机器人线性执行器：滚珠丝杠与滚柱丝杠对比

滚珠丝杠和行星滚柱丝杠都通过滚动接触把旋转运动转换为直线运动。滚珠丝杠在丝杠与螺母之间循环滚珠；行星滚柱丝杠则通过多个螺纹滚柱形成多条接触线。两者都需要导向、轴承、润滑和保持策略。

滚柱丝杠在要求严苛的封装中可提供较高的载荷密度和寿命，而滚珠丝杠技术成熟、效率高且供应广泛。两者没有绝对优劣。导程、推力、速度、行程、占空比、预载、屈曲、临界转速和维护要求共同决定执行器选型。

将选择连接到 关节执行器测试指南 和 制动器与安全停止指南。重力载荷轴需要针对非预期运动的应用特定保护。

这两种机构都将螺杆旋转转换为螺母行程

导程决定丝杠每转一圈的直线行程。电机转矩通过机械增益和效率转换为轴向推力。较小的导程可提高力的倍增和分辨率，但在相同电机转速下会降低线速度。

明确哪个构件旋转、哪个构件平移。螺母旋转、丝杠旋转和倒置结构会改变惯量、临界转速、轴承配置和线缆布线。还应配置承受侧向载荷的导轨。

滚珠螺杆依赖于循环滚动元件

THK的 选择指导 将载荷、寿命、精度、预载、屈曲和允许转速视为连锁设计检查。滚珠通过受载的跑道和回程。

回流管或内部回流几何影响螺母尺寸、速度、噪音和组装。球直径、接触角、槽精度、预载和润滑决定刚性和效率。使用该产品的动态载荷和寿命方法。

选择维度	滚珠丝杠的典型特性	滚柱丝杠的典型特性	系统检查
接触形式	循环滚珠	多个螺纹滚柱	负载分布
负载密度	广泛的实用范围	在紧形式中可以是高的	精确产品评级
效率	通常较高	设计相关	实测工作循环图
噪声与回流机构特性	滚珠回流路径很重要	滚柱同步很重要	速度测试
成本与供应	通常都是有利的	通常是更高且专业化的	生命周期价值

滚柱丝杠使用多个螺纹触点

行星滚柱丝杠在螺母和螺杆之间放置螺纹滚子。多条接触线可在紧凑直径内承受高轴向载荷和高刚度。滚轮几何结构和同步使制造和润滑工作要求高。

不要泛化所有滚轮螺杆结构。行星式、循环式和倒置式结构各不相同。询问允许转速、载荷范围、寿命、预载、效率以及实际行程和朝向下的服务情况。

导程决定推力、速度与折算惯量之间的权衡

小导程可提高单位电机转矩对应的推力，但要达到相同线速度需要更高的电机转速。大导程有利于线速度并降低所需转速，但要达到相同推力需要更大的电机转矩。

导程还会影响负载折算到电机侧的转动惯量、反向驱动特性和位置灵敏度。应综合优化电机、驱动器和丝杠。高推力、小导程执行器可能因电机和丝杠高速循环而过热。

预载用摩擦和热量取代了轴向游隙

预载可减少轴向间隙，提高刚性或反转重复性。它会增加接触应力、摩擦和温度，过大时寿命缩短。热膨胀会改变受限安装中的预载。

组装后测量阻力、刚度和温升。不要用丝杠预载补偿柔性导轨、联轴器或轴承。保持对中，避免螺母承受侧向载荷。

屈曲限制长丝杠的压缩载荷

细长丝杠在压缩推力下可能在滚动接点达到额定承载能力前屈曲。 THK指示设计师计算实际支撑距离和端部条件下的屈曲及允许的压缩或拉伸载荷。

检查最不利的伸出位置、导轨对中和冲击系数。固定—自由或固定—支撑的安装方式会改变承载能力。支承座结构必须满足计算所采用的边界条件。

临界转速限制长旋转丝杠

旋转螺杆的弯曲临界转速取决于长度、支撑和直径。接近共振的操作会产生振动，并可能损坏轴承或螺母。更长的行程和更高的转速使其成为主要限制。

使用制造商的许用转速计算方法，并考虑安全裕量和实际安装条件。当长丝杠接近或超过临界转速时，应考虑旋转螺母或直线电机等替代方案。动平衡、直线度和联轴器对中都很重要。

失效模式	主要驱动力	设计检查	测试证据
屈曲	压缩与自由长度	欧拉公式或制造商计算方法	留有裕量的验证载荷
临界速度	旋转与支撑跨度	允许速度方法	振动扫频
螺母过热	载荷、速度与预载	工作热模型	稳循环温度
侧向加载	导向错位	导向与安装分析	磨损与转矩
后驱或下落	导程、摩擦与重力	保持风险评估	电源中断测试

线性导轨必须承载侧向载荷和力矩

丝杠螺母副主要承受轴向载荷。独立导轨应承受横向力、力矩和不对中。当丝杠被迫兼作结构导向时，会导致卡滞和磨损不均。

在整个行程内对中支承座、导轨和螺母安装。双向测量电机电流和推力。局部电流升高可能暴露不对中、污染或回流元件损坏。

可回驱性改变了安全保持策略

当外部轴向载荷产生丝杠转矩时，滚动丝杠可能被反向驱动，尤其是在导程较大且效率较高时。不要假设丝杠能够自锁。垂直轴在电源中断时可能发生危险运动。

使用符合等级的保持制动器、平衡器、机械约束装置或其他风险控制结构。验证制动正时、下降距离、磨损和重启。新执行器偶尔产生的摩擦力不属于安全功能。

选择以完整的工作周期测试结束

比较推力、速度、行程、导程、预载、效率、惯量、临界转速、屈曲、寿命、润滑、污染、噪声、质量和维护。还应包括电机、联轴器、支承、导轨、制动器和结构。

以代表性的运动和载荷运行至热稳态，然后检查精度、阻力和磨损；完成寿命试验后再重复检查。选择满足整个执行器要求并留有余量的丝杠，而不是只选孤立推力额定值最高的丝杠。

评估“机器人线性执行器：滚珠丝杠与滚柱丝杠对比”时，还应保存模型版本、机器人配置、标定文件、测试日期和全部试验记录。把成功、失败、恢复与人工介入放在同一份数据中，才能区分模型能力、系统接口和现场流程造成的差异。

• 将机器人运动转化为推力、速度和行程。
• 同时选择接触结构与导程。
• 检查预载、屈曲和临界转速。
• 避免让侧向载荷传入螺母。
• 验证断电、负载保持和全寿命周期内的行为。

常见问题

滚柱丝杠总是比滚珠丝杠承载能力更高吗？

不行。具体尺寸、结构、负载范围、速度、导程、预载和寿命决定容量。

滚珠丝杠的回程间隙总是很大吗？

不一定。预载滚珠丝杠的轴向间隙可以很小，但仍须考虑摩擦、寿命和执行器其他部分的误差。

断电时滚柱丝杠能保持位置吗？

不要这样假设。高效率丝杠可能被反向驱动，重力轴需要经过验证的保持策略。

导程越小总是越好吗？

不是。小导程会提高力的倍增，但限制相同电机转速下的线速度，并改变折算惯量、效率和发热。

每个丝杠执行器都需要直线导轨吗？

它需要一个结构，能够承受侧向载荷和力矩，而不强行穿过螺母；专用导轨通常是解决方案。

线性执行器安全说明

垂直安装和承受重力载荷的丝杠执行器在驱动转矩消失时可能移动。应结合具体任务的风险评估、额定保持装置或平衡系统、经过验证的停止序列以及当前产品的计算方法，评估屈曲、临界转速和寿命。