最近的新型冠狀病毒，真的是太兇了，各位一定要保重好身體！
我就是因為沒注意天氣變化，年前年後都感冒了一次，現在都還有點咳嗽，不過放心，我不是冠狀病毒，你也不用躲避我這些文字。
這不，剛好趁這還沒有復工的時間，我整理了今天的這個話題，希望你喜歡。
OK，Let's go.
在機械設計中，我們經常用到滾珠絲槓和梯形絲槓，它們是兩種常用的，將旋轉運動變為直線運動的方法。
其中，滾珠絲槓因為摩擦小，可逆，還可將直線運動，變成旋轉運動，我們稱這種傳動為逆效率傳動。
那麼，這兩者有什麼區別？什麼時候用滾珠絲槓？什麼時候用梯形絲槓？
如何根據精度，速度，載荷等要求，選擇滾珠絲槓（或者梯形絲槓）和電機？
常用的兩端支撐結構形式是什麼？（固定－支撐）
長行程時，螺母解耦的結構設計是什麼樣子？
今天，我結合自己的設計經歷，來說一下這些問題，算是對這部分的一個小結，如有不恰當的地方，歡迎指正。
大致從如下的10個方面來說明。
1.結構不同
首先，我們來看看結構，因為結構決定特性。
滾珠絲槓，從字面上也很好理解，就是用滾珠來滾動，滾珠在哪裡滾動，當然是在滾珠絲槓軸上滾動。
所以，絲槓軸上有圓弧輪廓，此輪廓在軸上按照一定的升角（導程角）盤旋在軸上。
而滾球被設計在螺母裡，在絲槓軸圓弧輪廓裡滾動，所以是滾動摩擦。
其運動原理，就是螺旋副，簡單理解，就是類似於擰螺釘，我們知道，擰螺釘時，如果在螺釘端部限制螺釘移動，那麼被螺紋嵌入部件，就會沿著螺釘軸線移動。
滾珠絲槓，也是同樣的道理，把絲槓軸一端或者兩端沿軸向固定，用馬達驅動絲槓旋轉，那麼，帶鋼球的螺母，就會沿絲槓軸線方向運動。
梯形絲槓和滾珠絲槓的運動原理相同，不同之處在於，梯形絲槓裡沒有滾珠，那麼螺母和絲槓軸之間的運動，完全靠機械接觸產生滑動，是滑動摩擦，所以梯形絲槓也叫滑動絲槓。
所以兩者的結構區別，用一句話概括就是: 滾珠絲槓是滾動摩擦，梯形絲槓是滑動摩擦。
2.傳動效率不同
很顯然，滾動摩擦的摩擦係數遠遠低於滑動摩擦係數。
比如，NSK和THK都顯示，滾珠絲槓的摩擦係數在0.003到0.01之間，而梯形絲槓的摩擦係數在0.1到0.2之間。
再比如，REXROTH顯示，滾珠絲槓的摩擦係數在0.005到0.01之間，而梯形絲槓的摩擦係數在0.2到0.3之間。
這也是為什麼大多數滾珠絲槓的傳動效率高達90%，有的甚至達到95%以上，而大多數梯形絲槓的傳動效率低於70%。
比如，知名的絲槓供應商Thomson linear顯示，滾珠絲槓的傳動效率在85%-95%之間，而梯形絲槓的傳動效率在30%-70%之間。
而另一家供應商Helix linear則顯示，其梯形絲槓的傳動效率在15%-85%之間。
梯形絲槓的傳動效率低下，從能量的角度來看，是因為滑動摩擦，特別是高速運動，產生了大量的熱，如果絲槓或者螺母受不了，就會「燒著了」，所以，梯形絲槓不太適合高速運行要求，其最高轉速一般不超過3000RPM。
而滾珠絲槓，因為是滾動摩擦，所以沒有那麼多熱量產生，速度可以達到很高，比如10000RPM。
但是，兩種絲槓，由外部負荷引起的摩擦扭矩，計算公式一樣，都是Ta=Fa*L/2πη，Fa表示由外部負荷產生的軸向力，L表示導程，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，左邊表示轉一圈時，扭矩的有效功，右邊表示克服載荷移動一個導程，需要的能量。
所以，在導程相同的情況下，就扭矩計算而言，選擇的主要區別就在於效率。
因為滾珠絲槓的效率是梯形絲槓的2-4倍，所以一般而言，用同樣的導程，來驅動相同的負載時，滾珠絲槓更有優勢。
3.自鎖性不同
理論顯示，當絲槓傳動效率大於50%時，沒有自鎖性，當傳動效率小於35%時才有自鎖性。
所以，滾珠絲槓沒有自鎖性，而梯形絲槓有一定的自鎖性。
所以，就Z向應用來說，梯形絲槓有自鎖的優勢，當然，實際情況，還需要考慮精度速度等因素。
如果將滾珠絲槓，應用於豎直方向，則需要考慮斷電時，無法自鎖，需要加額外的結構或者器件，來保證停電時，絲槓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。
