超越軸承：釋放機器人設計中滾珠花鍵的潛力

將高速、多軸運動集成到單個軸上的好處經常被忽視

當運動系統設計人員需要實現復雜、高速和多軸運動時，他們可能首先想到的是精心設計的預包裝機器人手臂。或者，如果他們只需要幾個軸，他們可能會考慮為每個軸配置單獨導軌或圓軌。但是，隱藏在這些選項之間的是簡單且成熟但經常被遺忘的滾珠花鍵技術。這種多軸運動解決方案已經存在多年，并且仍然與當今許多復雜的運動方案高度相關。滾珠花鍵采用獨特的架構，將旋轉和直線運動集成在單個軸上，使它們能夠更靈活地在狹窄空間內實施復雜的運動方案，從而實現二合一的運動控制（圖 1）。

圖1.滾珠花鍵可在單個軸上實現旋轉和直線運動，在不同的工作條件下提供高可靠性和預期壽命。圖片由Thomson Industries，Inc.提供

滾珠花鍵集成了旋轉和直線運動

滾珠花鍵可實現直線運動和旋轉運動。這是通過公共軸來執行兩種獨立運動實現的。（圖 2）如圖，該軸包括沿其長度稱為“花鍵”的軸向磨削槽，還包括一個沿軸向磨削槽移動的滾珠花鍵螺母，可鎖定旋轉運動或徑向力矩載荷。每個螺母都通過軸承支撐，常見的做法是，將一個公共錨固點（如圓管）固定在由機構支撐的支架上。每個螺母將由負責控制各自運動軸的電機（通常是皮帶驅動）獨立驅動。

< p>為了驅動軸向旋轉，需要轉動滾珠花鍵螺母。該螺母裝有一系列滾珠，允許沿軸自由運動（即，螺母以很低的摩擦力沿軸滑動）。旋轉時，這些滾珠通過花鍵槽向軸施加垂直力，使其旋轉。

為了驅動直線運動，通過液壓、氣動或電動活塞等直線推桿使花鍵軸向前或向后移動。當花鍵螺母沿軸的長度方向移動時，滾珠軸承在凹槽內滾動。滾動而不是滑行具有較低的摩擦系數和磨損系數，并實現平穩、精確的直線運動和更高的速度。滾珠軸承在螺母內循環，提供與軸的持續滾動接觸。

由于錨固/支撐，這種布置也非常耐扭轉載荷（即，除非由電機驅動，否則軸會抵抗旋轉）。如果在軸伸展/縮回/靜止時從外部施加扭轉載荷到軸上，則它由花鍵螺母支撐并抵抗該載荷。除了軸上的“二合一”運動控制外，此功能對于它在應用設計中的效用也同樣重要。

在單個軸上實現這一點有很多好處。它提供更好的空間利用率，提高負載能力、速度和精度，摩擦力可以忽略不計，并以低維護需要提高耐用性。

圖2.滾珠花鍵可在單個軸上實現直線和旋轉運動，為機器人設計帶來了許多好處，包括提高緊湊性、負載能力、速度和精度。圖片由Thomson Industries，Inc.提供

更好的空間利用率

將多個軸壓縮為一個軸，使滾珠花鍵相比傳統軸承解決方案能夠節省更多的空間。與同類直線軸承相比，這種設計意味著更少的組件和運動部件，并且在相同空間內提供更大的負載能力。

更高的負載能力

寬精密研磨凹槽增加了承載能力，并提高了硬度和剛度，以處理更大的力矩負載 — 可高達傳統軸承組件的兩倍。滾珠花鍵還可沿軸的長度分配更多的載荷。這使它們相較于傳統軸承能夠承受更高的載荷，而傳統軸承可能更容易受到局部應力集中的影響。滾珠花鍵在偏心載荷下也表現得更好，這種偏心壓力在換刀和拾取/放置等應用中很常見。

< strong >可忽略不計的摩擦力

滾珠導向系統通過與花鍵軸槽引導的滾動滾珠的切向點和螺母內滾道的精確接觸，提供幾乎無摩擦的運動。

更高的速度

滾珠花鍵只需要很小的力就可以軸向移動花鍵螺母，同時傳遞扭矩并減少摩擦。與傳統滾珠絲杠相比，這有助于將速度提高約20%，并且運行更平穩。滾珠花鍵可以處理高達2m/s的速度。

