Napędy ze śrubami kulowymi – funkcja / budowa / typy / klasy dokładności
Napędy ze śrubami kulowymi są produkowane zgodnie z kryteriami wyboru i specyfikacjami DIN ISO 3 408 lub JIS B 1 192 itp.
Napędy ze śrubami kulowymi to wysoce precyzyjne komponenty, wykorzystywane w różnych zastosowaniach do przekształcania ruchu obrotowego w ruch liniowy. Obszary zastosowań napędów ze śrubami kulowymi są bardzo szerokie i obejmują takie obszary, jak maszyny CNC, drukarki 3D, robotyka, obrabiarki i wiele innych zastosowań przemysłowych.
Budowa napędów ze śrubą kulową
Napędy ze śrubą kulową składają się ze śruby pociągowej (2), nakrętki śruby kulowej (3) i kulek (4). W nakrętce znajduje się specjalna bieżnia (1), po której toczą się kulki. Śruba pociągowa jest wyposażona w odpowiednią prowadnicę gwintu, która jest dostosowana do kształtu nakrętki. Kulki umożliwiają ruch o niskim współczynniku tarcia, działając pomiędzy bieżniami nakrętki i śruby pociągowej. Napędy ze śrubą kulową mogą być wyposażone w mechanizm samoblokujący. Samoblokowanie to zdolność systemu mechanicznego do zapobiegania niezamierzonemu ruchowi autonomicznemu. W systemie samoblokującym ruch jest blokowany przez siły mechaniczne lub siły tarcia, gdy tylko siła napędowa zostanie usunięta.
Rodzaje śrub pociągowych
Istnieją różne wersje śrub pociągowych. Różnią się one na przykład w następujący sposób:
- Zgodnie z zasadą konstrukcji (obracająca się, nieruchoma śruba pociągowa), prowadnica liniowa nakrętki
- Według powrotu kulki (wewnątrz lub na zewnątrz)
- Start lewostronny lub prawostronny
- Pojedyncza lub wielokrotna
- Precyzja: Napęd śrubowy do transportu lub pozycjonowania
Napędy z pojedynczą śrubą kulową
Sterowniki z pojedynczą śrubą kulową składają się z pojedynczej śruby pociągowej z jedną nakrętką śruby kulowej. Są one powszechnie stosowane w przemyśle i używane głównie w aplikacjach o niskich obciążeniach i dużych prędkościach.
Napędy z wieloma śrubami kulowymi
W przeciwieństwie do napędów z pojedynczą śrubą kulową, napędy z wieloma śrubami kulowymi składają się z nakrętki obrotowej z kilkoma rzędami kulek. Dodatkowe rzędy kulek prowadzą do większej nośności i sztywności i są często używane w ciężkich zastosowaniach.
Z prowadnicą liniową
Napęd ze śrubą kulową z prowadnicą liniową ma jedną lub więcej szyn prowadzących, po których przesuwa się nakrętka kulowa (która przenosi wózek lub obciążenie). Funkcja szyny prowadzącej polega na prowadzeniu i wspieraniu ruchu liniowego oraz osiąganiu precyzji i stabilności. Zaletami są wysoka precyzja, powtarzalność i sztywność. Napędy ze śrubami kulowymi i prowadnicami liniowymi nadają się szczególnie do zastosowań wymagających precyzyjnego pozycjonowania i stabilności, takich jak maszyny CNC i obrabiarki.
- 1 Śruba pociągowa
- 2 Nakrętka śruby kulowej z kołnierzem
- 3 Łożysko
- 4 Wózek
- 5 Silnik z przekładnią
Bez prowadnicy liniowej
W przypadku śrub kulowych bez prowadnic liniowych nakrętka śruby kulowej porusza się bezpośrednio na śrubie pociągowej bez oddzielnej prowadnicy liniowej. Nakrętka przesuwa się wzdłuż śruby pociągowej. Zaletą jest to, że śruby bez oddzielnych prowadnic liniowych są używane w aplikacjach, które mają ograniczoną przestrzeń lub wymagają prostej konstrukcji. Mogą one stanowić tańsze rozwiązanie w mniej wymagających zastosowaniach.