現在很多電機自帶剎車模塊，就是斷電時，可以抱住電機軸，不讓它旋轉，起到保護作用，當然，剎車能提供的扭矩是有限的，可以根據需要選擇合適的型號。
4.製作材料不同
滾珠絲槓軸一般是用不鏽鋼或者合金鋼，而螺母一般用銅製，因為銅可以承受較大的載荷，同時摩擦係數小，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。
梯形絲槓軸也用不鏽鋼或者合金鋼。而對於螺母，則和滾珠絲槓有一點不同，很多時候，梯形絲槓螺母會使用非金屬材料。
比如低載荷時，一般用低摩擦係數，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)，來實現低摩擦係數，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接合面的密封，而PTFE和尼龍也經常被用來做塗層，起到潤滑的作用，比如上一篇文章《機械設計中，重力平衡有哪些方法？》中提到的鋼繩氣缸，鋼繩上就有尼龍塗層，達到降低摩擦的作用。
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。
數據顯示，Turcite A，抗拉強度為52.4Mpa，抗彎強度75.84Mpa，抗壓強度89.63Mpa，這些強度都高於Turcite X(三種強度值分別為40.68Mpa，55.16Mpa，82.74Mpa)，而且其PV值僅有7500psi-fpm，大約是TurciteX的一半，所以它用於中度至重負荷，而且適用於中度速度。同時，Turcite A比Turcite X有較高的耐磨性，顏色為藍色，通常是圓棒材料。
而Turcite X比Turcite A有更低的滑動摩擦係數，摩擦係數為0.22（Turcite A為0.3），而且，其極限PV值為Turcite A的兩倍多，達到16000psi-fpm，但是其抗拉強度和抗彎曲強度都比Turcite X低，所以適用於輕載荷，高速度的應用，其顏色為紅色。
當然，高載荷時，梯形絲槓也用銅做螺母。
為什麼降低摩擦在這裡變得如此重要？
因為梯形絲槓有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，那麼速度需要變得低一點，載荷小速度可以高些。
因為對於特定材料，摩擦產生熱量，如果這個熱量的耗散速度太低，跟不上熱量的產生速度，那麼就會導致材料永久變形，通俗理解就是「燒著了」。
5. 製造方法及最終精度不同
滾珠絲槓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，就是用一種帶有絲槓輪廓的工具，從待加工的軸上滾過去，形成需要的表面形狀。
這個有點像擀麵，用擀麵杖擀麵，把面擠壓成需要的形狀和厚度。
另外，磨製屬於精確製造，軋制屬於批量製造，後者的生產效率遠遠高於前者，但是後者的製造設備成本也遠遠高於前者。
所以說，磨製絲槓的進入門檻較低，軋制生產的進入門檻較高，能生產軋制絲槓的廠家一般也能生產磨製絲槓，而能生產磨製絲槓的廠家不一定能生產軋制絲槓。
所以，同精度產品，如果可以買到軋製品就不要買磨製品，原因很簡單，軋制便宜。
另外說明一點，軋制和磨製僅指絲槓軸，金屬螺母全是磨削製造。
當然，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，指的是導程精度，就是導程會存在誤差，不是理想的那樣一直不變。
比如理想導程是5mm，連續測量5次相鄰導程，實際導程可能是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，我們在根據定位精度選擇導程精度時，就需要從導程精度表中去查詢。
導程精度，按從高到低分成8個等級，分別是C0，C1，C2，C3，C5，C7，C8，C10。