高精度和準確性

滾珠花鍵能提供高定位精度和準確度，使其成為需要精確控制應用的理想選擇。零背隙確保在改變方向時沒有旋轉間隙或丟失運動。滾珠花鍵即使在重負載下也能保持這種精度和低摩擦力，確保準確和一致的運動。

易于安裝和維護

安裝很容易，通常需要粗孔和攻絲安裝孔來固定法蘭螺母，或通過粗孔和鍵槽固定圓螺母。其設計簡單，使滾珠花鍵更易于故障排除和維護。與導軌和滾珠絲杠的更高維護要求不同，維護團隊只需將花鍵從軸上拉出，潤滑后放回原處即可。

高耐用性

滾珠花鍵由于增加了滾珠軸承接觸點，減輕了壓力并增加了負載能力，與一些傳統軸承相比，使用壽命更長。滾珠上的應力越小，它們可以承受的負載就越重，同時還具有耐磨損性，長期提供一致的性能。

滾珠花鍵通常可以設計有密封件和保護蓋，以保護滾珠軸承免受灰塵和碎屑等污染物的影響，從而進一步延長其使用壽命。滾珠花鍵架構從每個角度都具有安全的負載能力，這與徑向軸承不同，在徑向軸承中，必須適當而費力地定位滾珠才能平衡負載。

< p>節省成本

對于這種執行兩軸運動的替代方式來說，前期節省是可觀的，在量較大的情況下，節省的費用會成倍增加。與封裝的多軸系統相比，滾珠花鍵的成本要低得多。它們也比型材導軌組件更經濟，因為其部件數量少，運動部件少。它們能在相同價格下提供更好的力矩負載阻力，并且安裝時需要的表面處理更少。與圓軌組件相比，滾珠花鍵的成本相似，但占地面積更小，軸數更少。從長遠來看，需要維護的部件越少，就越能節省時間和成本。

應用

需要集成直線和旋轉運動的運動設計師應該評估滾珠花鍵技術，看看將這兩種運動配置在同一軸上是否有益。以下是工廠自動化、運輸、醫療保健和研究中利用滾珠花鍵功能的一些應用示例：

工廠自動化

• 用于重復拾取和放置的組件，例如高速半導體物體定位，其中機械臂在裝配階段進行拾取，旋轉并放置到另一處。
• 加工和銑削操作中的數控刀具定位。
• 用于精確控制灌裝和封蓋機構的包裝設備。

運輸

• 飛機控制，例如襟翼展開和油門調節。
• 軍用車輛，用于旋轉、火炮升降和車輛轉向。

醫療保健和研究

• 手術機器人，用于指導機器人輔助外科手術。
• 醫學成像設備，用于CT掃描儀的精確運動或其他高精度圖像采集設備。
• 實驗室分析，如顯微鏡載物臺和樣品定位。

滾珠花鍵的優點使其成為許多應用的理想選擇，包括（從左到右）CNC加工、造紙廠滾筒、拾取和放置以及機器自動化。圖片由Thomson Industries，Inc.提供

為了幫助機器設計人員針對其應用優化滾珠花鍵，一些供應商提供了在線指導。例如，市場上的某款滾珠花鍵選擇工具使用視覺輔助工具，使用戶可在幾分鐘內獲得理想配置。

找到自己的位置

滾珠花鍵對于需要實現多軸運動的機器設計師來說是一種有吸引力的解決方案。與封裝的多軸系統相比，滾珠花鍵需要的空間更小，可以實現更高的速度，且具有摩擦力低、精度高、使用壽命更長且更可預測以及易于維護等優點。此外，它們也更便宜。

滾珠花鍵不僅可以取代封裝好的機械臂，而且其空間效率和零背隙也使它們可以用作這些總成的組件，可以延長垂直行程或協助承受更重的徑向和軸向載荷。

隨著業務運營變得越來越復雜，數字化、人工智能和運動技術的進步將更多的運動軸引入了自動化戰略，滾珠花鍵的獨特性能和多功能性終將得到應有的尊重。