Klasy precyzji
Klasy dokładności napędów ze śrubami kulowymi to konkretne klasyfikacje opisujące dokładność i tolerancje. Są one określone w odpowiednich normach, takich jak japońska JIS B 1192 (ISO 3408). Norma ISO 3408 określa na przykład różnicę między ścieżką docelową a ścieżką nominalną na ścieżce użytecznej. Wynikają z tego następujące klasy tolerancji:
- C0–C5: Zdefiniowane przez średnie odchylenie ścieżki i tolerancję wahań ścieżki
- C7-C10: Zdefiniowane przez średnie odchylenie odległości na długości 300 mm.
Norma ISO 286 zapewnia alternatywną klasyfikację dla poziomów tolerancji stosowanych w niektórych normach i zapewnia podobne stopnie dokładności jak klasy C: IT 1 i kolejne.
Jeśli chodzi o luz osiowy, napędy ze śrubą kulową mogą być wstępnie obciążone (bez luzu) lub z luzem. Napędy ze śrubami kulowymi o wysokiej klasie precyzji są zazwyczaj wstępnie obciążone. Napęd ze śrubą kulową z obciążeniem wstępnym jest zalecany do precyzyjnego pozycjonowania, do zastosowań związanych z pomiarem położenia, do budowy urządzeń naukowych i ogólnie do zastosowań wymagających najwyższej możliwej sztywności zespołu. Napędy ze śrubami kulowymi o niskiej klasie precyzji są zwykle narażone na luz. Napędy ze śrubą kulową z luzem są zalecane, jeśli kluczowym wymogiem jest odporność na moment obrotowy (płynny ruch), jeśli wszelkie odchylenia tolerancji są kompensowane przez system pomiarowy lub jeśli błędy pozycji spowodowane luzem osiowym są nieistotne.
Zalety napędów ze śrubami kulowymi
Napędy ze śrubami kulowymi zapewniają wysoką precyzję i sztywność, ponieważ tarcie jest znacznie zmniejszone. Funkcja ta zapewnia zwiększoną dokładność i wydajne przenoszenie ruchu obrotowego na ruch liniowy. Równomierne rozłożenie obciążenia przez kulki na bieżni zapewnia stabilność i efektywny rozkład obciążenia. Napędy ze śrubami kulowymi są dostępne jako gotowe do montażu zespoły i osiągają wysoki poziom sprawności do 95%.
Zalety w porównaniu ze śrubami trapezowymi
Napęd ze śrubą kulową zapewnia kilka zalet w porównaniu ze śrubami trapezowymi:
- Wyższa precyzja
- Niższe tarcie: Śruby kulowe mają mniejsze tarcie dzięki zastosowaniu kulek lub łożysk kulkowych jako styków rolek.
- Wyższe prędkości dzięki zmniejszonemu tarciu i wydajnemu kontaktowi tocznemu
- Niższe samoblokowanie
- Zmniejszone zużycie
- Zmniejszona siła napędowa dzięki mniejszemu tarciu i bardziej wydajnemu transferowi energii
- Bardziej kompaktowa konstrukcja: Śruby kulowe często pozwalają na bardziej kompaktową konstrukcję, ponieważ umożliwiają stosowanie mniejszych silników lub jednostek napędowych ze względu na ich wyższą wydajność i precyzję.
Określanie pasujących napędów ze śrubą kulową
Jeśli wymagany jest nowy napęd ze śrubą kulową, ważne jest, aby znać pewne parametry i właściwości. Napędy ze śrubą kulową są dostępne z gwintem metrycznym i calowym. Dostępne na rynku oznaczenie zawiera informacje na temat wymaganego gwintu. Napędy ze śrubą kulową o wymiarach calowych są określane jako typ 1004 (odpowiada średnicy śruby pociągowej wynoszącej jeden cal i skokowi 1/4 cala), a napędy ze śrubą kulową o wymiarach metrycznych, np. jako typ 12x3 (odpowiada średnicy śruby pociągowej wynoszącej 12 mm i skokowi 3 mm).
