Vertikální osa stroje se může přesně zastavit, když je motor napájen, a přesto se stane nebezpečnou v okamžiku odpojení napájení. Důvod je jednoduchý: kuličkový šroub může nést a pohybovat svislou zátěží, když má správnou velikost, ale jeho účinný valivý kontakt normálně umožňuje, aby zátěž poháněla šroub v opačném směru.
Pro vertikálníkuličkový šroubosa, nosnost a držení nákladu jsou tedy dvě různé konstrukční otázky. Šroub, matice, opěrná ložiska a motor musí nést ovládací sílu, zatímco brzda nebo jiné nezávislé zařízení musí ovládat nechtěný pohyb dolů při výpadku napájení, nouzovém zastavení nebo poruše pohonu.
Toto rozlišení je důležité u CNC Z os, zvedacích stolů, vertikálních balicích stanic, kontrolních zařízení, montážních strojů a dalších systémů, kde gravitace nepřetržitě působí na pohybující se hmotu.
Možnost vertikálního zatížení
Kuličkový šroub může nést a umístit vertikální zatížení v rámci jeho axiálního zatížení, životnosti, rychlosti a tuhosti. Normálně by se s ním však nemělo zacházet jako se samo-zamykacím zařízením. Když hnací moment zmizí, gravitace aplikuje axiální sílu na matici. Protože valivý kontakt vytváří nízké tření, může tato axiální síla generovat opačný krouticí moment a otáčet šroubem.
Praktická odpověď:kuličkový šroub může nést vertikální zatížení, ale celá osa potřebuje ověřenou metodu{0}}udržení zátěže, pokud by nekontrolovaný sestup mohl poškodit stroj nebo zranit osobu.
Přídržný moment motoru může udržovat polohu, zatímco měnič zůstává pod napětím. Neposkytuje stejnou ochranu po ztrátě elektrické energie. Podobně předepjatá matice zlepšuje axiální tuhost a snižuje vůli, ale nezajistí, aby se kuličkový šroub spolehlivě samouzamykal-.
Proč dochází k couvání
Kuličkový šroub je navržen tak, aby převáděl rotaci motoru na účinný lineární pohyb. Stejný mechanismus může fungovat i obráceně: axiální síla na matici může způsobit rotaci na hřídeli šroubu. Toto je známé jako backdriving.
Tendence ke zpětnému chodu je ovlivněna několika faktory:
- Vést:Větší předstih obecně vytváří větší zpětný točivý moment pro stejné axiální zatížení.
- Reverzní účinnost:účinný valivý kontakt usnadňuje zpětný pohyb, než by tomu bylo u kluzného šroubu s vysokým-třením.
- Pohyblivá hmota:stůl, nástroje, obrobek a připojené mechanismy přispívají ke gravitačnímu zatížení.
- Zrychlení a zpomalení:dynamická síla může převýšit sílu způsobenou samotnou gravitací.
- Vnější procesní síla:řezné, lisovací nebo manipulační síly mohou působit s gravitací nebo proti ní.
- Řiďte-ztráty vlaků:těsnění, ložiska, vedení a motor přidávají odpor, ale tento proměnný odpor by neměl být používán jako bezpečnostní brzda.
Směr závitu problém neřeší. Levý-šroub obrací vztah mezi otáčením šroubu a dráhou matice, ale gravitace jej stále může pohánět zpět v odpovídajícím směru otáčení.
Gravitační síla a reverzní točivý moment
První odhad je klesající síla vytvořená celkovou pohybující se hmotou:
kde Fgje gravitační síla v newtonech, m je celková pohybující se hmotnost v kilogramech a g je přibližně 9,81 m/s².
Přibližný zpětný točivý moment na hřídeli šroubu pak lze vyjádřit jako:
kde Tzadníje zpětný točivý moment v N·m, F je axiální síla v newtonech, P je stoupání šroubu v metrech na otáčku a ηrje obrácená účinnost.
Například pohyblivá sestava o hmotnosti 120 kg vytváří gravitační sílu asi 1 177 N. S 10mm předstihem a předpokládanou zpětnou účinností 0,85 je odhadovaný gravitační-točivý moment generovaný přibližně 1,59 N·m:
Toto je pouze odhad gravitace. Dimenzování brzd a motoru musí také vzít v úvahu zrychlení, procesní sílu, převodový poměr, setrvačnost komponent, kolísání účinnosti, požadovanou dobu zastavení a vhodný bezpečnostní faktor. Vybraná brzda musí být zkontrolována pomocí údajů výrobce povoleného přídržného momentu, nouzového{2}}zastavení, doby zapojení a-životnosti.
Načíst-metody držení
| Metoda | Hlavní funkce | Důležité omezení |
|---|---|---|
| Přídržný moment serva | Udržuje přikázanou polohu, když je měnič napájen a ovládá motor. | Nejedná se o nezávislé{0}}přídržné zařízení pro vypnutí. |
| Přídržná brzda motoru | Drží osu po zastavení motoru nebo odpojení napájení. | Mnoho zádržných brzd není určeno k tomu, aby absorbovaly opakované{0}}zastavení plnou rychlostí. |
| Osová brzda nebo svorka | Působí přímo na pohyblivou osu nebo kolejnici a může poskytnout nezávislé omezení. | Musí být ověřena instalace, monitorování uvolnění a přípustná energie pro zastavení. |
| Protiváha nebo protiváha | Snižuje čistou gravitační zátěž, točivý moment motoru a požadavky na brzdění. | Snižuje nerovnováhu, ale nezajišťuje automaticky úplnou bezpečnostní funkci. |
| Sekundární bezpečnostní zařízení | Zachycuje nebo zadržuje náklad, pokud selže primární pohon nebo brzda. | Jeho vhodnost závisí na posouzení rizik stroje a požadované bezpečnosti. |
Běžnou řídicí sekvencí je ponechat servo pod napětím, zatímco se brzda uvolní, pohnout osou, zastavit pod servořízením, použít brzdu a teprve potom ubrat moment motoru. Uvolnění brzdy dříve, než motor vytvoří přídržný moment, může způsobit krátký, ale škodlivý pokles. Logika časování a zpětné vazby by měla být ověřena během uvádění do provozu při maximální očekávané zátěži.
