如何比较滚柱丝杠和滚珠丝杠执行机构在高强度的应用

随着电动杆式执行器在各种高强度应用中超过流体动力，了解不同螺杆技术在寻求最佳性能和低使用周期成本方面的比较是很重要的。

经过丹尼尔施密特•产品经理| Tolomatic公司

采用滚柱丝杠或滚珠丝杠技术的电动杆执行机构在许多行业的高强度应用中发挥着越来越大的作用。在许多高强度应用中，这些解决方案可以提供比流体动力缸(通常是液压)更好的性能。电动系统提高了定位精度和重复性，并在任何位置提供运动参数(速度、加速度和减速，以及力)的完全控制。它们是完全可编程的优越的灵活性。

在高强度应用中，电动杆执行器具有许多性能优势。如图所示(从左上顺时针方向)是ERD、RSA、RSX、IMA和ServoWeld电动执行器。

电动执行机构还可以通过有效使用电力，显著减少维护，更长的寿命和更快的机器转换，降低总拥有成本。电动执行器(滚珠丝杆和滚柱丝杆)的受力能力大大提高，可提供225.5 kN (50,000 lbf)或更高的受力能力。

为了优化使用寿命和性能，重要的是将滚珠丝杠或滚子螺钉执行器的能力与特定应用相匹配。在用于定位的低至适量的应用中，滚珠螺杆执行器具有较低的初始成本，具有多功能性能和最低功耗。在极端的高力，高占空比应用中，滚子螺钉在紧凑的封装，更长的寿命和与滚珠螺杆执行器和液压系统相比降低的所有权成本降低的较高性能。

这里显示的是梯形、滚珠和滚柱螺钉的比较。

在尝试决定是否采用滚珠丝杠或滚子技术时，最好使用两种螺钉技术的专业知识。这样做将确保采用最合适的螺杆技术以尽可能低的生命周期成本提供目标性能。

当适当地应用时，带滚子螺钉或滚珠丝杠电气技术的电动执行器可以提高从低到高力的应用的能效，在优化性能和过程的同时降低环境影响和更低的生命周期成本。

线性运动选项的简要背景

电动杆式螺杆执行机构正在整个工业领域的高强度应用中取代流体动力。以前仅限于液压和气动缸的工作，如压紧、保持、提升和点焊，现在都由电动执行机构执行，寿命周期成本更低。液压缸和气动缸仍然有他们的位置，但电动执行器在高达或超过50,000 lbf的高强度应用中有许多性能优势。其中一些优势包括更小的占用空间;更长的、更可预测的生活;较低的生命周期成本;更高的精度、控制和灵活性;较低的维护;更快的转换和设置;降低能源消耗; and less environmental impact.

通常，螺杆机构提供通过组件中的螺钉或螺母的旋转产生线性运动的装置。螺钉是具有螺纹的圆柱形元件;螺母是骑在螺钉上的匹配部件。每个部件能够独立地旋转另一个。通过限制一个元素来发生线性运动。

在高强度应用中，两种类型的螺杆技术通常用于电动杆式执行机构:滚珠丝杠和滚柱丝杠。带滚珠丝杠和滚柱丝杠的执行机构现在能够达到极高的力，使它们适合于许多以前由流体动力设备主导的应用。更重要的是，电动执行器的速度、准确性和灵活性创造了提高生产吞吐量、工艺和产量的潜力，以及更灵活的机器。

滚珠丝杠执行机构操作和迭代

滚珠螺钉使用的螺纹形式有一个圆形。螺母具有匹配的螺纹形式，允许滚珠轴承之间的沟槽，以高效率传递力和相对运动。滚珠丝杠执行机构的效率通常在80%左右。

Tolomatic IMA伺服线性致动器可以用滚珠丝杠指定，以力为30kN（6,875 LBF）。

允许滚珠轴承滚动并通过螺母中的几个电路中的一个，因为旋转和线性运动发生。有几种滚珠丝杠螺母的设计，在球电路的数量和球再循环路径的控制数量不同。滚珠轴承路径是确定机构的最大速度电位的关键因素。诸如内部路径或结束返回的替代设计提供了较小的优点，例如增加的速度或减少的操作噪声。然而，大多数球螺母设计功能同样。

