Technologie kuličkového šroubu pro přesný lineární pohyb

Polohovací osa může používat přesný servomotor a tuhý rám stroje, ale přesto nedosahuje požadované opakovatelnosti nebo kvality povrchu. V mnoha případech omezení pochází z mechanického převodového systému mezi motorem a pohyblivou plošinou.

A kuličkový šroubpřevádí rotační pohyb na řízený lineární pohyb prostřednictvím valivého kontaktu mezi hřídelí šroubu, kuličkami a maticí. Jeho praktický výkon však závisí na mnohem více než na přítomnosti recirkulačních kuliček. Přesnost vedení, axiální vůle, předpětí, tuhost, opěrná ložiska, vyrovnání instalace a mazání – to vše ovlivňuje konečný výsledek polohování.

Pochopení těchto faktorů pomáhá inženýrům vybrat kuličkový šroub jako součást kompletního pohybového systému spíše než považovat průměr a stoupání za jediné parametry výběru.

Jak kuličkový šroub přenáší pohyb

Na hřídeli šroubu a uvnitř matice jsou vytvořeny spirálové drážky. Zatížené kuličky se pohybují mezi těmito drážkami a přenášejí sílu prostřednictvím valivého kontaktu. Když se šroub nebo matice otáčí, druhá součást se pohybuje axiálně podle vedení šroubu. Zpětný systém cirkuluje kuličky zpět do zatížené zóny, takže je možný nepřetržitý pohyb.

Teoretický vztah mezi rychlostí otáčení a lineární rychlostí je:

v=n × Ph / 60

Kdevje lineární rychlost v mm/s,nje rychlost otáčení v ot/min aPhje stoupání šroubu v mm.

Například 10mm vodicí kuličkový šroub rotující rychlostí 1500 ot./min. vytváří teoretickou lineární rychlost 250 mm/s. Skutečný výkon os musí také zohledňovat zrychlení, zatížení, tření, deformaci šroubu a nastavení řídicího-systému.

Valivý kontakt a účinnost přenosu

Konvenční kluzné šrouby vytvářejí tření na kluzných kontaktních plochách. U kuličkového šroubu valivá tělesa podstatně snižují toto tření. Za vhodných provozních podmínek může účinnost přenosu kuličkového šroubu běžně dosáhnout přibližně 90 % nebo vyšší, ačkoli skutečná hodnota závisí na úhlu stoupání, předpětí, mazání, těsnění, rychlosti a zatížení.

Nižší tření snižuje točivý moment motoru potřebný k pohybu daného zatížení a omezuje tvorbu tepla při opakovaném provozu. Díky tomu je rychlé zrychlení a časté změny směru praktičtější. Vysoká účinnost však znamená, že některé kuličkové šrouby mohou být zpět-poháněny vnějším axiálním zatížením. Na vertikálních osách může být proto nutná brzda nebo jiné přidržovací zařízení.

Klíčové technologie za přesným převodem

Technický faktor	Co ovládá	Účinek na-systémové úrovni
Přesnost vedení	Rozdíl mezi přikázanou dráhou a skutečnou dráhou po zadaném zdvihu	Přesnost polohování a konzistence pojezdu
Axiální vůle	Volný axiální pohyb mezi šroubem a maticí	Ztráta pohybu při změně směru
Předpětí	Vnitřní zatížení použité ke snížení vůle a zvýšení tuhosti	Reverzní odezva, tuhost, teplo a točivý moment
Axiální tuhost	Odolnost proti pružnému posunutí při axiální síle	Odchylka polohy zatížení- a stabilita obrábění
Podpora konfigurace	Omezení na obrobených koncích hřídele	Kritická rychlost, vzpěrná kapacita a celková tuhost osy
Mazání a těsnění	Stav valivých kontaktních ploch	Opotřebení, teplota, hlučnost a životnost

Přesnost vedení není totéž jako opakovatelnost

Přesnost vedení popisuje, jak blízko skutečný axiální posuv sleduje specifikovaný posuv na definovanou vzdálenost. Souvisí to hlavně s přesností výroby šroubů a akumulovanou odchylkou předstihu.

Opakovatelnost popisuje schopnost osy vrátit se do stejné polohy za stejných podmínek. Systém se může konzistentně vracet do jedné polohy, zatímco v jiné poloze má stále předvídatelnou chybu jízdy. Opakovatelnost je ovlivněna vůlí, předpětím, tuhostí ložisek, teplotou, vyladěním serva a rozlišením zpětné vazby a také přesností šroubu.

Z tohoto důvodu samotný výběr vyššího stupně přesnosti automaticky neodstraní všechny chyby polohování. Požadovaná přesnost pojezdu a opakovatelnost by měla být specifikována samostatně.

