隨著對機械精確度與性能的需求越來越高，精密機械也是近來台灣的重點產業之一，而其中生產精密機械元件的機台為高速鑽孔攻牙機，就是以垂直式傳動滾珠螺桿作為其加工主軸傳動。對自動化與要求更高的產能效率，若能夠有效的提高滾珠螺桿的各性能參數必能對於台灣之精密產業有更高的發展與進步。
本文研究目的主要在探討單螺帽與雙螺帽滾珠螺桿分別由增大珠徑預壓與偏移式預壓所產生之滾珠對軌道四點式及兩點式接觸在傳動性能上產生其差異性，故探討滾珠在螺帽與螺桿內部相互運動所產生的作用力對於螺帽的熱溫升、應力變形、傳動扭矩、振動以及隨實驗次數的增加對於滾珠螺桿預壓力的下降幅度情況進行量測，並且也參考各螺桿扭矩文獻計算出當馬達傳動滾珠螺桿在行經不同行程時加速段與減速段之軸向推力以及加速時傳動元件所造成的慣性矩最後將該理論值與實驗值進行比較。研究結果顯示雙螺帽滾珠螺桿會因為拉伸式的預壓(兩點接觸)使上下螺帽產生不一樣的受力情況，而單螺帽滾珠螺桿利用增大滾珠珠徑(四點接觸)達成的預壓雖然在傳動效率上是更好的，不過也增加的磨耗行為使預壓力衰減幅度大於雙螺帽滾珠螺桿。

With the increasing demand for mechanical precision and performance, precision machinery is also one of the major industries in Taiwan recently, and the machine that produces precision mechanical components is a high-speed drilling and tapping machine, which uses a ball screw as the spindle of the overall machine. For the higher productivity of automation and demanding, if we can improve the performance parameters of ball screw, we will have higher development and progress for the precision industry in Taiwan.
The purpose of this paper is mainly to investigate the difference between the single-nut and double-nut ball screw, the preload method of ball screws mainly used that increasing the ball diameter and offsetting, then the balls will generate 4-points and 2-points contact. Therefore we measured the temperature rise, deformation, transmission torque of the nut produced by forces between the ball and the screw and the reducing preload as increasing the experimental times increase. Also refer to each screw torque literature to calculate the axial force at the accelerating and decelerating sections when the motor drive ball screw travels through different strokes, and the moment of inertia caused by the transmission element during acceleration and deceleration, then finally compares the theoretical value with the experimental value. The results of the study show that the double-screw ball screw will cause different forces on the upper and lower nuts due to the offset-type preload. Although the single nut is better in transmission efficiency, but it also indirectly increases the wear.

摘要......i
Abstract......ii
誌謝......iii
目錄......iv
表目錄......vi
圖目錄......vii
第一章 緒論......1
1.1 前言......1
1.2 文獻回顧......2
1.2.1 滾珠螺桿之預壓力......3
1.2.2 單螺帽與雙螺帽之預壓方式......4
1.2.3 滾珠螺桿之螺帽應變量測......5
1.2.4 滾珠螺桿設計參數......6
1.2.5 滾珠螺桿運動學......7
1.3 研究動機與目的......7
1.4 論文架構......8
第二章 基礎理論......10
2.1 驅動與傳動系統......11
2.1.1 傳動扭矩......12
2.1.2 傳動系統負荷慣量......12
2.1.3 加速度驅動扭矩......13
2.1.4 軸向摩擦負荷與總扭矩......13
2.2 預負荷和軸向力對滾珠在接觸面的影響......14
2.3 加速段、等速段減速段對滾珠接觸的影響......15
2.4 滾珠螺桿之球通頻率與振動訊號分析......17
第三章 實驗方法......19
3.1 實驗目的......19
3.2 實驗機台......20
3.2.1 實驗機台儀器介紹......20
3.3 實驗量測儀器......22
3.3.1 熱電偶......22
3.3.2 應變規......22
3.3.3 扭力計......23
3.3.4 推拉力計......24
3.4 實驗步驟......26
3.4.1 校正......26
3.4.2 實驗量測前置工作......26
3.4.3 實驗量測......26
第四章 結果與討論......27
4.1 垂直傳動滾珠螺桿之性能量測......27
4.1.1 雙螺帽之熱溫升......27
4.1.2 單螺帽之熱溫升......31
4.1.3 雙螺帽之應變量測......34
4.1.4 單螺帽之應變量測......37
4.1.5 滾珠螺桿之熱溫升與其應變關係......39
4.1.6 滾珠螺桿傳動扭矩......41
4.1.7 傳動性能關係......48
4.2 單螺帽與雙螺帽滾珠螺桿傳動性能差異......50
4.2.1 熱溫升與應變......50
4.2.2 傳動扭矩......54
4.2.3 預壓扭矩......56
4.2.4 滾珠螺桿之振動分析......57
第五章 結論與未來展望......60
5.1 結論......60
5.2 未來展望......61
參考文獻......62
Extended Abstract......64

