滾珠螺桿 (Ball Screw) 簡介

滾珠螺桿 (Ball Screw) 簡介

原圖出處:http://www.tbimotion.com.tw/

滾珠螺桿是一種鋼珠介於螺帽與螺桿之間做運動,將傳統螺桿之滑動接觸轉換成滾動接觸然後再將螺帽內的鋼珠迴轉運動轉為直線運動的傳動機械組件。滾珠螺桿具有定位精度高、高壽命、低污染和可做高速正逆向的傳動及變換傳動等特性,因具上述特性,滾珠螺桿已成為近來精密科技產業及精密機械產業的定位及測量系統上的重要零組件之一。

原圖出處:http://www.techdrives.co.uk/

滾珠螺桿的結構主要有螺桿、螺帽、鋼珠、刮刷器、固定塊以及循環系統所構成的,刮刷器安裝於螺帽兩側已達到密封的功能,並可防止粉塵和切屑進入。

一般常見的有外循環式和內循環式滾珠螺桿。外循環滾珠螺桿是由螺桿、螺帽、鋼珠、彎管及固定塊組合而成,鋼珠介於螺桿與螺帽之中,從螺桿的螺旋溝槽進入彎管通過再回到螺旋溝槽,做無限循環運動。因彎管裝置在螺帽外部,此種型態稱為外循環式滾珠螺桿。


外循環式滾珠螺桿

鋼珠介於螺桿與螺帽之中,內循環式滾珠螺桿是由螺桿、螺帽、鋼珠及洄流蓋組合而成,鋼珠採單圈循環,以洄流蓋跨越連接兩相鄰珠槽,鋼珠通過迴流蓋改變進行方向,構成單一封閉迴流路徑。由於迴流蓋組裝在螺帽之中,因此稱之為內循環滾珠螺桿。

內循環式滾珠螺桿

滾珠螺桿採用哥德式溝槽形狀可使鋼珠與溝槽能有最佳接觸,以便輕易運轉若加入適當的預壓力,消除軸方向間隙,此外也可使滾珠螺桿具有更佳的剛性,減少滾珠和螺帽 螺桿間的彈性變形,達到更高的精度。

滾珠螺桿其運轉是靠螺帽內的鋼珠作滾動運動,比傳統滑動螺桿有更高的效率,所需的扭矩只有傳統滑動螺桿的1/3以下 所以可輕易地將直線運動轉變為回轉運動。滾珠螺桿的導程為螺桿旋轉一圈,螺帽所行走的位移,且因製造商的製程不同,定位精度也會有所差異,滾珠螺桿實際作動方式可參考下列影片

 

 

 

參考資料

http://www.hiwin.tw/download/tech_doc/bs/Ballscrew-(C).pdf

http://www.gresuc.com.tw/templates/cache/30382/images/577decac28812.pdf

http://www.twsct.com/upload/file/file_20160111045126330871366.pdf

何謂無刷馬達?

從直流無碳刷馬達(DC Brushless Motor)的結構上來說,它是把線圈做在定子上、而轉子上則是貼有磁石(如圖一)。此與傳統DC有碳刷馬達的結構是剛好相反的。傳統DC有碳刷馬達是把線圈繞在轉子上,磁石貼在定子上(如圖二)。故無碳刷馬達因結構的關係,其不必再透過整流子和碳刷間的接觸來對轉動中的轉子線圈通電及整流,在不需要碳刷的狀況下,仍然能夠利用定子線圈通電後與轉子磁石磁場間的,相互吸引,或排斥的方式來達到換相運轉的功能,這就是直流無碳刷馬達。

圖一      圖二

 

直流無碳刷馬達的特點

直流無碳刷馬達顧名思義就是不需碳刷的一種馬達,因此免除了碳刷的磨耗及壽命上的問題。所以他可以應用的場合如,無塵室,或是一些對現場作業環境,要求較高的地方。此外無刷馬達它是以非接觸式的方式來取代傳統DC馬達整流子換相的問題,固可以做到小型高性能化的特點。也因少了碳刷切換的問題,故少了碳刷磨擦時所產生的熱與噪音問題,馬達溫昇自然會變得較低、效率因而提高。因此我們說直流無碳刷馬達是一種高效率、較為省電的馬達,不但溫昇低,使用它更可因此讓馬達的使用壽命獲得提昇。

 

直流馬達具有響應快速較大的起動轉矩(扭力)、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能也就是固定扭力,但直流馬達的優點也正是它的缺點,因為直流馬達要產生額定負載下,恆定轉矩的性能,固定扭力的輸出,則電樞磁場與轉子磁場角度須恆維持90°,這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在馬達轉動時會產生火花、碳粉因此除了會造成元件損壞之外使用場合也受到限制。

交流馬達沒有碳刷及整流子,免維護、堅固、應用廣,但特性上若要達到相當於直流馬達的性能須用複雜控制技術才能達到。

如今半導體發展迅速,功率元件切換頻率加快許多,因此提升許多驅動馬達的性能,可實現將交流馬達控制置於一旋轉的兩軸直交座標系統中,適當控制交流馬達在兩軸電流分量,達到類似直流馬達控制並有與直流馬達相當的性能。

此外已有很多微處理機將控制馬達必需的功能做在晶片中,而且體積越來越小;像類比/數位轉換器(Analog-to-digital converter,ADC)、脈波寬度調變(pulse wide modulator,PWM)…等。直流無刷馬達即是以電子方式控制交流馬達換相,得到類似直流馬達特性又沒有直流馬達機構上缺失的一種應用。

何謂減速機?

減速機就是可以降低馬達的轉速提高扭力的一種機構,就是把許多不同比數的大小齒輪裝在一個空間裡頭,藉著齒輪間互相的咬合而組成的一種傳動系統,這樣的一個機構就稱之為減速機。減速機是一種能夠將馬達的轉速降低並讓輸出轉矩提昇的一種傳動機構,其傳動原理如下圖,今只需在輸入端給予一個小的力量,經過幾個齒輪的傳動後,便可產生較大的力量去帶動一個大的負載。

減速機輸出扭力計算法:

假設:

輸出扭力

輸入扭力

減速比

減速機的齒輪階數

效率(一般一階減速齒之效率約為0.9或0.95)即

減速機輸出扭力與輸入扭力的關係式如下

由上述公式得知:

當減速比 加大時,依比例減速機的輸出轉矩 也會增大,但實際上受到減速機的形狀,或 所使用的齒輪,或軸承的材質、軸承的大小等關係的影響,故其機械強度都有一定的限度在,因此會有所謂”最大容許轉矩”的問題。像一般AC馬達用的減速機其最大容許轉矩約150Kgcm(公斤)、有的可達200Kgcm(公斤)

使用減速機的好處

提升輸出扭力的方式有很多,或許有人會直接加大馬達規格瓦數;但事實上,扭力的增大,即等於控制馬達電流的增大,此時就必須採用比較大的驅動器及功率電子元件來做搭配,如此一來將使整體控制系統的成本增加,因為選擇較大瓦數的馬達時,馬達體積會變得更大,相對的,整台機構為了安裝馬達,會使的整體機構愈來越大,因設備越來越大,所以也需要較多的空間來放置設備,此時若是使用減速機來提升扭力,即可以不太需要太大的馬達,就可以做到提升扭力。

 

減速機種類:

  1. 正齒輪減速機
    蝸輪蝸桿減速機
    3.傘齒輪減速機
    4.戟齒輪減速機
    5..平行軸減速機
    6.直交軸減速機
    7.斜交軸減速機