将高速、多轴运动集成到单个轴上的好处经常被忽视
当运动系统设计人员需要实现复杂、高速和多轴运动时，他们可能首先想到的是精心设计的预包装机器人手臂。或者，如果他们只需要几个轴，他们可能会考虑为每个轴配置单独导轨或圆轨。但是，隐藏在这些选项之间的是简单且成熟但经常被遗忘的滚珠花键技术。这种多轴运动解决方案已经存在多年，并且仍然与当今许多复杂的运动方案高度相关。滚珠花键采用独特的架构，将旋转和直线运动集成在单个轴上，使它们能够更灵活地在狭窄空间内实施复杂的运动方案，从而实现二合一的运动控制（图 1）。
图1.滚珠花键可在单个轴上实现旋转和直线运动，在不同的工作条件下提供高可靠性和预期寿命。图片由Thomson Industries，Inc.提供
滚珠花键集成了旋转和直线运动
滚珠花键可实现直线运动和旋转运动。这是通过公共轴来执行两种独立运动实现的。（图 2）如图，该轴包括沿其长度称为“花键”的轴向磨削槽，还包括一个沿轴向磨削槽移动的滚珠花键螺母，可锁定旋转运动或径向力矩载荷。每个螺母都通过轴承支撑，常见的做法是，将一个公共锚固点（如圆管）固定在由机构支撑的支架上。每个螺母将由负责控制各自运动轴的电机（通常是皮带驱动）独立驱动。
< p>为了驱动轴向旋转，需要转动滚珠花键螺母。该螺母装有一系列滚珠，允许沿轴自由运动（即，螺母以很低的摩擦力沿轴滑动）。旋转时，这些滚珠通过花键槽向轴施加垂直力，使其旋转。为了驱动直线运动，通过液压、气动或电动活塞等直线推杆使花键轴向前或向后移动。当花键螺母沿轴的长度方向移动时，滚珠轴承在凹槽内滚动。滚动而不是滑行具有较低的摩擦系数和磨损系数，并实现平稳、精确的直线运动和更高的速度。滚珠轴承在螺母内循环，提供与轴的持续滚动接触。
由于锚固/支撑，这种布置也非常耐扭转载荷（即，除非由电机驱动，否则轴会抵抗旋转）。如果在轴伸展/缩回/静止时从外部施加扭转载荷到轴上，则它由花键螺母支撑并抵抗该载荷。除了轴上的“二合一”运动控制外，此功能对于它在应用设计中的效用也同样重要。
在单个轴上实现这一点有很多好处。它提供更好的空间利用率，提高负载能力、速度和精度，摩擦力可以忽略不计，并以低维护需要提高耐用性。
图2.滚珠花键可在单个轴上实现直线和旋转运动，为机器人设计带来了许多好处，包括提高紧凑性、负载能力、速度和精度。图片由Thomson Industries，Inc.提供
更好的空间利用率
将多个轴压缩为一个轴，使滚珠花键相比传统轴承解决方案能够节省更多的空间。与同类直线轴承相比，这种设计意味着更少的组件和运动部件，并且在相同空间内提供更大的负载能力。
更高的负载能力
宽精密研磨凹槽增加了承载能力，并提高了硬度和刚度，以处理更大的力矩负载 — 可高达传统轴承组件的两倍。滚珠花键还可沿轴的长度分配更多的载荷。这使它们相较于传统轴承能够承受更高的载荷，而传统轴承可能更容易受到局部应力集中的影响。滚珠花键在偏心载荷下也表现得更好，这种偏心压力在换刀和拾取/放置等应用中很常见。
< strong >可忽略不计的摩擦力
滚珠导向系统通过与花键轴槽引导的滚动滚珠的切向点和螺母内滚道的精确接触，提供几乎无摩擦的运动。
更高的速度
滚珠花键只需要很小的力就可以轴向移动花键螺母，同时传递扭矩并减少摩擦。与传统滚珠丝杠相比，这有助于将速度提高约20%，并且运行更平稳。滚珠花键可以处理高达2m/s的速度。