[1]HIWIN Technology Company,2006,HIWIN Ballscrews Technical Information, Taichung, Taiwan.
[2]Ro, P. I. and Hubbel, P. I., , 1993, "Model Reference Adaptive Control of Dual-mode Micro/macro Dynamics of Ball Screws for Nano-meter Motion," ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 115, No. 1, pp. 103-108.
[3]謝介銘，1996，精密機械零組件及系統之可靠度分析，碩士論文，國立交通大學機械工程學系。
[4]黃宜正，2011，滾珠導螺桿之螺帽預壓失效診斷模組，國立彰化師範大學。
[5]Nakashima, K., and Takafuji, K., 1987,”Stiffness of A Pre-loaded Ball Screw”,日本機械學會論文集,Vol. 53, No492, pp.1898-1905.
[6]Belyaev, V. G., and Kogan, A. I., 1988, "Effect of Geometrical Errors on Ball Contact Angle in Ball-screw Transmissions," Machines and Tooling, Vol. XLIV, No. 5, pp. 25-29.
[7]Yun, W. S., Kim, S. K., and Cho, D. W., 1999, ”Thermal Error Analysis for a CNC Lathe Feed Drive System”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 39, No. 7, pp 1087-1101.
[8]Walther, M. ; Verl, A. ; Frey, S., 2010, ”Periodic variation of preloading in ball screws. ” , Production Engineering 4 , S. 261–267.
[9]Verl, A., Frey, S., Heinze, T., 2014, ”Double nut ball screw with improved operating characteristics”, CIRP Annals - Manufacturing Technology 63, 361–364.
[10]劉學棟，2014，”工作溫度對滾珠螺桿接觸應變及扭矩之影響”， 國立中正大學機械工程學系學位論文。
[11]葉伯璘，2014，” 雙螺帽滾珠螺桿預壓監測技術探討”， 國立中正大學機械工程學系學位論文。
[12]黃建勳，2014，” 雙螺帽滾珠螺桿動態有限元素分析”，國立中正大學機械工程學系學位論文。
[13]Beck, A.F., and Jaffe, GA., 2003,” Is that a single or a Double Nut Ball Scew?” Machine Design, pp.69-70.
[14]THK Company, “Ball Screw Catalog”, Japan.
[15]三聯科技股份有限公司技術文件，2006。
[16]留偉倫，2010，”滾珠螺桿之螺帽應變分析及動態量測系統建立”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所碩士論文。
[17]Shkapenyuk, M. B., 1990, “Ways of Improving the Performance of Ball-screw Drives”, Stanki Instrument, Vol. 61, No. 4, pp. 9-11
[18]康庭嘉，2011，”滾珠螺桿之螺帽熱變位分析研究”，國立高雄應用科技大學機械與精密工程研究所碩士論文。
[19]劉志宏，2010，” 高速滾珠螺桿振動響應與扭矩分析”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所碩士論文。
[20]李奇霖，2014，”垂直式滾珠螺桿表面溫度與磨屑特性分析研究”， 國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所碩士論文。
[21]洪邑，2014，”高接觸角雙螺帽滾珠螺桿之螺帽熱效應分析與驗證”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所碩士論文。
[22]魏進忠、洪政豪、林仁輝，2007，”雙圈滾珠單螺帽滾珠螺桿之運動機制理論分析”，Machine Design and Research
[23]陳暘元，2010，” 具黏附效應之三體摩擦理論分析”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所碩士論文。
[24]許東皓，2017，”垂直傳動滾珠螺桿傳動與摩擦研究”， 國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所碩士論文。
[25]M. C., Lin, Ravani, B., and Velinsky, S. A., 1994, "Kinematics of the Ball Screw Mechanism," ASME Journal of Mechanical Design, Vol. 116, pp. 849-855.
[26]余思緯，2009，”滾珠螺桿系統螺帽熱分析”，國立成功大學奈米科技暨微系統工程研究所碩士論文。
[27]Jianzhong Hu, Min Wang, Tao Zan, 2014,” The kinematics of ball-screw mechanisms via the slide–roll ratio” , Mechanism and Machine Theory 79 158–172.
[28]保銀通用精機，”立式加工中心機”
[29]台灣安川電機股份有限公司馬達型錄。
[30]National Instrument國家儀器。
[31]戴明鳳、董俊良，2009，”熱電偶式與熱敏式電子溫度”。
[32]徐業良，2003，”元智大學機械系大三機械設計”。
[33]許育翰，2013，”滾珠螺桿摩擦熱分析及傳動性能研究”， 國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所碩士論文。
[34]許晉祿，2017，”應用類神經於滾珠螺桿狀態診斷”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所碩士論文。
[35]Yamaguchi, H., Tsutomu, O., 1996, “Development of NSK S1 series ball screws and linear guides”, Motion & Control, NSK Ltd., No.11, pp.27-34.