在許多機構(gòu)中，滑動絲桿一般用于旋轉(zhuǎn)運動和線性運動的相互轉(zhuǎn)換。這些機構(gòu)的效率過去通常都比較低，需要加潤滑脂以改善性能。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)計可以使滑動絲桿成為運動控制設(shè)計中高效的解決方案。滑動絲桿原理粗看比較簡單，設(shè)計方案中采用滑動絲杠副從失敗案例到成功案例的轉(zhuǎn)變，不僅需要了解滑動絲桿的基本運行原理，而且需要對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)計方案成敗的關(guān)鍵。

為便于解釋滑動絲桿的工作原理，我們首先回顧一下基本的斜面滑塊機構(gòu)。下圖1展示的是一個人在斜面上逐級向上推箱子，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，因為它總是與運動方向相反，在該應(yīng)用中運動可能是相對斜面往上或者往下的。摩擦力( Ff ) 取決于兩個作用面（重物和斜面）之間的摩擦系數(shù)和法向力( Fn )。在這個例子中有三個因素決定需要多大的力來推動重物向上運動，斜面傾角( α )，負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，需要更大的推力來向上推動重物，但同時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，重物在沒有外力支撐的前提下會從斜面上自由滑落（該現(xiàn)象在滑動絲桿上稱之為該絲桿副不自鎖。

絲桿的作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或轉(zhuǎn)動的力（扭矩）轉(zhuǎn)化為直線的力（推力）。為便于理解，忽略滑動絲桿的牙形角，而將其簡化為一個環(huán)繞圓柱向上的斜面，呈一個螺旋線。在這種情況下，斜面的抬升就等同于絲桿的線性運動，而斜面的運動就等同于絲桿的旋轉(zhuǎn)運動，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載；人的推力代表驅(qū)動負載的輸入扭矩，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良好的開端。計算最大軸向推力要考慮許多因素，例如加速度，負載，負載方向，阻力等。最大速度取決于完成整個行程，包括加減速過程在內(nèi)所需要的時間；安全系數(shù)， 速度和負載都需要考慮取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)；大多數(shù)情況下，最大推力將會細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)動角而獲得的直線移動距離（有些設(shè)計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；因為不同廠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。輸入扭矩的大小實際是一個電機的選用問題，例如空間尺寸，可獲得性，預(yù)算和電機的有效輸出功率。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)速度見以下所列公式1和公式2. 由公式可見， 改變絲桿的導(dǎo)程將同時影響驅(qū)動扭矩和旋轉(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)動扭矩。在絲桿直徑和導(dǎo)程不改變的前提下，可以通過改變摩擦系數(shù)從而提高絲桿副的效率；一般實現(xiàn)的方法有改變螺母材質(zhì)或?qū)z桿進行表面涂覆等。

公式1      驅(qū)動扭矩=（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載計算一樣也非常重要。安裝的結(jié)構(gòu)將決定機構(gòu)的最大可旋轉(zhuǎn)速度。該數(shù)值的參見簡化計算公式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)對制造和安裝誤差。不建議超過臨界速度運行，將會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，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過載可導(dǎo)致絲桿副在短期內(nèi)就失效。在實際應(yīng)用中，可通過減小推力，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=負載（lbs）

OD=絲桿外徑（in）

RD=絲桿底徑（in）

在PV值計算中假設(shè)P是絲桿和螺母間的純軸向推力，這需要合理的負載導(dǎo)向，如導(dǎo)桿或滾珠導(dǎo)軌。如果設(shè)計中將絲桿組件在驅(qū)動負載的同時又作為導(dǎo)向組件是不合理的，結(jié)果是螺母的軸向偏離受力將會產(chǎn)生一個翻轉(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，由于傳動部位的局部應(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)力矩都會導(dǎo)致絲桿副的局部PV值升高。如果升高后的PV值超過螺母材料的額定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。壓力的升高同時也要求驅(qū)動絲桿的力矩增大，從而導(dǎo)致電機卡住或損壞。如圖2b增加了一個導(dǎo)向機構(gòu)的話，翻轉(zhuǎn)力矩就由導(dǎo)向機構(gòu)承受而不是絲桿副承受。導(dǎo)向機構(gòu)和絲桿副之間的連接板要安裝合理可靠，導(dǎo)向機構(gòu)和螺母的裝配對絲杠副的可靠性和壽命也很關(guān)鍵，安裝過定位可能會增加PV值，阻力矩和導(dǎo)致電機失步。

                          圖2a

                          圖2b

下面我們舉個簡單的案例：應(yīng)用要求在3.5s內(nèi)軸向提升15lbs的負載移動12in。根據(jù)運動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時推力25lbs，絲桿的兩端支撐方案建議采用簡支梁（表1），由于螺母本體長度，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）。根據(jù)制造商網(wǎng)站上的負載和絲桿直徑推薦表，初步選定0.25in直徑的絲桿；由現(xiàn)有電機的扭矩曲線可知扭矩60 oz*in, 轉(zhuǎn)速最高可達650RPM. 根據(jù)上篇的理論計算公式初步選擇直徑0.25in，導(dǎo)程0.1in的絲桿，但通過公式5和6計算得知該螺桿對于電機和需要達到的速度來說導(dǎo)程太小了。與制造商確認，并根據(jù)公式7 計算得出0.5in導(dǎo)程的絲桿達到所需直線速度時電機轉(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)動扭矩是43.5oz.in，見等式8。小于電機扭矩60oz.in，且小有余量。

現(xiàn)在適配現(xiàn)有電機并滿足推力和速度要求的絲桿已經(jīng)選定，接下來是支撐結(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，計算過程見公式9，考慮安裝、制造公差和安全系數(shù)，通常取計算值的75%，見公式10。該應(yīng)用中最大運行速度480RPM遠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，通過公式4計算得出所選整體系統(tǒng)的PV值是8230psi fpm， 見計算公式11

以下分別為公式5，6，7，8，9，10，11

綜上可見，直徑0.25in，導(dǎo)程0.5in的絲桿與現(xiàn)有電機組合可以滿足應(yīng)用要求。該設(shè)計中還有一個重要的信息是絲桿效率過高而導(dǎo)致絲桿自身不自鎖，當(dāng)電機斷電時，負載會從絲桿上滑落，因而如需自鎖，需要配備剎車

滑動絲桿驅(qū)動軸的設(shè)計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單絲桿副的設(shè)計選型方法。在設(shè)計中懂得如何正確使用滑動絲桿將有效的避免設(shè)計陷阱，提高成功率。使用正確時，滑動絲桿副是許多設(shè)計方案中的強有力工具，他不但能解決旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的問題，還能在高精度應(yīng)用場合中提高效率和控制精度！

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