目前，軋制滾珠絲槓能實現的普遍精度是C7（±50um/300mm），C8（±100um/300mm），C10（±210um/300mm）。
括號裡的數值，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，那麼可能累積的誤差變為±100um。
C8和C10的精度等級也可以做同樣的推算。
而C0-C5屬於研磨級絲槓，研磨滾珠絲槓的最高精度，可以達到C0級，也就是±3um/100mm，即使是低級別C5的滾珠絲槓，也可以達到±18um/100mm的精度。
需要注意的是，研磨滾珠絲槓的精度，不能做扎制滾珠絲槓一樣的推演，因為研磨絲槓的精度高，內涵更廣泛(感興趣的，可以去了解一下)。
比如，對於C5等級，螺紋有效長度在100mm以內時，可以實現的精度是±18um。而當螺紋有效長度變為200mm，400mm時，可以實現的精度分別是±20um，±25um，而不是±36um，±72um。
好了，到這裡，滾珠絲槓說得差不多了，接下來我們說說梯形絲槓。
梯形絲槓有滾壓，切削和研磨三種製造方法。
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，滾壓梯形絲槓可以達到的精度是±75um/300mm，這個值介於扎制滾珠絲槓精度C7-C8之間。
如果要獲得更高的精度，那麼就需要研磨，研磨可以達到±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，其研磨梯形絲槓能達到的精度是±12.5um/300mm，而銑削可以達到的精度是±50um/300mm，滾壓只能實現±90um/300mm的精度。
綜合來看，滾珠絲槓的精度高於梯形絲槓，所以一般對精度要求高的應用，滾珠絲槓是首選。
6.軸向間隙及預壓方式不同
軸向間隙，也是選取絲槓時，需要考慮的一個非常重要的因素，因為間隙的存在會導致返程誤差，這直接影響了反向運行時的精度。
滾珠絲槓按照間隙的不同，分成不同的等級。
例如，THK分成G0(0及預緊)，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及預緊)，T(0-0.005)，S(0-0.02)，N(0-0.05)，L(0-0.3)，括號中的數值表示軸向間隙的範圍，單位是毫米。
對於梯形絲槓，Thomson顯示，軸向間隙在0.02mm-0.25mm之間。
為了消除螺母和絲槓軸之間的軸向間隙，提高傳動精度，滾珠絲槓和梯形絲槓都可以增加預壓。
但是，兩者的預壓方式有所不同。
例如，THK和NSK滾珠絲槓，對於單螺母，使用螺母相位差，而對於雙螺母，則使用預壓墊片，或者使用彈簧片做預壓。
使用相位差來實現預壓，也就是在螺母中，改變中央溝槽的螺距，使得溝槽兩側的鋼球處於繃緊狀態，達到預壓的目的。
使用相位差和墊片都是定位預壓方式，而使用彈簧片預壓是屬於定壓預壓方式。
理論上，滾珠絲槓預壓量設定為外部負荷的1/3，就可以達到無間隙傳動，但是那樣，預壓偏高，減小了使用壽命，所以，實際使用時，最大預壓量設定為額定動載荷的10%，例如半導體設備上，一般使用的預壓量是1%－4%。
而梯形絲槓，一般使用壓簧做預壓，彈簧向絲槓軸兩個方向張緊其兩側的螺母，使得螺母完全接觸絲槓軸。
當然，彈簧做預壓的缺點很明顯，就是軸向剛性差，如果要增大剛性，就需要增大預壓，也就是說要增加彈簧力，這會使得磨損加劇，並且摩擦扭矩變大，絲槓壽命縮短。
所以，現在有另外一種預壓方法，叫主動凸輪預壓法。這個方法，不直接用壓簧在軸向做預壓，而改用扭簧配合端部凸輪。
扭簧扭轉，驅動扭簧兩側的梯形絲槓螺母旋轉，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。
因為這裡使用了楔塊理論，在軸向施加力來讓扭簧旋轉，需要的力是非常大的。
綜合來說，軸向間隙當然是滾珠絲槓更小，而預壓方式也是滾珠絲槓更多，因為梯形絲槓目前的預壓方式，都屬於定壓預壓法，而滾珠絲槓是定位預壓和定壓預壓兩種。
7.計算方法有所不同
