磙珠螺桿贯通精微与模组化
回顾近年来受到俄乌战火与中国大陆封控影响，导致工具机与零组件产业景气低迷，对于关键零组件之一的磙珠螺桿业者，更是首当其冲。.......
回顾近年来受到俄乌战火与中国大陆封控影响，导致工具机与零组件产业景气低迷，对于关键零组件之一的磙珠螺桿业者，更是首当其冲。大多数厂商除了更专注于垂直整合精微、智慧化，协助上下游业者加强节能减碳竞争力；同时推进模组化发展，横向跨足生医、电动车等新兴产业应用。
根据台湾工具机暨零组件公会（TMBA）最新统计显示，基于近年来工具机最大消费市场的中国大陆，励行防疫封控措施，造成内需大幅降温、制造产业链中断，市场预期经济下行压力极大；第二大市场美国，也受到俄乌战火及供应链受扰情况下，承受极大通膨压力；欧洲经济更因此陷入能源危机、使之经济表现不如预期，加重台湾工具机暨零组件产业竞争压力。
TMBA理事长许文宪表示，目前台湾工具机厂及零组件厂商，都已感受到大陆客户下单趋缓、欧美市场订单盛况不如去年至今年首季的表现。加上新台币贬值得不是时候，日厂因为掌握日圆贬值幅度更大与数控系统自制优势，将对于台湾零组件厂商抢单产生杀伤力，虽然出口金额成长，却被匯率抵消获利。预估工具机产业今年Q3新接订单年减30%~40%、Q4接单也会非常严苛的挑战，公会已将今年初预估工具机出口值年成长20%~25%，下修为力保年成长15%。
磙珠螺桿等传动元件/系统大厂上银科技董事长卓文恆也指出，因应整体工具机产业暨零组件受到大陆疫情封控与限电冲击，目前接单量较去年同期减少20%~30%，已有许多自动化零组件厂商开始降价抢单。加上美国为降低通膨，催生货币紧缩政策挽救经济，导致日、韩等亚洲各国连带受灾，日本工具机接单也明显冷却；欧洲到了今年冬天，又有能源危机未解，势必影响Q4台湾出口产业传统旺季景气，恐怕到了2023年都不容乐观。
目前工具机公会正积极推动产业共同规范，分別透过「普惠，建立共通性介面」与「卓越，追求产品精度及品质长效」两大原则，落实工具机产业发展目标。一开始先从设计和品质规范着手，将零组件标准化，并应用于产品上解决客户痛点；组件模组化，得以减少库存及成本、缩短开发时程，达到产品样式简化减量目标。建议当国际经济局势一夕数变，就应该蹲好马步，因应市场风险。
进而将介面标准化，统一资料格式，将有助于后续组立维修服务及提升品质。可将品质规范落实于生产制程中，包括各工站、工序或事件执行的标准作业步骤、相关工具要求的作业规范；正确执行产品的检查、量测、试验要求及步骤的指导文件，收集和追踪生产及检测数据，达到产品溯源管理目标。
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在今年刚落幕的台北机器人与智慧自动化展会期间，也可见到台湾关键传动元件大厂如全球传动、银泰、精浚等，除了积极扩厂练兵，加强掌控一条龙式生产、智慧化能力，务求令自身及客户皆符合节能减碳标准，避免更受到碳关税冲击；同时延续近年来螺桿等传动元件产品，纷纷投入精微化、模组化主流，跨足生医、电动车等新兴产业。
前者因为过去磙珠螺桿生产採取减法制程，当移除材料时会有耗电等问题，如今则有大厂开始改用ESG新型制程工法，包括：金属射出、精密铸造及3D列印等，减少移除材料而有效减少供应商排碳量与材料加工耗电量。后者则主要利用传统单轴机器人模组，开发出车用磙珠螺桿，并陆续量产切入大陆、欧系汽车零组件Tire 1供应链。
THK剖析磙珠螺桿制程 将影响精度与循环方式
依日系磙珠螺桿大厂THK剖析磙珠螺桿的主要功能，系用于高效率将马达旋转运动与直缐运动互换，并利用在螺帽与螺桿轴之间装入磙珠，取代传统螺纹的关系，使之彼此之间磨擦力从滑动时的磨擦系数0.3，降低为磙动的磨擦系数为0.003，代表低扭力或转换效率高，所以被广泛使用。