Silové podmínky svislé osy
Správný výpočet svislé-osy odděluje různé provozní podmínky namísto kontroly pouze statické hmotnosti.
| Stav | Vynutit zvážení | Kontrola návrhu |
|---|---|---|
| Stacionární | Gravitace a jakákoli trvalá procesní síla | Přídržnost brzd a statické axiální zatížení |
| Zrychlení směrem nahoru | Gravitace plus síla zrychlení a tření | Špičkový točivý moment motoru a maximální zatížení šroubu |
| Pohybující se konstantní rychlostí | Gravitace, tření a procesní síla | Trvalý točivý moment motoru a tepelná zátěž |
| Řízený pohyb směrem dolů | Gravitace pohání osu, zatímco motor reguluje klesání | Regenerační provoz, kapacita pohonu a regulace překročení rychlosti |
| Porucha nebo výpadek napájení | Nekontrolovaná gravitační síla, dokud se zádržné prvky nezapojí | Odezva brzd, brzdná dráha a sekundární ochrana |
Průměrné axiální zatížení za pracovní cyklus se používá pro výpočet životnosti kuličkového šroubu, zatímco nejvyšší provozní zatížení musí zůstat v příslušných statických a dynamických mezích. Ty jsou odděleny od výpočtu zádržné-brzdy.
Orientace šroubu a podpora konce
Pokud to uspořádání stroje umožňuje, umístění pevného ložiska a hnacího konce nad pohyblivou matici může udržet větší část šroubu v napětí vlivem gravitace. Šroub zatížený převážně tahem nepodléhá vybočení sloupu stejným způsobem jako dlouhý šroub tlačený v tlaku.
Pokud svislé zatížení způsobí stlačení hřídele, je nutné zkontrolovat průměr kořene, nepodepřenou délku a{0}}koncové podepření. Toto je zahrnuto samostatně vvýpočet vzpěru kuličkového šroubu. U šroubu je také nutné zkontrolovat kritickou rychlost, nosnost-podpory a zarovnání.
Typické uspořádání rotujících{0}} šroubů používá pevnou ložiskovou jednotku na hnacím konci pro ovládání axiální a radiální polohy, s podpůrným ložiskem na opačném konci, které umožňuje stabilní otáčení. Skutečné uspořádání podpěry by mělo odpovídat opracování-konce hřídele, rychlosti, axiálnímu zatížení a požadované tuhosti.
Běžné chyby návrhu
- Předpokládejme, že stacionární servo-vypíná brzdu:řídicí moment zmizí, když měnič nemůže dodávat energii.
- Použití předpětí jako bezpečnostního prvku:předpětí zlepšuje tuhost a výkon vůle, není spolehlivé držení nákladu.
- Výběr brzdy ze samotného gravitačního momentu:Energie nouzového zastavení, zpoždění zapojení a maximální dynamické zatížení mohou řídit výběr.
- Ignorování celkové pohybující se hmotnosti:musí být zahrnuty nástroje, přípravky, obrobky, kabely a pomocné mechanismy.
- Kontrola pouze únosnosti šroubu:životnost matic, vybočení hřídele, opěrná ložiska, kroutící moment motoru, kapacita spojky a výkon brzd jsou různé limity.
- Použití brzdy při každém normálním-zastavení vysokou rychlostí:přídržná brzda se může rychle opotřebovat, je-li použita jako provozní brzda, pokud není pro tento účel výslovně určena.
Závěr
Kuličkový šroub se může pohybovat a nést vertikální zatížení, ale vysoká účinnost přenosu také umožňuje zpětný chod. Spolehlivý design vertikální-osy proto odděluje ovládání pohybu od držení nákladu. Šroub a motor řídí normální pohyb; brzda, svorka nebo jiné omezení řídí zatížení, když točivý moment není k dispozici.
Konstrukce by měla zohledňovat celkovou pohyblivou hmotnost, předstih, točivý moment zpětného chodu, zrychlení, procesní sílu, odezvu brzd a uspořádání koncové{0}}podpory. Předpětí a směr závitu nesmí být považovány za náhradu za ověřenou brzdu. Tam, kde neúmyslné klesání představuje významné nebezpečí, by mělo být vybráno nezávislé sekundární zařízení prostřednictvím formálního posouzení rizik stroje.
Reference
- ISO 3408-1, Kuličkové šrouby – slovník a označení.
- Všeobecný technický katalog kulových šroubů, sekce týkající se vztahů mezi tahem-k-točivým momentem, zpětnou účinností, podpěrnými jednotkami a vybočením šroubu-hřídele.
Potřebujete technické potvrzení pro vertikální osu kuličkového šroubu?
DLY může pomoci zkontrolovat průměr šroubu, stoupání, axiální zatížení, rychlost a uspořádání koncové{0}}podpory pro vaši aplikaci.