滾珠絲槓在計算時，需要考慮系統需要的精度，速度，載荷等基本條件。
定位精度的要求，決定了導程精度的選擇。比如行程700mm，±0.05/700mm的定位精度要求。那麼假定螺紋有效長度800mm（需要考慮螺母長度和行程餘量，所以大於700mm），則選擇C5精度，因為C5精度在800mm內的誤差控制在±35um以內，小於±50um，在要求以內，剩下的±15um誤差，分配給系統剛度和控制誤差。
運行速度V（mm/min）和滾珠絲槓的導程L（mm）及馬達轉速n（r/min）有關，L=V/n。高速要求時，可以適當加大導程，但是導程的加大會要求更大的馬達驅動力矩（Ta=Fa*L/2πη），所以需要綜合考慮。
選擇滾珠絲槓時，根據載荷確定需要的扭矩及電機，是最花時間的一塊。
滾珠絲槓計算扭矩時，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=絲槓側齒數N2/馬達側齒數N1，表示減速比。
Ta=Fa*L/2πη: 表示勻速時的驅動力矩。
Tpmax＝0.05(tanβ)^-0.5*Fa0*L/2π（基準力矩）＋Δ：表示預緊滾珠絲槓的最大動摩擦力矩，β表示螺紋升角，Fa0表示預緊力。Δ表示力矩變動率的上許可範圍，可以在計算了基準力矩的基礎之上，查表求得。當然，Tpmax也可以在具體的絲槓型號參數表中查得。
Tu：支撐軸承的摩擦力矩，可以在軸承參數表中查得。
而加速扭矩：T2=T1+Jα。
J＝JM＋JG1+（JG2+JS+m＊（L/2π）^2）/i^2：表示對電機的轉動慣量。
JM: 電機的轉動慣量。
JG1: 馬達側齒輪的轉動慣量。
JG2: 絲槓側齒輪的轉動慣量。
JS: 絲槓軸的轉動慣量。
m: 移動物體總質量。
α：馬達的角加速度。
而梯形絲槓一般只需要一個公式就夠了，T1=FP/2πη，因為梯形絲槓適用於低速的應用，不存在高速往返，高加減速等問題，當然也需要結合實際要求做計算，並給定一定的餘量。
8. 螺母解耦的結構設計
當絲槓較長，螺母受到軸向偏轉力矩，或者螺母受到軸向載荷時，絲槓軸傾斜或者沿徑向變形，會引起受力不均，可能出現卡頓，振動，導致磨損加劇，影響精度。
這時，需要從螺母連接結構上進行解耦，以保證絲槓螺母運行到行程內的任何位置時，絲槓不卡，運行平穩，這有利於延長絲槓的壽命。
那麼，結構上應該包含什麼主要的特徵，才能實現？
目前，我知道的有2種結構，雖然外形不同，但是實質是都一樣。
核心都在於，在螺母和被連接件之間，有一個十字滑塊件，用來吸收由於螺母的位置變化（假設是垂直於XY方向的運動），引起的XY方向上位置變化。
當然這個滑動量一般不大，設計時單邊留1.5mm就足夠了，設計概念如下圖。
螺母解耦結構1的優點是，設計緊湊，佔用空間小，缺點是裝配和拆卸麻煩一點，因為需要先把綠色和藍色工件從軸端套進去。拆卸時，也得鬆開軸端。
而解耦結構2的優點是拆卸和裝配簡單一些，沒有結構1的拆裝問題，因為可以在裝配了絲槓後再裝配，拆卸時也可以直接拆卸，而不必取下軸端支持軸承。但是缺點就是佔用了軸向太多的空間，同樣長度絲槓縮短了行程。
另外，結構1那個綠色滑動件可用Turcite X紅膠材料，因為耐磨且摩擦係數是0.2。結構2綠色件可以用鋁或者鋼，因為其裡面需要安裝滑套。
9. 應用場合的區別
梯形絲槓，是滑動摩擦，過高的速度將在結合面上產生高熱量，導致磨損加劇。
所以，梯形絲槓，適合用於重量較輕，速度要求不高的應用中。
同時，梯形絲槓，因為精度低些，所以往往更適合於對精度要求不高的應用，比如慢速轉移，搬運等。
而滾珠絲槓，發熱小，精度高，通常更適合要求平穩運動，高效率，高精度，以及長時間連續或高速運動的應用，比如半導體設備。
10.《滾珠絲槓計算選型例子》
最後，如何根據精度，速度，載荷，壽命等條件，選擇滾珠絲槓？
為此，我收集5個計算例子。
在我公號後臺回復，「如何選擇滾珠絲槓」，我分享給你。
雖然例子不是我寫的，但是我覺得寫得不錯，有用，所以也願意分享給你。
好了，快去後臺回復「如何選擇滾珠絲槓」領取案例吧。