又可将螺桿本体制程分为转造、研磨不同等级，前者以辊压机制轴、塑性变形来生成螺纹或沟槽的加工模式相对简单，轴端形状取决于轴径；导程与重覆精度较低，而被广泛应用于搬运输送；后者导程则经过车、磨削之后，可将轴端加工成为各种样式，成本和精密程度也高，适用于要求高精度定位情境。
THK表示，现今磙珠螺桿所称「导程」，系指螺桿轴转一圈时，螺帽的移动量（距离），其精度则代表移动距离偏差的程度，包含绝对/反覆定位精度；「间距」，则是螺纹沟槽之间的距离，但在多螺纹时，导距并非间距，以免造成工作台移动距离不同。
但因为螺帽与螺桿轴之间存在轴向间隙，一旦过大时就容易导致定位出错，越小时定位精度越高，若客户需要较高精度时，即可选用高导程螺桿。通常转造磙珠螺桿因为导程精度不高，主要取决于轴径大小设定；精密研磨级螺桿则可透过预压，指定G0~G3间隙，以客户使用方式来指定间隙，也可得到较高刚性。
目前磙珠螺桿的螺帽的循环方式也有別，循环管、循环器式主要用于单螺纹，端盖环式则适用于多螺纹，在转动螺桿、螺帽移动时，也须利用循环器防止磙珠掉落。其中最早使用的传统「循环管式」，系将循环管插入螺桿沟槽上方，将磙珠引导回原本的位置，又可称之为「外循环」。因其螺帽组装容易而被广泛使用、螺帽外径也大，所以能随着增加循环管而添加珠卷数，也就是循环迴路，具有丰富的轴径、导程组合。
「循环器式」则是每转一圈，就会在螺帽上增加循环器（框架），再透过循环器内的引导沟槽，让磙珠回到原本的位置不断循环。THK指出，其轴径虽与循环管式相同，但螺帽外径更小，适用于导程较小螺桿，得以降低工作台总高，方便搭配缐轨后看起来的体积较小，因此能增加的循环器有限，只能藉此多增加一圈珠卷数，也代表螺帽可负荷的强度相对较小。
「端盖环式」使用于轴端盖环为主，採取通过螺帽端面的端盖环来掬取磙珠，经过螺帽内部循环孔到反侧的端盖环，然后再回到原本沟槽的位置，而形成无限循环。由于导程大，适用于高速进给，透过多螺纹方式制作螺帽的长度也较短，使之必须利用多条螺纹来增加珠卷数，不像「循环器式」的沟槽可採用不同迴路、或循环管式干涉配置。
且螺桿无法被单独使用，必须安装在底座上，于旋转轴侧搭配轴承，由内部所有磙珠承受轴向负荷，包含其磙珠轴承在内、外轮之间；以及LM导轨与轨道间，利用滑块两端盖板间存在的磙珠进行无限循环；其他来自径向、力矩负荷则，由引导部位的LM导轨承受，以免若由磙珠螺桿、螺帽承受的话，恐会造成局部发生剥离，而导致过早损坏。
在防尘用选配件中，一般常用的迷宫式埝片未与螺桿轴接触，主要用来防止异物入侵螺桿，维持正常润滑；刮刷式埝片是针对无法使用迷宫埝片者，在螺桿移动时清除异物。清洁环的洁净程度比两者都高，採用接触螺桿沟槽的密封埝片，能提高异物去除的性能，比起传统密封埝片更能延长磙珠螺桿的寿命；在接触同时，以最大限度减少发热结构；并使用耐磨耗性/化学性，低缐膨胀系数的材质。
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银泰专注精进螺桿精微化设计 强化垂直整合优势
银泰科技近年来也持续推广旗下高导程磙珠螺桿、磙珠花键螺桿、缐性导轨、交叉磙柱轴承等全系列产品，分別用于Mini LED、晶圆升降平台、工具机第四轴、专用机器人轴承及谐波减速机配件，有別于其他同业朝向系统化发展，转而强调在垂直整合生产优势，持续精进传动元件本体工艺。
其中「旋转式磙珠花键螺桿」，不仅将产品特色定位于研磨等级的高定位精度、低噪音，运动流畅。在近年来全面升级精微进化后，加以改善旧有规格设计、提高支撑轴承刚性，而能承受相同轴向与径向力，并实现轻量化小型设计与安装简便需求。
在花键轴外径上设有3列负荷钢珠列，并採用哥德牙型设计，使之可同时承受顺/逆时针扭矩，以增加使用寿命和刚性；各钢珠列还可透过装在花键帽内的特殊合成树脂循环器，持续进行整列循环运动，所以即使将花键轴抽出，钢珠也不会掉落；在施加预压后，旋转方向沒有间隙，能有效提高精度。花键帽外径上还具有直接装设的特殊轴承，可藉由花键帽旋转或停止，同时具备旋转与直缐2种运动模式。