滚珠丝杠适用于低占空比的应用，具有中等的力要求和中等到高的速度。滚珠丝杠的滚珠轴承比滚柱丝杠有更少的接触点，导致较低的预期寿命。

滚珠丝螺钉具有各种直径，引线和具有公制和帝国铅设计的准确性。定义了一种等级系统以分类滚珠丝杠的铅精度，并由ISO-3408调节。滚珠丝杠现在通常以5种等级可用，该等级可从6 mm / 300毫米（每英尺0.0002英寸）到每300毫米的210 mm（0.0080英尺）。

滚柱-螺杆执行机构具有最高的动态负载额定值

滚子螺纹螺纹形式通常是三角形的形状，并通过螺母中的匹配的多个螺纹辊透射力。允许这些辊子在螺母内旋转，同时接触螺纹的螺纹。滚轮螺母具有设定的辊子，与球螺母相比，在与相同的空间中的螺钉提供明显更多的接触点，导致与类似直径相比的球螺钉相比具有非常高的力传输能力和更长的寿命。

滚子螺杆有更大的力传递能力，因为滚子增加了与螺纹的接触，从而改善了力的分布。它们具有高强度、高速度、持久且不需要维护。

像滚珠丝杠一样，滚轮螺钉具有良好的效率额定值，因为与ACME螺钉的滑动元件相比，它们设计有滚动元件。由于接触区域增加，带辊螺钉的致动器通常为75到80％的效率，效率略低于滚珠丝杠的效率。

倒辊螺杆作为标准滚子螺杆操作多样化;但是，螺母和螺钉的功能逆转。滚轮穿过螺母内部。

滚柱丝杠和滚珠丝杠一样，都是在ISO-3408等级系统内生产的，因此它们具有相似的引线精度考虑。标准的滚柱螺丝在精密研磨之前都经过了硬化处理，因此在所有类型的滚柱螺丝中，其硬度要高得多，动态负载额定值(DLR)也最高。另一种滚子螺杆-倒行行星滚子螺杆-操作方式与标准滚子螺杆基本相同，只是螺母和螺杆的功能是相反的-即滚子在螺母内移动。

Tolomatic RSX高力执行器与滚柱螺钉可以输出力到178kn (40000 lbf)。

用滚珠和滚子螺钉在高力应用中的致动器共享优势

带球或滚子螺钉的执行器在高力应用中的流体电力中分享了许多优点。这些包括更高的能效，更好的精度和可重复性，更小的整体系统占地面积，安静的操作，低环境影响，降低维护，较低的生命周期成本，以及可以提高产量和较低单位成本的过程改进的可能性。

更高的能效-电动执行器系统通常在75 - 80%的效率范围内运行。相比之下，气动系统的效率通常在10%到25%之间。液压系统的效率一般在40 - 55%之间。影响流体动力效率的因素有很多，包括温度、密封完整性、泄漏等。一个重要的因素是，电动执行器只在需要时需要电流到驱动电机。在静止时，电动执行器只需很少的电流就能保持其位置。另一方面，流体驱动执行器需要在任何时候都通过动力单元或压缩系统对流体介质进行加压，从而导致功率的低效使用。随着时间的推移，节省的电量会越来越多。

更好的准确性和重复性-在需要精确控制运动和位置的应用中，采用电动滚珠丝杠或滚柱丝杠的执行机构具有显著的优势。标准流体执行机构适用于端到端的定位应用，但中程定位更为复杂，需要控制阀和操作人员的帮助。更先进的伺服液压控制系统使流体系统具有更高的精度和可重复性，但在成本和复杂性方面有相当大的增加。电动执行器系统要简单得多，一旦编程，几乎不需要干预或维护。

