运动系统设计人员经常使用滚珠丝杠而不是梯形丝杠，其原因之一是滚珠丝杠能够在更高的速度下稳定运行。然而，滚珠丝杠本身也有速度限制，了解这些限制将有助于优化滚珠丝杠组件在各种应用（包括从小型实验室流体泵、大型高架龙门到高性能机械）中的性能。
滚珠丝杠基础知识
滚珠丝杠组件由丝杠和带循环滚珠轴承的螺母构成。丝杠与螺母之间通过滚珠轴承连接，其中滚珠在螺母和丝杠轴内以配对形式滚动。这可实现将力分配到多个滚珠上，使每个滚珠承受的负载相对较低并降低摩擦系数，从而有助于提高运行速度（图1）。
图1. 滚珠丝杠的摩擦系数较低，这是因为其负载分布在多个滚珠上，这些滚珠会随着轴的转动而循环滚动。
丝杠和螺母通常有独特的最大转速限制，因此选择高效的滚珠丝杠组件需要同时注意这两个限制。
限制最大转速（RPM）的滚珠丝杠设计
影响最大转速的丝杠轴设计参数主要有末端固定、丝杠导程和丝杠直径。
每个滚珠丝杠都有一个固有谐振频率，并会在该频率下发生过度振动，这被称为滚珠丝杠的临界速度。当应用速度与临界速度一致时，丝杠会发生谐振（图2）。然后，丝杠固有的不平衡会与之共振，导致过度弯曲、弓拱、振动并最终导致故障。
图2. 丝杠轴可能在高转速下发生振动。
末端固定
末端固定选项包括：一端固定在推力轴承中；两端使用浮动轴承支撑；一端固定同时另一端使用浮动轴承支撑；两端固定在推力轴承中。当滚珠丝杠两端固定时，可以达到最高转速。固定末端可以承受弯矩载荷，因此滚珠丝杠会与支撑轴承的平面保持垂直。
然而，相比于其他固定方式，两端固定可能成本更高且难以安装。因为进行两端固定时，支架之间的距离是不可调的，从而使安装孔难以对准。
丝杠导程
假设输入速度恒定，则较高的导程将使螺母更快地沿丝杠移动，从而提高线速度。当比较线速度恒定的两个不同导程的丝杠时，导程越高则输入电机转速就越低。但是，较高的丝杠导程会增大转动丝杠所需的扭矩。
丝杠直径
丝杠直径越大，负载能力和额定最大转速（RPM）就越高。反之，丝杠直径越小，则最大转速（RPM）就越低。当丝杠导程相同时，较大直径的丝杠的额定转速更大。
限制最大转速（RPM）的滚珠螺母特点
滚珠螺母的最大转速（RPM）受限于滚珠循环通过滚珠螺母的速度。如果转速超过滚珠螺母的最大转速，则可能对滚珠循环部件造成永久性损坏。滚珠轴承可能会脱离或堵塞循环系统，从而可能导致装置完全失效。
滚珠循环系统主要有三种类型：内循环、单循环和外循环（图3）。滚珠返回的目的是实现滚珠在螺母中的循环。循环系统的设计会影响螺母的速度限值。外循环系统通常使用伸入滚珠沟槽的捡拾齿将滚珠导入循环路径中。当高速运行时，由于滚珠轴承的持续撞击，该捡拾齿会弯曲并最终断裂。单循环和内循环设计通常更加稳固，且运行速度要高于外循环系统。
图3. 滚珠循环系统的比较（从左到右）：内循环、单循环和外循环。
结论
系统的速度优化可通过以下几点来实现：
- 使用末端支撑来固定滚珠丝杠组件
- 使用更高的导程来提高线速度
- 使用大直径丝杠来提高负载能力和额定最大转速（RPM）
- 滚珠螺母采用内循环系统
然而，许多其他因素也会对速度造成影响，例如负载特性、位置精度、可重复性、所需预期寿命、尺寸限制、输入功率要求、环境条件和可用预算等。
大多数因素对速度的影响都是可以计算的。滚珠丝杠制造商通常会指定其产品的建议最大速度，并提供有助于精确进行物理权衡计算的工具。
类似图示这种直径1”的丝杠的最大转速会因长度不同而有很大差异：从长度36”时的2938 RPM，到长度144”时的184 RPM（额定转速为临界转速的80%，简单支撑）。数值可参考Machinery Handbook（机械手册）。图片由Motion Industries提供。
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