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滚柱螺旋执行机构:设计和应用

通过丹妮尔柯林斯|2017年7月27日

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机电执行器有许多品种,常见的驱动机构是丝杠、滚珠丝杠和滚柱丝杠。当设计师或用户想要从液压或气动过渡到机电运动时,滚柱螺旋执行器通常是最好的选择。在一个不太复杂的系统中,它们提供了与液压(高强度)和气动(高速)相当的性能特性。

一个滚子螺杆是一种用螺纹辊取代循环球的螺杆驱动器。辊的端部齿形以在螺母的每个端部处用齿轮环网。在行星结构中,滚轮在螺母周围旋转它们的轴和轨道。(这就是为什么滚轮螺钉也称为行星辊螺丝)。

滚子螺杆传动装置

滚柱螺钉用螺纹滚柱代替循环球。
螺母有一个与螺纹相匹配的内螺纹。滚子以行星的形式排列,都在轴线上旋转,并绕螺母运行。
辊的端部齿形以在螺母的每个端部处用齿轮环网啮合,确保辊子保持完美的对准,平行于螺钉和螺母的轴线。
图片来源:Rollvis SA

滚子螺杆传动装置

与滚珠丝杠(上)相比,滚柱丝杠(下)在设计上的主要优点是能够在同一空间内包含更多的接触点。
形象来源:SKF集团


与滚珠丝杠相比,滚柱丝杠的几何形状提供了更多的接触点。这意味着滚柱螺钉通常比类似尺寸的滚珠螺钉具有更高的动负载能力和刚度。而细螺纹(螺距)提供了更高的机械优势,这意味着在给定负载下所需的输入扭矩更少。

由于滚珠丝杠的承载辊互不接触,因此滚珠丝杠的运动速度通常比滚珠丝杠快,滚珠丝杠必须处理滚珠相互碰撞和与再循环端盖碰撞产生的力和热量。

倒辊螺丝

反向设计的工作原理与标准滚柱螺杆相同,但螺母本质上是由内而外的。因此,有了“倒滚柱螺杆”这个术语。这意味着滚子围绕螺丝(而不是螺母)旋转,而螺丝只在滚子轨道的区域螺纹。因此,螺母成为长度决定机构,因此它通常比标准滚柱螺丝上的螺母长得多。无论是螺杆或螺母可以用于推杆,但大多数执行机构应用使用螺杆为这一目的。

出于倒辊螺钉工作的良好可视化,退房这个视频来自SKF。

制造倒滚子螺杆提出了一个挑战,创造非常精确的内螺纹的螺母相对较长,这意味着一种加工方法的组合使用。结果是,螺纹更软,因此,反向滚柱螺钉的额定负载低于标准滚柱螺钉。但是倒置螺丝的好处是更加紧凑。

性能和选择

行星滚柱丝杠副虽然承载机构不同,但其许多特性与滚珠丝杠副相似。它们可以预装为了减少或消除侧隙,可以使用分裂螺母(在分裂螺母中,横向切割螺母,在前半部分和后半部分之间插入精密垫片)、双螺母或超大滚轮。滚柱螺丝也同样生产精确课程由于是滚珠丝杠,所以很容易确定引线偏差和定位精度。他们的经历是一样的临界转速和屈曲滚珠丝杠的局限性。

滚轮螺杆执行器

滚柱螺杆执行器通常与电机、伺服驱动器、开关,甚至控制硬件集成到执行器中,如Curtiss-Wright的这款Exlar Tritex II型号。

滚柱螺杆执行机构采用全封闭外壳设计,通常由阳极氧化或粉末涂层铝制成,具有特殊性能涂层或镀层可承受腐蚀性环境。力管(也通常被称为推管或推力管)是由钢制成的,它也可以被涂上防腐涂层。

推力轴承在从动端提供支持滚子螺杆,与一个平原衬套,以指导杆延伸进和出执行机构。当管伸长和缩回时,它通过安装在执行器末端的密封或雨刷,以防止污染物进入。像许多液压和气动缸一样,滚柱螺杆执行器上的力管可以提供一个内螺纹或外螺纹杆端,一个球形眼,或一个曲柄端,用于安装负载。


一些滚柱螺杆执行机构设计允许力管旋转,这有助于更容易安装和校准。如果负载被线性轴承或导轨约束旋转,这不是一个问题。但如果负载不能防止旋转,则执行机构应包括一个内部或外部的防旋转机构。


滚柱螺旋执行机构的主体使其成为一个全封闭单元,许多设计都具有额定IP,适用于飞溅或冲洗任务。这是特别有益的,因为滚柱螺旋执行机构通常用于食品和包装应用或其他恶劣的环境。一些滚柱螺杆执行机构配有伺服电机,在某些情况下,驱动器和控制硬件和传感器集成在执行机构内部。

应用程序

尽管滚轮螺钉上的滚轮螺钉的负载和速度优势,但是滚轮螺杆执行器真正有意义,是机电致动器更换液压致动器的情况。在许多情况下,愿望是远离液压,以消除液压流体的使用,或简化整个系统。滚轮螺杆执行器是最佳选择,因为它们提供了类似于液压的负载能力和刚度特性。良好的例子包括在执行器中风的同一区域中导致高力的压制,插入或任何应用。而无需对阀门,滤波器和泵等控制部件,它们的集成和设置比液压系统所需的复杂系统更简单。

滚子螺杆传动装置

不需要像阀门、过滤器和泵这样的控制部件,滚柱螺旋执行器比液压或气动系统简单得多。
对于需要最高集成级别的应用,电机绕组可以直接集成到执行器体中,就像Tolomatic的IMA模型一样。

当设计师或用户正在寻找气动执行机构的替代品时,也可以使用滚柱螺旋执行机构。虽然这些应用可能不需要滚柱螺钉提供的高力,但它们通常涉及非常高的速度和加速度。作为气动的替代品,滚柱丝杠通常是比滚珠丝杠更好的选择,因为滚柱丝杠可以承受频繁循环和连续工作的应用,这些条件可以显著降低滚珠丝杠的寿命。


功能图片:一种常见的方法来减少在滚子螺杆的间隙是使用分裂螺母设计,与精密的间隔插入两个螺母之间的一半。

图片来源:舍弗勒集团


了下:线性运动技巧,滚珠螺钉•丝杠螺钉,运动控制•电机控制


关于作者

丹妮尔柯林斯

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