安静的操作-运行流体缸的噪音动力装置可能会造成噪音污染，并对在机器附近工作的操作人员造成危害。

环境影响低- 液压系统泄漏可以在制造环境中造成混乱，如果有人在泄漏时，也会出现安全危险。在气动系统中，空气泄漏产生了不必要的噪音和废能。此外，液压泄漏可能导致对关键过程和产品的严重污染 - 例如食品加工，制药，医疗器械等。电动执行器系统不共享这些缺点。

较小的系统足迹- 不仅可以节省能源的电动执行器系统，还可以节省空间。液压系统需要一个气缸，动力单元提供油压，控制阀，过滤器和许多附加部件。电动系统仅需要执行器本身和控制柜 - 通常可以方便地位于使用点附近。

最小的维护-电动执行机构的尺寸适合应用，通常需要很少或不需要维护。在性能要求更高的应用中，电动执行机构可能需要进行除油等维护，但这通常是一个不频繁、简单和低成本的过程。流体动力设备虽然通常坚固耐用且易于部署，但作为一种权衡，需要大量的维护。泄漏的密封件会污染工作场所，减少工作力量。需要进行额外的空气和油维护，以防止湿度或污染物过早地破坏密封和系统中的其他部件。

使过程改进-在许多应用中，电动执行器的循环速度比液压缸快。一个例子是一个液压杆驱动器，可以前后移动6英寸。也许应用程序只需要6英寸的行程设置目的，只有3英寸的生产运行。但是流体执行器的定位能力很差，只能移动6英寸，在每个循环中都浪费时间。具有精确位置控制的电动执行机构可通过编程实现三英寸生产运行，从而节省时间，提高产量。

与流体相比，生命周期成本低动力——尽管电动执行器系统的效率是液压系统的两倍，但在初始阶段实施它们可能会更昂贵。然而，如果提高了性能、系统灵活性、降低了维护、流程改进和实用成本，那么整个系统生命周期的成本就会大大降低。

滚珠丝杠设计如何促进性能

简单的建筑-滚珠丝杠比滚柱丝杠结构简单，因此初始采购成本较低。

较低的生命周期成本-与流体动力系统相比，带滚珠丝杠的电动执行机构具有更低的生命周期成本，根据应用的寿命要求，由于初始成本较低，效率略高，可能会采用滚柱丝杠。

适度寿命长-与流体动力缸相比，滚珠丝杠在适当设计的高强度应用中具有较长和可预测的寿命。由于滚珠丝杠接触点较少，使用寿命比滚柱丝杠短几倍。

高力应用- 滚珠丝杠可以达到类似于滚子螺钉的高力，但致动器和机器占地面积将大得多，使用寿命小于滚子螺钉设计。

Tolomatic RSX滚柱-螺杆电动执行器在冲压应用中可提供高达17000 lbf的恒定、可重复的力，同时无需在转换过程中进行操作。图片由Tolomatic公司提供。

最低维护-滚珠丝杠的维护要求极低，比流体钢瓶低得多。根据应用的严重程度，偶尔可能需要对滚珠螺母总成进行周期性的再润滑。

滚柱螺旋设计如何提升性能

大的接触面积-滚轮和铅轴上经过硬化、精密研磨的螺纹提供了最大的接触面积。与滚珠丝杠相比，这有助于获得更大的受力能力和更长的使用寿命。

高循环-在中等速度和工作力下，滚柱螺钉可承受高占空比(高达100%)。虽然维护很低，高占空比应用可能需要偶尔重新润滑滚子螺母。

紧凑的设计- 与滚珠丝杠相比，滚子螺钉具有在较小的封装中产生更高力的优点。当致动器包络的尺寸对应用是至关重要的，滚子螺钉致动器在滚珠丝螺钉上具有优势。

寿命更长-由于多接触点，滚柱-螺杆执行机构在极端高力应用中表现出最长的寿命和最高的动态负载额定值(DLR)。

较低的生命周期成本- 由于更高的效率和节能，滚子螺钉致动器提供比流体动力缸更低的运行成本。根据应用，与滚珠丝杠相比，滚轮螺杆的高DLR和较长寿命可以促使总体拥有成本较低。

