運動系統(tǒng)設(shè)計人員經(jīng)常使用滾珠絲杠而不是梯形絲杠，其原因之一是滾珠絲杠能夠在更高的速度下穩(wěn)定運行。然而，滾珠絲杠本身也有速度限制，了解這些限制將有助于優(yōu)化滾珠絲杠組件在各種應(yīng)用（包括從小型實驗室流體泵、大型高架龍門到高性能機械）中的性能。
滾珠絲杠基礎(chǔ)知識
滾珠絲杠組件由絲杠和帶循環(huán)滾珠軸承的螺母構(gòu)成。絲杠與螺母之間通過滾珠軸承連接，其中滾珠在螺母和絲杠軸內(nèi)以配對形式滾動。這可實現(xiàn)將力分配到多個滾珠上，使每個滾珠承受的負(fù)載相對較低并降低摩擦系數(shù)，從而有助于提高運行速度（圖1）。
圖1. 滾珠絲杠的摩擦系數(shù)較低，這是因為其負(fù)載分布在多個滾珠上，這些滾珠會隨著軸的轉(zhuǎn)動而循環(huán)滾動。
絲杠和螺母通常有獨特的最大轉(zhuǎn)速限制，因此選擇高效的滾珠絲杠組件需要同時注意這兩個限制。
限制最大轉(zhuǎn)速（RPM）的滾珠絲杠設(shè)計
影響最大轉(zhuǎn)速的絲杠軸設(shè)計參數(shù)主要有末端固定、絲杠導(dǎo)程和絲杠直徑。
每個滾珠絲杠都有一個固有諧振頻率，并會在該頻率下發(fā)生過度振動，這被稱為滾珠絲杠的臨界速度。當(dāng)應(yīng)用速度與臨界速度一致時，絲杠會發(fā)生諧振（圖2）。然后，絲杠固有的不平衡會與之共振，導(dǎo)致過度彎曲、弓拱、振動并最終導(dǎo)致故障。
圖2. 絲杠軸可能在高轉(zhuǎn)速下發(fā)生振動。
末端固定
末端固定選項包括：一端固定在推力軸承中；兩端使用浮動軸承支撐；一端固定同時另一端使用浮動軸承支撐；兩端固定在推力軸承中。當(dāng)滾珠絲杠兩端固定時，可以達到最高轉(zhuǎn)速。固定末端可以承受彎矩載荷，因此滾珠絲杠會與支撐軸承的平面保持垂直。
然而，相比于其他固定方式，兩端固定可能成本更高且難以安裝。因為進行兩端固定時，支架之間的距離是不可調(diào)的，從而使安裝孔難以對準(zhǔn)。
絲杠導(dǎo)程
假設(shè)輸入速度恒定，則較高的導(dǎo)程將使螺母更快地沿絲杠移動，從而提高線速度。當(dāng)比較線速度恒定的兩個不同導(dǎo)程的絲杠時，導(dǎo)程越高則輸入電機轉(zhuǎn)速就越低。但是，較高的絲杠導(dǎo)程會增大轉(zhuǎn)動絲杠所需的扭矩。
絲杠直徑
絲杠直徑越大，負(fù)載能力和額定最大轉(zhuǎn)速（RPM）就越高。反之，絲杠直徑越小，則最大轉(zhuǎn)速（RPM）就越低。當(dāng)絲杠導(dǎo)程相同時，較大直徑的絲杠的額定轉(zhuǎn)速更大。
限制最大轉(zhuǎn)速（RPM）的滾珠螺母特點
滾珠螺母的最大轉(zhuǎn)速（RPM）受限于滾珠循環(huán)通過滾珠螺母的速度。如果轉(zhuǎn)速超過滾珠螺母的最大轉(zhuǎn)速，則可能對滾珠循環(huán)部件造成永久性損壞。滾珠軸承可能會脫離或堵塞循環(huán)系統(tǒng)，從而可能導(dǎo)致裝置完全失效。
滾珠循環(huán)系統(tǒng)主要有三種類型：內(nèi)循環(huán)、單循環(huán)和外循環(huán)（圖3）。滾珠返回的目的是實現(xiàn)滾珠在螺母中的循環(huán)。循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計會影響螺母的速度限值。外循環(huán)系統(tǒng)通常使用伸入滾珠溝槽的撿拾齒將滾珠導(dǎo)入循環(huán)路徑中。當(dāng)高速運行時，由于滾珠軸承的持續(xù)撞擊，該撿拾齒會彎曲并最終斷裂。單循環(huán)和內(nèi)循環(huán)設(shè)計通常更加穩(wěn)固，且運行速度要高于外循環(huán)系統(tǒng)。
圖3. 滾珠循環(huán)系統(tǒng)的比較（從左到右）：內(nèi)循環(huán)、單循環(huán)和外循環(huán)。
結(jié)論
系統(tǒng)的速度優(yōu)化可通過以下幾點來實現(xiàn)：
- 使用末端支撐來固定滾珠絲杠組件
- 使用更高的導(dǎo)程來提高線速度
- 使用大直徑絲杠來提高負(fù)載能力和額定最大轉(zhuǎn)速（RPM）
- 滾珠螺母采用內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)
然而，許多其他因素也會對速度造成影響，例如負(fù)載特性、位置精度、可重復(fù)性、所需預(yù)期壽命、尺寸限制、輸入功率要求、環(huán)境條件和可用預(yù)算等。
大多數(shù)因素對速度的影響都是可以計算的。滾珠絲杠制造商通常會指定其產(chǎn)品的建議最大速度，并提供有助于精確進行物理權(quán)衡計算的工具。
類似圖示這種直徑1”的絲杠的最大轉(zhuǎn)速會因長度不同而有很大差異：從長度36”時的2938 RPM，到長度144”時的184 RPM（額定轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速的80%，簡單支撐）。數(shù)值可參考Machinery Handbook（機械手冊）。圖片由Motion Industries提供。
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