Předpětí, vůle a axiální tuhost

Když osa obrátí směr, axiální vůle se může jevit jako ztracený pohyb předtím, než se náklad začne pohybovat v opačném směru. Předpětí se používá ke snížení nebo odstranění této vůle a zlepšení kontaktní tuhosti mezi maticí, kuličkami a drážkami pro šrouby.

Předpětí může být vyrobeno pomocí dvojitého-uspořádání matic, přesazené-matky nebo vybraných rozměrů koule v závislosti na konstrukci. Advojitý-maticový kuličkový šroubmůže například aplikovat předpětí mezi dvěma sekcemi matic a často se o něm uvažuje tam, kde je vyžadována malá axiální vůle a vyšší tuhost.

Více předpětí není vždy lepší. Nadměrné předpětí zvyšuje točivý moment, třecí teplo a vnitřní kontaktní napětí. Může snížit dosažitelnou rychlost a zkrátit životnost. Správná úroveň předpětí by měla odpovídat použitému zatížení, pracovnímu cyklu, požadavkům na umístění a tepelným podmínkám.

Rigidita musí být hodnocena jako systém

Celkové axiální posunutí osy posuvu není určeno samotnou maticí. Hřídel šroubu se pod zatížením natahuje nebo stlačuje, zatímco matice, opěrná ložiska, pouzdro ložiska, spojka, montážní plochy a rám stroje se také deformují.

Nejslabší část tohoto mechanického řetězu může omezit celkovou tuhost. Zvýšení předpětí matice proto poskytne omezené zlepšení, pokud je šroub příliš štíhlý, nepodporovaná délka je nadměrná nebo pouzdro ložiska postrádá tuhost.

Tepelnou roztažnost je třeba vzít v úvahu také u dlouhých nebo vysokorychlostních os{0}}. Teplo generované maticí, ložisky a sousedním zařízením může změnit účinnou délku šroubu. V závislosti na konstrukci stroje mohou být tepelné účinky řízeny mazáním, chlazením, uspořádáním ložisek, teplotní kompenzací nebo instalací napnutého šroubu.

Opěrná ložiska a obrábění konců

Přesná opěrná ložiska umísťují šroub axiálně a pomáhají odolávat tlaku v jednom nebo obou směrech. Uspořádání koncové-podpory ovlivňuje tuhost hřídele, kritickou rychlost a odolnost vůči vybočení v tlaku.

Běžná uspořádání zahrnují pevné-volné, pevné-podporované a pevné-pevné konfigurace. Pevná a volná montáž je konstrukčně jednoduchá, ale poskytuje nižší kritickou-rychlost a schopnost vzpěru. Pevná-podepřená a pevná-pevná uspořádání jsou obecně vhodnější, když se zvyšuje délka šroubu, rychlost otáčení nebo axiální zatížení.

Koncové opracování musí odpovídat zvoleným ložiskovým jednotkám, kontramatici, spojce a montážním rozměrům. Nesprávné uložení ložisek, geometrie ramene nebo soustřednost konců hřídele- může způsobit vibrace a chybu polohování, i když má samotný šroub dostatečnou přesnost.

Omezení rychlosti a tlakové zatížení

Kuličkový šroub by neměl být vybírán pouze lineární rychlostí. Rychlost otáčení se zvyšuje se zvyšující se požadovanou lineární rychlostí nebo se snižujícím se předstihem. Dlouhý rotující šroub se může přiblížit své kritické rychlosti a začít vibrovat. Přípustná provozní rychlost závisí také na průměru šroubu, nepodporované délce, stavu koncové-podpory, konstrukci oběhu matic a mazání.

Když je dřík šroubu vystaven tlaku, musí se také zkontrolovat vzpěrná kapacita. Menší průměr kořene a delší nepodporovaná délka snižují přípustné tlakové zatížení. Výpočty kritické rychlosti a vzpěru by měly zahrnovat vhodnou bezpečnostní rezervu spíše než používat teoretické mezní hodnoty jako trvalé provozní podmínky.

Nosnost a životnost

Dynamická únosnost se používá při odhadu únavové životnosti při opakovaném pohybu, zatímco statická únosnost se vztahuje k riziku trvalé deformace při maximálním nebo nárazovém zatížení. Výběr by měl být založen na skutečném provozním cyklu spíše než na samotném maximálním zatížení.

Realistický pracovní cyklus zahrnuje zrychlení, jízdu konstantní-rychlostí, zpomalení, dobu prodlevy a jakékoli změny směru zatížení. Otřesy, vibrace, špatné vyrovnání a znečištění mohou snížit praktickou životnost, i když se základní výpočet jmenovité hodnoty jeví jako dostatečný.