滚珠丝杠应用的示例

锯磨-一家木材加工设备公司需要在伐木作业中更换液压缸，以消除液压液泄漏到环境中的可能性。该公司选择了42英寸的RSA64电动滚珠丝杆驱动器。移动锯条的行程。具有IP67评级，以保护执行机构免受飞溅的水和碎片，执行机构还使用高/低温润滑脂润滑，以在所有天气条件下保持一致的性能。滚珠丝杠提供了高效，高速的运动，以达到所需的行程速度超过整个长度的电动气缸。

采用滚珠丝杠驱动的Tolomatic电动杆执行器取代了原木切割作业中的液压缸。图片由Tolomatic公司提供。

肉类包装中的步进梁- 在肉类包装厂，步行梁通过工厂的冷却衰老设施拉动猪肉和牛肉的侧面。该公司有兴趣消除由于对液压流体泄漏和产品污染的担忧而在其步行应用中使用液压缸。该公司选择RSA电动执行器具有滚珠技术的滚珠技术，超出液压缸的性能，并提供了更大的工艺重复性。能够降低总体拥有成本在决定转换为电动执行器方面发挥了重要作用。

在一个肉类加工应用中，采用滚珠丝杠技术的Tolomatic RSA电动执行器取代了液压缸，降低了总拥有成本。图片由Tolomatic公司提供。

滚柱螺杆应用的例子

汽车制造- 轴承压力机的OEM希望更换液压缸以改善过程控制，降低能耗并消除液压液体泄漏。在车轮尺寸转换期间丢失了时间，需要操作员进行多次调整以拨打性能。采用液压缸，每个生产转换导致生产时间损失和返工。该公司选择了一个RSX滚子螺杆电动执行器，提供一致，可重复的力量高达17,000 LBF，同时消除了在转换过程中进行操作员干预的必要性。伺服控制的RSX执行器允许OEM创建快速简便的转换程序以适应任何轮子尺寸。

两个Tolomatic RSX杆式电动执行器满足金属铸件制造商的峰值力要求。图片由Tolomatic公司提供。

金属铸造操作-一家高质量金属铸件制造商需要一个电动执行器来取代现有的高维护的液压执行器在钢铁厂。将热铸件从模具中取出大约需要66kn (15,000 lbf)。然而，当铸件在模具中冷却时，客户估计需要177kn (40000 lbf)才能将铸件从模具中取出。解决方案是两个RSX杆式电动执行器，采用大容量滚柱-螺杆技术，以满足峰值推力要求。更重要的是，执行机构的IP65评级和稳健的设计最大化执行机构的寿命，在炎热，肮脏的铸造环境。

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Daniel Schmit是Tolomatic的产品经理。他拥有广泛的背景，在全球范围内从事线性驱动解决方案的应用和销售工程师工作。丹尼尔拥有应用物理学学士学位和德语学士学位，这两个学位都来自明尼苏达州科利维尔的圣约翰大学，并作为美国富布赖特学生在奥地利林茨的Johannes Kepler Universität学习机电一体化。

50多年来，Tolomatic一直是用于工厂自动化的电动线性执行器，气动执行器和动力传输产品的领先供应商。其广泛的产品系列还包括伺服驱动的高力执行器，伺服和步进电机，步进驱动器和配置的线性运动系统。Tolomatic的电动线性和气动执行器用于各种行业，包括包装，物料处理，医疗，食品加工，汽车，半导体和一般自动化行业。