【李家同】為台灣加油打氣專欄(198)行星滾柱螺桿

張貼者:2019年12月25日 下午7:07台灣精密工程學會

    大家都很熟悉螺絲,但不一定熟悉工業上的螺桿。螺桿的作用就是將一個載體在直線上行動。請看下列網址的影片:

 

   https://youtu.be/wd0ooTvT4TM

 

 從以上的影片可以看出,我們如果轉動螺桿,載體可以直線前進或後退。

 

 今天要介紹的是一種很特別的滾柱螺桿,叫做行星滾柱螺桿,這種螺桿主要有幾個特性:

1.  能夠承受高負荷

2.  定位精度高

3.  運動速度快

 

 由於這幾個特性,它可以取代液壓裝置,這個在國防和太空產業上經常使用。比如說飛彈彈倉的頂桿,如果我們用油壓頂桿,那它上升的速度就不夠快,而一般商用螺桿雖然速度快,但是承受不了彈倉的重量。在這個場合下,就是使用行星滾柱螺桿,能把彈倉在幾秒內升到指定的角度,讓飛彈能順利發射。其他的應用像是火箭噴嘴的方向微調裝置、航空母艦的彈射器頂桿,也有採用這種螺桿。

 

 民生工業最近則是用在伺服沖床、塑膠射出機、金屬熱室/冷室鑄造機等需要快速、大負荷以及精準定位的動力機構上。

 

    請看以下行星滾柱螺桿的影片:

 

          https://youtu.be/_9rtQ91PQNw

 

    以上的影片是外國公司的行星滾柱螺桿,我國現在也能生產這種螺桿。

 

 在詳細介紹這種螺桿之前,我們先來講解螺絲的運作原理,因為這種螺桿就是很多個高精密度特殊規格螺絲所組成的。

 

 我們都知道螺絲上都有螺紋,而螺紋是螺旋狀的,如圖一所示。

圖一、螺紋示意圖

 

而任何一個螺紋,都有一個相對應的螺孔,而螺孔上也有一樣的螺紋,如圖二所示。

 

圖二、螺孔示意圖

 

一般我們鎖螺絲,當螺絲順時針旋轉,螺絲便會往前進,如圖三,反之則後退。

 

圖三、螺絲順時針鎖固

 

而今天我們把螺絲的位置固定,只讓螺絲旋轉,如圖四。這個時候,當螺絲順時針旋轉時,螺絲的螺紋由於和螺孔的螺紋契合的關係,螺孔會被螺紋往前推進,如圖五所示。

 

圖四、螺絲固定在原地

圖五、螺孔向前推進

 

圖四和圖五便是螺桿的應用原理,各位讀者有興趣也可以自己在家裡DIY試試看。

 

最近幾年,台灣也有廠商成功製造出行星滾柱螺桿,這種螺桿的構造如圖六。

 

圖六、行星滾柱螺桿構造

 

這種螺桿主要有三種構造組成,分別為一個主螺桿,多個行星螺桿以及一個外殼組成。主螺桿有多條的螺紋線,行星螺桿只有一條,而外殼內側也有多條的螺紋線,這些螺紋線的目的是為了讓螺桿間能順利移動,並且分攤負荷,這也是為什麼行星滾柱螺桿的負重可以這麼大的原因。

 

那一根螺桿或是螺絲是怎樣有多條螺紋線呢?首先我們先說只有一條螺紋線的情況,如圖七所示。

 


圖七、單一螺紋線

 

而螺紋的出入口我們稱之為牙口,當螺紋線只有一條時,牙口則只有一個,如圖八所示。

 

圖八、單一螺紋線之牙口

而我們把螺紋線從一條變成兩條,其牙口為180度相對,如圖九,而螺紋分布如圖十。

 

圖九、兩條螺紋線之牙口

 

圖十、兩條螺紋線之分布

 

當螺紋變成六個的時候,牙口也變成六個點對稱的狀況,如圖十一,而分布則如圖十二。

 

圖十一、六牙口

 

 

圖十二、六螺旋線之分布

 

在螺紋一樣密集的時候,螺紋數目越多,直線運動的速度會越快,六螺紋的時候的直線運動速度會是單一螺紋的六倍。

 

行星滾柱螺桿的運動原理如下,馬達連接主螺桿,使主螺桿旋轉,圖十三是簡化版的主螺桿和行星螺桿的示意圖,讓讀者能夠了解螺桿是怎麼運作的。當主螺桿旋轉時,和主螺桿接觸的行星螺桿會被帶動反向旋轉。

 


圖十三、主螺桿和行星螺桿

 

    由於螺紋本身是斜的,在這個例子,主螺桿順時針旋轉,而行星螺桿會逆時針旋轉,由於主螺桿本身是和馬達連在一起,因此其位置固定,只會旋轉,而行星螺桿在這個例子中會因為和主螺桿本身的相對旋轉而往下移動,如圖十四所示。

 

圖十四、螺桿運作示意圖

 

    由於行星螺桿是固定在外殼上,如圖十五,因此當行星螺桿移動,外殼也會跟著移動,如圖十六。

 

圖十五、行星螺桿固定於外殼之透視圖

 

圖十六、行星滾柱螺桿整體運動示意圖

 

    行星滾柱螺桿的製造和設計都很高難度,在製造上必須很精準地在螺桿上加工出多個一致的螺旋線,如果誤差過大,這隻螺桿就報廢了,因此這在加工上是困難的。以及這種螺桿的材料處理過程也是經過反覆不斷測試才得到結果,如果工程師對材料的原理不懂是絕對做不出來的。

 

    而在設計面上,這種螺桿並不是找市售零件拼裝起來就好,這種螺桿由於功能特殊,市面找不到相對應的組件,它每個零件的幾何形狀都得經過計算以及分析,同時也得對機械力學有深入的了解,才能設計出符合功能的行星滾柱螺桿。

 

    這間公司以前已經累積了二十多年的螺絲製造經驗,最重要的是,他們有數學和力學基礎深厚的工程師,在製造面以及設計面都實力雄厚的狀況下,深入鑽研多年才研發成功。

 

    能夠使很重的物體快速前進不是容易的事,也是相當重要的事。我們常常看到飛彈在1秒鐘內從地面升出,這就需要很好的螺桿。能夠製造滾柱螺桿的國家並不多,主要是在螺絲上的經驗,更重要的是數學和力學。相信很少機械工程師對螺絲有興趣的,其實螺桿是和螺絲有密切關係的。有一句俗語說,不因善小而不為,千萬不要小看任何一種基礎的工業技術。

 

    我們如果要有精密工業,必定要有精密螺絲工業。大家應該鼓勵一些不追求時尚而肯全心貫注在一種技術上的工程師,國家虧得有這些人,如果國人都只知道追求新而時髦的技術,那我們永遠不可能有真正的精密工業。

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