在医疗运动中使用精密滚珠丝杠

经过Alex Margolin, Nook Industries, Inc.工程经理

在将滚珠丝杠设计成医疗或实验室设备时，要注意这些重要因素。

控制线性运动是医疗器械和实验室设备的常见要求，并且有许多线性驱动选项可用。然而，医疗/实验室应用的性质呈现出独特的挑战，例如确保精确，可靠和可重复的运动;在越来越较小的空间内处理变化的动态载荷;在清洁环境中操作，需要最少的磨损碎片;在操作期间降低噪音，振动和机械干扰。

精密滚珠丝杠是在医疗和实验室设备中处理线性运动的常见选择。

精密滚珠丝杠已成为用于线性运动控制的医疗和实验室设备的常见选择，因为它们符合这些挑战。它们还具有必要的性能特性，进行耐用性，可用于支持这些专业需求所需的各种尺寸/风格选项。这就是为什么滚珠丝杠是医疗环境中许多血液泵送设备的组成部分和实验室环境中的自动样品输送系统。

滚珠丝杆基础知识
在其最基本的水平，滚珠丝杠包括一个螺丝，一个螺母，和一个滚珠轴承返回机构，所有包装在一个组件，当由电机驱动时，既转换旋转运动为线性运动，并控制附加物体的线性定位。所述螺杆沿其轴的长度具有螺旋槽，所述螺母包括匹配槽。这些沟槽充当内圈和外圈，精密金属球沿着这些沟槽运动，以产生直线运动。滚珠丝杠更高效，摩擦系数更低，支持更好的扭矩控制比其他类型的线性控制丝杠，使它们更好地适应医疗应用固有的挑战。例如，在驱动和驱动两个方向的扭矩控制，滚珠丝杠允许更好的位置控制与反向负载方向的应用，如活塞式计量系统。

典型的滚珠丝杠由螺丝，螺母和滚珠轴承返回机构组成，所有包装在一个组件内。

然而，并非所有的滚珠丝杠都是一样的，并且设计工程师在医疗设备或实验室仪器设计中使用滚珠丝杠时应考虑设计工程师的一系列重要因素。

需要考虑的重要因素
要考虑的第一个因素是领先精度，因为它适用于实现应用程序所需的位置和运输精度。当定位/运输精度是最重要的，选择最精确的铅精度水平可用。

虽然滚珠丝杠提供更高水平的精度，引线精度可以在不同的型号不同。滚珠丝杠的引线是滚珠丝杠前进一圈时所走过的轴向距离。引线精度与在冲程或轴的长度上每一圈所走的距离的变化有关。

滚珠丝杠组件有许多轴承球，可在螺母和螺钉之间传递负载。其中轴承球骑的螺纹形式是初始形状，也称为哥特式拱形，由具有偏移中心的两个相同半径的弧形形成。

理论上，引线应该等于螺距的乘积，每个螺纹之间的轴向距离，乘以螺杆启动数，螺杆轴上的螺纹数。引线精度是实际移动距离与理论距离之间的差值。国际标准化组织(ISO)和德国国家标准组织Deutsches Institut für Normung (DIN)已经为定位(P)和运输(T)应用的精密滚珠丝杠制定了引线精度标准。例如，在300mm的行程中，P5或T5的引线精度在±23微米内;P7或T7±52微米超过300毫米;P10或T10是±210微米超过300毫米。

另一个需要考虑的关键因素是设备如何处理所需的加载条件，包括在许多类型的仪器所需的小空间内发生的更高的动态负载。您需要评估一系列不同的加载场景，特别是当当今的应用程序需要越来越小的滚珠丝杠组件时。

考虑静载荷（将推力施加到球螺母损坏组件？）以及与螺母沿螺钉的行进相关联的动态载荷，线性和旋转速度，加速度和循环速率以及所涉及的驱动扭矩。通过拉伸或挤压轴的压缩载荷，确保滚珠丝杠不会屈服于张紧载荷。是否有侧面或推翻负载，这是混合的一部分，需要进行评估？是一个预载的滚珠丝杠组件 - 一个滚珠丝杠，其在球螺母和螺钉组件之间用内部力预加载，以消除特定应用的轴向和径向睫状体型轴承件？通过许多精确的医疗制造工艺，您可能需要控制装配刚度，以最大化伺服驱动控制系统中的定位和稳定性控制。球螺钉组件是否足够坚硬，以确保特定应用？

根据其在设备或机制中使用的滚珠丝杠的详细负载曲线将让您避免昂贵的错误，并为特定应用选择合适的滚珠丝杠组件。

直到最近，只有一种选择可以实现当今许多医疗设备和实验室设备对精确的精度和更高的动态承重线性运动的要求;采用制造定制地面滚珠丝杠组件。虽然这种方法满足基本的性能标准，但它有明显的缺点。