Mazání, těsnění a montáž

Mazivo odděluje valivé kontaktní plochy, snižuje opotřebení a pomáhá kontrolovat třecí teplo. Správný typ maziva a interval doplňování závisí na rychlosti, zatížení, zdvihu, provozní teplotě a podmínkách prostředí.

Stěrače a těsnění pomáhají omezit vnikání prachu a třísek, ale nenahrazují vnější ochranu v silně znečištěném prostředí. Kolem úlomků z obrábění, abrazivních částic nebo kontaminace kapaliny mohou být vyžadovány měchy, kryty nebo uzavřené osové struktury.

Stejně důležité je vyrovnání instalace. Vytlačení matice nebo opěrných ložisek do nesprávné polohy vytváří abnormální vnitřní zatížení. Montážní plochy by měly být čisté a ploché, ložisková pouzdra by měla být vyrovnána s osou šroubu a matice by měla být před konečným utažením posunuta o celý zdvih.

Požadavky na aplikaci

Aplikace	Typická priorita	Body k potvrzení
CNC posuvová osa	Tuhost a přesnost polohování	Třída přesnosti, předpětí, řezné zatížení a uspořádání ložisek
Automatizační zařízení	Rychlost cyklu a opakovatelnost	Předstih, zrychlení, zdvih, pracovní cyklus a mazání
Inspekční zařízení	Plynulý pohyb a nízká změna polohy	Přesnost pojezdu, tepelná stabilita a vyrovnání instalace
Vertikální osa zvedání	Držení nákladu a bezpečnost	Vzpěr, couvání-, brzda motoru a maximální axiální zatížení
Dlouhá-osa tahu	Kritická rychlost a tepelné chování	Průměr kořene, nepodporovaná délka, podpěry a provozní rychlost

Informace požadované pro výběr

Před potvrzením specifikace kuličkového šroubu si připravte následující provozní informace:

Požadovaný zdvih a celková délka instalace
Maximální a plynulá lineární rychlost
Zrychlení, zpomalení a frekvence cyklu
Pohyblivá hmota, vnější axiální síla a rázové zatížení
Požadovaná přesnost polohování a opakovatelnost
Horizontální, vertikální nebo šikmá instalace
Očekávaná životnost a denní provozní doba
Teplota, prach, třísky, vlhkost a další podmínky prostředí
Dostupné podpůrné rozměry-ložiska a hřídele-

Tyto podmínky se používají k určení průměru šroubu, stoupání, typu matice, přesnosti, předpětí, únosnosti, uspořádání podpěry a požadavků na mazání. Pro standardní průmyslové polohování, válcovanýSFU kuličkový šroubmohou být vhodné, zatímco aplikace vyžadující odlišnou tuhost, vůli nebo instalační charakteristiky mohou vyžadovat jinou konfiguraci matic.

FAQ

Zaručuje vyšší stupeň přesnosti lepší opakovatelnost?

Ne. Přesnost vedení je důležitá, ale opakovatelnost je také ovlivněna axiální vůlí, předpětím, tuhostí ložiska, teplotou, instalací a systémem zpětné vazby.

Měl by každý přesný kuličkový šroub používat velké předpětí?

Ne. Předpětí by mělo odpovídat požadované tuhosti a provoznímu zatížení. Nadměrné předpětí zvyšuje točivý moment a teplotu a může zkrátit životnost.

Proč může kuličkový šroub vibrovat vysokou rychlostí?

Dlouhá rotující hřídel se může přiblížit své kritické rychlosti. Průměr šroubu, nepodporovaná délka, uspořádání ložisek, vyrovnání a rychlost otáčení by měly být kontrolovány společně.

Může kuličkový šroub udržet svislé zatížení po odpojení napájení?

Nemělo by být automaticky považováno za samouzamykací-mechanismus. Kvůli jeho vysoké účinnosti může externí zátěž-pohánět šroub. Může být zapotřebí motorová brzda nebo vhodné přídržné zařízení.

Závěr

Hodnota kuličkového šroubu v přesném přenosu pochází z koordinovaného řízení valivého kontaktu, přesnosti vedení, vůle, předpětí, tuhosti a podmínek podpory. Jeho konečný výkon je také ovlivněn mazáním, vyrovnáním instalace, tepelným chováním a řídicím systémem stroje.

Vhodný kuličkový šroub tedy není pouze model s nejmenší chybou vedení nebo nejvyšší únosností. Je to specifikace, která splňuje cíle požadované rychlosti, přesnosti, tuhosti a životnosti-ve skutečném provozním cyklu.