高精度和准确性
滚珠花键能提供高定位精度和准确度，使其成为需要精确控制应用的理想选择。零背隙确保在改变方向时没有旋转间隙或丢失运动。滚珠花键即使在重负载下也能保持这种精度和低摩擦力，确保准确和一致的运动。
易于安装和维护
安装很容易，通常需要粗孔和攻丝安装孔来固定法兰螺母，或通过粗孔和键槽固定圆螺母。其设计简单，使滚珠花键更易于故障排除和维护。与导轨和滚珠丝杠的更高维护要求不同，维护团队只需将花键从轴上拉出，润滑后放回原处即可。
高耐用性
滚珠花键由于增加了滚珠轴承接触点，减轻了压力并增加了负载能力，与一些传统轴承相比，使用寿命更长。滚珠上的应力越小，它们可以承受的负载就越重，同时还具有耐磨损性，长期提供一致的性能。
滚珠花键通常可以设计有密封件和保护盖，以保护滚珠轴承免受灰尘和碎屑等污染物的影响，从而进一步延长其使用寿命。滚珠花键架构从每个角度都具有安全的负载能力，这与径向轴承不同，在径向轴承中，必须适当而费力地定位滚珠才能平衡负载。
< p>节省成本对于这种执行两轴运动的替代方式来说，前期节省是可观的，在量较大的情况下，节省的费用会成倍增加。与封装的多轴系统相比，滚珠花键的成本要低得多。它们也比型材导轨组件更经济，因为其部件数量少，运动部件少。它们能在相同价格下提供更好的力矩负载阻力，并且安装时需要的表面处理更少。与圆轨组件相比，滚珠花键的成本相似，但占地面积更小，轴数更少。从长远来看，需要维护的部件越少，就越能节省时间和成本。
应用
需要集成直线和旋转运动的运动设计师应该评估滚珠花键技术，看看将这两种运动配置在同一轴上是否有益。以下是工厂自动化、运输、医疗保健和研究中利用滚珠花键功能的一些应用示例：
工厂自动化
- 用于重复拾取和放置的组件，例如高速半导体物体定位，其中机械臂在装配阶段进行拾取，旋转并放置到另一处。
- 加工和铣削操作中的数控刀具定位。
- 用于精确控制灌装和封盖机构的包装设备。
运输
- 飞机控制，例如襟翼展开和油门调节。
- 军用车辆，用于旋转、火炮升降和车辆转向。
医疗保健和研究
- 手术机器人，用于指导机器人辅助外科手术。
- 医学成像设备，用于CT扫描仪的精确运动或其他高精度图像采集设备。
- 实验室分析，如显微镜载物台和样品定位。
滚珠花键的优点使其成为许多应用的理想选择，包括（从左到右）CNC加工、造纸厂滚筒、拾取和放置以及机器自动化。图片由Thomson Industries，Inc.提供
为了帮助机器设计人员针对其应用优化滚珠花键，一些供应商提供了在线指导。例如，市场上的某款滚珠花键选择工具使用视觉辅助工具，使用户可在几分钟内获得理想配置。
找到自己的位置
滚珠花键对于需要实现多轴运动的机器设计师来说是一种有吸引力的解决方案。与封装的多轴系统相比，滚珠花键需要的空间更小，可以实现更高的速度，且具有摩擦力低、精度高、使用寿命更长且更可预测以及易于维护等优点。此外，它们也更便宜。
滚珠花键不仅可以取代封装好的机械臂，而且其空间效率和零背隙也使它们可以用作这些总成的组件，可以延长垂直行程或协助承受更重的径向和轴向载荷。
随着业务运营变得越来越复杂，数字化、人工智能和运动技术的进步将更多的运动轴引入了自动化战略，滚珠花键的独特性能和多功能性终将得到应有的尊重。