桿上滑落，因而如需自鎖，需要配備剎車　　滑動(dòng)絲桿驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)中還有其他因素需要考慮，但上文的討論涵蓋了基本要素并且演示了簡(jiǎn)單絲桿副的設(shè)計(jì)選型方法。在設(shè)計(jì)中懂得如何正確使用滑動(dòng)絲桿將有效的避免設(shè)計(jì)陷阱，提高成功率。使用正確時(shí)，滑動(dòng)絲桿副是許多設(shè)計(jì)方案中的強(qiáng)有力工具，他不但能解決旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，還能在高精度應(yīng)用場(chǎng)合中提高效率和控制精度！　　該文版權(quán)歸振合直線電機(jī)所有，禁止轉(zhuǎn)載！

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