【滾珠絲桿】7分鐘教會你！！！

哥們你搞自動化的 這玩意得認識哦 滾珠絲桿 我們搞自動化都知道 精度高 剛性好 那爲什麼呢 爲什麼這個東西能夠這麼暢銷呢 我們今天一個視頻來教會你 其實自學機械設計並不難 絕大部分小白剛入門 缺少的就是一份系統的材料 我這邊私藏的 機械設計自學材料全部都打包好了 有需要的兄弟們666拿去嘗一嘗 滾珠絲桿這玩意在精密傳動裏頭 可是個頂樑柱啊 它能夠把旋轉運動變成直線運動 大家來看這 其實原理很直觀 核心就是那一堆小鋼珠 它在絲桿的螺紋和螺母的滾道之間 滾來滾去 當我的絲桿旋轉起來以後 那這些鋼珠就會帶着螺母 沿着絲桿做直線運動 就像咱們擰螺絲一樣 不過這裏是反着來的 是螺母動絲桿不動 這種設計特別適合那些 需要特別長的場合 比如說大型機牀或者自動化產線上 長行程的定位 簡單來說就是旋轉驅動直線 再來深入看看它的內部構造 絲桿本體是一個帶螺紋的軸 相當於給滾珠準備了一條精確的跑道 而滾珠就是在這條跑道上 跑動的小鋼珠 它的存在讓摩擦變成了滾動摩擦 極大的降低了我的運行阻力 關鍵在於螺母腹 它不僅有螺紋與絲桿進行聯合 更重要的是它內部設計了 複雜的滾珠循環滾道 確保滾珠能夠順暢地 從一端流到另一端 形成一個閉環 這樣才能持續不斷地去傳遞動力 沒有這個循環系統 滾珠跑到頭也就傻眼了 絲桿也就罷工了 爲什麼滾珠絲桿這麼受歡迎 很大程度其實得益於它的滾動摩擦特性 相比於傳統的滑動絲桿 這裏的摩擦力大大減小了 所以傳統效率能夠達到 驚人的95%到98% 這意味着能量損失很小 運行起來的話非常的平穩 而且滾珠和滾道是點接數 結束面特別小 這也保證了極高的運動精度 當然凡事有利就有弊 點接數也意味着承載能力相對來說有限 如果負載太大 你就得選更粗壯的型號 或者考慮其他類型的絲桿了 但總的來說 效率和精度是它最大的賣點 還有一個很酷的特點叫做傳動可逆性 啥意思呢 就是說你不僅能用電機驅動絲桿旋轉 帶動螺母移動 反過來如果你推着螺母做直線運動 它也能帶動絲桿的旋轉 這在某些應用中非常有用 比如可以用來檢測絲桿的回差 或者設計一些特殊的機構 不過需要注意 這種雙向驅動的能力 有時候也會犧牲掉一部分自鎖性能 也就是說在沒有外部鎖定裝置的情況下 如果負載試圖讓絲桿反轉 可能會發生微小的回退 也就是說我們的電機剛性不太好 所以在需要絕對自鎖的場合 比如說垂直提升重物 那要麼電機上面裝剎車 要麼在導軌上安裝導軌前置器 確保它不會因爲斷電而導致下墜 聊完了原理咱們得算算賬了 特別是對於絲幅控制系統 負載慣量是一個繞不開的話題 這裏有個公式 這個J其實就是等下到電機軸上的負載慣量 需要注意的是 我們在物理學裏面講慣量一般是旋轉運動 所以這是一個換算公式 我們將直線運動的慣性轉化爲慣量 M是實際的負載質量 A是絲桿的導乘 也就是我們絲桿轉一圈 羅姆前進的距離 看到沒 導乘A直接平方向出現在公式裏 這意味着導乘對慣量的影響非常的顯著 選行的時候 導乘的選擇直接影響到整個系統的動態響應器 這個導乘A的影響咱們再掰扯掰扯 假設你的電機扭矩和轉速是固定的 那麼如果你把導乘選的比較大 比如說本來是5毫米的 我們換成10毫米的 那麼我們羅姆移動速度就能翻倍更快 代價是什麼 你需要更大的力量才能推動同樣的負載 或者說同樣電機輸出扭矩相當於是減半了 同時根據剛纔那個慣量公式 慣量也會增大 反過來如果導乘調小 選擇比較小的型號 那我撕杆的運行速度就慢下來了 但好處是 推力更大 慣量也更小 這就是一個典型的權衡問題 速度和力量不可能同時達到最優積 那到底該如何選導乘呢 有一個基本的原則 在保證你設備能夠達到運行速度的前提下 儘量選小導乘 