研磨定制滚珠丝杠比购买标准制造产品更昂贵。如果定制接地滚珠丝杠磨损或需要更换，则成本甚至更高，需要另外一轮昂贵的磨削和生产。幸运的是，穿线制造技术的进步使得具有相同精度，铅精度，效率和性能的制造滚珠丝杠，作为定制接地球螺钉现实。

卷绕滚珠丝杠提供相同程度的微调，精度和可重复性，用于控制定位作为定制滚珠螺钉，购买携带几个优点。因为他们不需要定制生产，所以交付往往更快。它们也更实惠 - 通常，定制滚珠丝杠的成本的一小部分 - 并且是互换的，使更换快速且简单。

使用用于线性运动控制的精密滚珠丝杠的另一个优点是它们提供的更高的效率，可靠性和可操作可靠性。滚珠丝杠设计更有效地将旋转运动转化为线性运动和定位控制，将大约90％的电动机扭矩转换为推力。球螺钉达到这种高效率，因为轴承球转移并在螺母和螺钉之间分享负载。这种机制的基本布置是最大限度地减少机械磨损，确保可重复，可预测的性能，消除过热和干扰的风险，并延长使用寿命和可靠性。由于球螺母的高效率，驱动和驱动方向上的扭矩控制比其他类型的螺钉更均匀，允许更好地控制用于逆转负载方向的医疗应用。

滚珠丝杠的新制造方法，如滚丝滚珠丝杠，提供了与定制地面滚珠丝杠相同程度的微调、精度和定位控制的重复性，购买具有更实惠的优势。

这并不是说滚珠丝杠没有可能的问题需要考虑。设计师应该注意的一个潜在问题是反弹。当滚珠丝杠不动时，侧隙与丝杠和螺母之间的轴向和径向运动程度或间隙有关。在滚珠螺母和螺杆组件之间预加载一个内力，可以消除轴向和径向间隙。

当然，在医学/实验室线性运动控制应用中使用精密滚珠丝杠并不是万能的。不同的用途需要不同尺寸的直径和引线，可能需要替代材料、螺纹类型、法兰类型和/或安装选项。

虽然螺丝、螺母和滚珠轴承通常采用碳、合金、不锈钢或淬硬钢，但也经常使用其他材料来支持特殊要求。螺纹有多种样式，如v型螺纹、圆柱键控螺纹和整型法兰螺纹，通常有右螺纹或左螺纹。

当使用法兰安装滚珠丝杠时，要注意可用的法兰类型，以确保安装灵活性。法兰有多种风格，包括din风格的法兰，大多数配置提供四，六，或八个安装孔。

选择精密轧制滚珠丝杠时，还应考虑最适合特定应用的滚珠返回机构，外部型材和刮水系统的类型。滚珠丝杠的基本设计需要一种转移轴承球的轴承球，该轴承球在螺母内部延伸到螺母的开始处的凹槽的开始。传统上，这是通过沿着螺母外部运行的外部管返回来实现，以将球从螺母的末端返回开始。

外部返回就可以了,返回管或管的方向,必须安装在一个特定的方式,通常创建一个更广泛的概要的滚珠螺杆会和创建间隙问题,尤其是在越来越小的空间所需的医疗设备和实验室设备。为了克服这个问题，更新的精密滚珠丝杠采用内部回程镶件设计，使轴承滚珠在滚珠螺母本体边界内偏转和移动。

由于滚珠丝杠性能的特点是平滑、无摩擦、滚动运动，小型电机一般足以驱动它们。小型电机比大型电机安静得多，精密滚珠丝杠减少了噪音和振动，使它们成为医疗和实验室设置的完美线性控制解决方案。

滚珠丝杠也非常可靠，几乎无需维护。建议雨刷组件或整体雨刷与滚珠螺母一起使用，以防止内部受到外来的、潜在的损坏材料的污染。润滑剂是必要的，以保持最佳的滚珠丝杠性能。如果没有适当的润滑(通常使用油或锂基润滑脂)，滚珠丝杠的预期使用寿命将损失90%。适用于滚珠丝杠的减摩轴承的标准润滑工艺。根据实际滚珠丝杠的应用情况，可能还需要防腐涂层和润滑表面。

一定要在建议的温度范围内操作滚珠丝杠。螺杆的热膨胀会引起定位误差。通过将螺杆工作温度保持在规定的范围内，设计工程师可以避免这种情况，保证润滑工作正常，实现可靠、可靠的性能。

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