將高速、多軸運動集成到單個軸上的好處經(jīng)常被忽視
當運動系統(tǒng)設計人員需要實現(xiàn)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(jīng)常被遺忘的滾珠花鍵技術。這種多軸運動解決方案已經(jīng)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(xiàn)二合一的運動控制（圖 1）。
圖1.滾珠花鍵可在單個軸上實現(xiàn)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(xiàn)直線運動和旋轉運動。這是通過公共軸來執(zhí)行兩種獨立運動實現(xiàn)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(shù)和磨損系數(shù)，并實現(xiàn)平穩(wěn)、精確的直線運動和更高的速度。滾珠軸承在螺母內循環(huán)，提供與軸的持續(xù)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(xiàn)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(xiàn)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?jié)L珠花鍵相比傳統(tǒng)軸承解決方案能夠節(jié)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(tǒng)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(tǒng)軸承能夠承受更高的載荷，而傳統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)滾珠絲杠相比，這有助于將速度提高約20%，并且運行更平穩(wěn)。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?jié)L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(tǒng)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(jié)省成本對于這種執(zhí)行兩軸運動的替代方式來說，前期節(jié)省是可觀的，在量較大的情況下，節(jié)省的費用會成倍增加。與封裝的多軸系統(tǒng)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(jīng)濟，因為其部件數(shù)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(shù)更少。從長遠來看，需要維護的部件越少，就越能節(jié)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(yī)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(shù)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(jié)。
- 軍用車輛，用于旋轉、火炮升降和車輛轉向。
醫(yī)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(yī)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(yōu)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(yōu)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(xiàn)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(tǒng)相比，滾珠花鍵需要的空間更小，可以實現(xiàn)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(yōu)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(xié)助承受更重的徑向和軸向載荷。
隨著業(yè)務運營變得越來越復雜，數(shù)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(zhàn)略，滾珠花鍵的獨特性能和多功能性終將得到應有的尊重。