爲什麼這樣說 你想了導乘小了 根據我們前面的分析 我的負載慣量就小了 慣量小了 電機好控制了 響應快 而且導乘小通常意味着需要更小的扭矩 所以你可以選擇更小的功率 成本更低的私服電機 而這對於整個系統的成本控制來說 非常的有利 當然凡是有個度 導乘也不能無限小 太小了的話 運行速度不達標 而且 選不到你想要的型號 所以我們要學會在性能和成本之間 找到那個平衡點 除了導乘 還有一個非常重要的參數 叫做細長比 顧名思義就是 撕杆的長度除以它的直徑 大家可以看到右邊這個視力 一根一米長的撕杆 那直徑是30毫米 那它的細長比就是 1000除以30 約等於33.3 這個比值直接關係到撕杆的剛性 你想一個很細很長的杆子 稍微一用力它就容易彎 對不對 撕杆本質上也是一樣 細長比越大 那麼撕杆就越容易彎曲變形 尤其在高速旋轉 或者承受較大的軸向力的時候 這會影響到傳動的精度以及穩定性 那這個細長比到底多長比較合適呢 工程上有一些有經驗性的參考檔案 不能完全照搬 至少來說給我們一個大致的方向 用羅姆旋轉來運行 有這種結構 那就是這樣的話 你的細長比控制在60以內還行 但是如果作爲傳動軸 或者說作爲撕杆的運行狀態 撕杆旋轉 而且是高速旋轉 那你的細長比就要縮得更小 最好不要超過35 如果轉速更高 甚至就3000轉4000轉 那這個比值就得降到15 甚至更低 你記住一個點 細長比越小 意味着撕杆越粗壯 自然強度和剛性就會越好 但是轉動觀量也會隨之增大 因爲撕杆變粗了 它自身的轉動觀量就會增大 反過來如果撕杆太細 又想讓它高速旋轉 那麻煩就來了 你沒辦法做到更長 要做到很短 不然的話它就會像鞭子一樣甩起來 產生劇烈的震動 甚至發出囂叫 嚴重的時候可能還會斷裂 所以選行的時候 必須要仔細校對這個參數 那萬一選行的時候細長比偏高 但是實際工況又需要高速運轉 怎麼辦呢 首先最根本的辦法 就是在設計階段就嚴格校合 但如果已經遇到了高速震動的問題 或者說明知山有虎偏向虎山行 我就投鐵 那怎麼辦 那我就得采取一些補救措施了 一個常見的方法就是增加隨動支撐 也就是說在撕杆中間加一個支撐座 可以隨動跟着跑 相當於是給一根長的棍子中間加了個支點 能夠有效的提高它的臨界轉速 抑制震動 當然這種方法在很多標準撕杆模組裏面的話 常形成的是標配 直線模組你買回來它自己配好了 但在負載不大的情況下可以這麼幹 當然 增加支撐也會帶來安裝的複雜度和成本的增加 說白了加東西就得加錢 然後我們再來總結一下撕杆選行上需要關注的幾個維度 首先是螺紋長度 也就是行程需求 決定了撕杆至少要多長 其次是轉速 這關係到撕杆的臨界轉速和系場比的選擇 然後就是導程 這是一個關鍵的權衡參數 影響速度力量和光亮 最後是負載 也就是撕杆需要承受的走向力 這決定了我的撕杆的直徑以及預警方式 有的人會發現如果轉速特別高 可能就得選擇更粗的撕杆 或者加大導程來提高我的臨界轉速 反過來講的話 如果轉速要求不高 但需要很大的輸出力 那可能就需要配合減速機來使用的 這是一個綜合決策的過程 這裏還有一個很容易忽視的點 導程並不是可以隨便選的 它通常跟撕杆的直徑有關係 一般來說撕桿直徑越大 它標準推薦的導程也會相應的增大 這也帶來一個問題 有時候你的負載特別大 但是速度要求不高 迫不得已只能選一個直徑很大的撕杆 但這個大直徑的撕杆 它的標準導程可能就太大了 導致的話你需要的扭矩會大 不然的話電機帶不動 這個時候怎麼辦 兩條路 第一個加減速機 把高速變成低速 用減速筆來匹配我力矩的需求 二是定製 這種一般不推薦 但是你也可以選擇找廠家定製一個 大直徑但是小導程的撕杆 後者可能成本更高 但是一般來說 的確也能夠滿足更多的特殊要求