且将花键轴承套与支撑轴承设计为一体化结构，从而实现小型及轻量化设计，组装时只须将螺丝及轴承套固定在支架上即可；作动时精密花键侧支撑轴承设计45度接触角，承受具相同轴向与径向力。
另于「PBSA精密螺桿花键」轴上，设计相交的磙珠螺桿及花键沟槽，螺帽和花键在外围上有直接装设的特殊轴承；可经由精密螺桿花键，藉由花键螺帽的旋转或停止，让单轴同时具备运动、旋转、直缐和螺旋动作。同时採取创新端盖式迴流模式，实现低噪音与平滑流畅运动，适用于SCARA型式机器人、自动捲缐机、工具机的ATC装置等，兼具旋转与直缐运动组合的装置。
为了提高生产效率与控管产品品质，银泰近年也持续加强垂直供应链整合，採取一条龙式生产模式，将3D printing工法先导入于研发、打样磙珠滑轨/螺桿循环器，但真正量产时仍维持传统塑胶射出方式，逐步实现制程上节能减碳目标。于磙珠螺桿採用端盖式回流，以实现低噪音与平滑流畅的运动。
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全球传动着力系统模组化 迎接节能减碳趋势
全球传动科技公司除了在缐性滑轨、磙珠螺桿等精密传动元件的基础上，持续发展一系列微型缐性滑轨/螺桿、旋转式磙珠花键、高导程螺桿、单轴机器人等模组化创新产品，还在今年展出汽车自动转向模拟器、自动检验设备等模组化系统应用范例。
其中微型螺桿系採取内循环设计，空间小、轻量化且定位精度高，经过全球传动克服制造门槛，特別适用于1~2mm小导程场合；磙珠花键可承受重荷载、扭矩，具备高刚性、零间隙、装配简单等特性，进行缐性/旋转运动，现场也展示其搭载于SCARA机器人的第四轴应用。
近年来续推广的「SFYA1632高导程螺桿组」，设计理念便有別于传统磙珠螺桿，率先採用薄而富有弹性的材质，强化刮刷效果，以达到高DN值、高速度、高刚性、强化防尘结构等特性。于循环结构中增加高刚性及高速化功能，使产品最大速限可达到24,000rpm、运转速度高于旧款2倍，以及提升整体寿命5%。因为每迴转一次螺帽的可移动行程越远也快速，减省搭配的马达功率、尺寸大小及成本，更适合用于高速化工具机、自动化机械等产业。
如单轴机器人等模组化产品，则同时具备缐轨与螺桿的优点，将螺帽和滑块设计成一体式机构，在钢珠磙动面採用2列哥德式圆弧及45度接触角设计，提供了X-Y轴向可承受来自四方的负荷能力；并搭配高刚性U型轨最佳化断面，以达到最佳化节省空间，及大幅减少组装时间。藉此一体化设计来取代传统须等待由单支螺桿、二支缐轨组成的架构，近年来当制造业陆续遭遇疫情冲击和供应链瓶颈之下，减少待料时间，就能让设备依序快速出货、生产，省去现场调校程序，进而减少制程碳足迹。适用于目前半导体、自动化设备产业需求，在国内外市场上与欧日系品牌分庭抗礼。
随着近年来中大陆自动化产业需求有下滑迹象，电动车电池等新能源产业需求反而持续成长，全球传动产品几乎打入所有知名品牌电池生产设备，同时出货给电动车零组件设备商。除电动车锂电池设备外，全球传动也进一步打进磷酸锂铁、氢能燃料电池生产设备供应链，看好越来越多厂商跨入电池生产设备领域，需求将持续扩增。
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结语
展望未来，由于台湾无论是如磙珠螺桿等关键零组件厂商或工具机、自动化设备业者，85%以上皆为中小企业，优点是因为建构完整产业聚落和供应链体系，产业垂直分工能力强。但缺点则是恐无力面对当前国际大环境景气可能一夕数变，再好的优势都有可能会被消磨殆盡。如今包括跨产业业的水平合作能力也要迎头赶上，更应该加速提升自制率和数位转型，打造韧性供应链体系。
*刊头图（摄影：陈念舜）