Napędy ze śrubą kulową są oznaczone średnicą koła centralnego kuli i skokiem. Zewnętrzną średnicę śruby pociągowej można zmierzyć w celu określenia średnicy środkowego okręgu kulki. Aby określić skok, należy najpierw ustalić, czy wymagany jest napęd z jedną czy wieloma śrubami kulowymi. W napędach ze śrubą kulową z pojedynczym rozruchem segmenty rowka znajdują się bezpośrednio obok siebie, a w napędach ze śrubą kulową z wieloma rozruchami występują odpowiednie przerwy między rozruchami. Najłatwiej określić typ, nawijając przewód:
skok wynika z odległości między segmentem przewodu a następnym segmentem przewodu, np. 3 mm.
Efekt stick-slip i jak go zminimalizować
Efekt stick-slip (lub samowzbudny układ wibracyjny) występuje, gdy dwie powierzchnie naprzemiennie poruszają się i łączą zamiast płynnie ślizgać. Siła chwytania obiektu przeciwdziała sile ciężaru, z jaką obiekt ma być przemieszczany. Do momentu wywarcia siły wymaganej do pokonania siły chwytającej, obiekt pozostaje zablokowany, a następnie jest uwalniany ze zwiększoną prędkością i zaczyna się ślizgać. Po osiągnięciu stanu tarcia ślizgowego i kontynuowaniu przesuwania obiektu ze stałym naciskiem, traci się uchwyt.
Niemniej jednak występujący efekt stick-slip prowadzi do oscylacji i wibracji w systemie, które są ogólnie niepożądane. W przeciwieństwie do gwintów trapezowych lub gwintów śrubowych, które wykazują tarcie statyczne, efekt stick-slip prawie nie odgrywa roli w przypadku gwintów kulowych, ponieważ te zasadniczo wykazują tarcie toczne. Jeśli jednak w napędach ze śrubami kulowymi występuje efekt stick-slip, można podjąć różne środki zaradcze, w tym:
- Stosowanie środków smarnych
- Precyzyjną produkcję i dobór materiałów
- Unikanie nadmiernego obciążenia
- Korzystanie z zespołów bez luzu osiowego lub z regulowanym luzem osiowym
- Dokręcanie zespołu w celu zwiększenia sztywności
Obliczanie żywotności gwintów kulowych
Żywotność napędów ze śrubami kulowymi można obliczyć na podstawie obciążenia dynamicznego. Jest on definiowany przez całkowitą liczbę obrotów, czas lub odległość, po której powierzchnie lub kulki łożyska kulkowego zaczynają się rozwarstwiać. Poniższy wzór ma zastosowanie do godzin pracy Lh:
- Lh = okres eksploatacji w godzinach (h.)
- C = Obciążalność dynamiczna (N): Obciążenie osiowe, które działa na grupę równych kulek i przy którym 90% próbek testowych jest w stanie osiągnąć 1 milion obrotów bez rozwarstwienia powierzchni tocznych
- Pm = Średnie obciążenie osiowe (N)
- Nm = Średnia prędkość (min-1)
- fw = Współczynnik obciążenia, przykłady: Praca bez obciążenia udarowego fw = 1,0 do 1,2 | Normalna praca fw = 1,2 do 1,5 | Praca z obciążeniem udarowym fw = 1,5 do 2,0
Następujące informacje są zwyczajowe dla okresu użytkowania: 10 000 godzin dla maszyn przemysłowych, 20 000 godzin dla obrabiarek, 15 000 godzin dla urządzeń automatyki i przyrządów pomiarowych.
Wybór napędów ze śrubami kulowymi
Wybór odpowiedniego napędu ze śrubą kulową zależy od kilku czynników, w tym wymagań dotyczących obciążenia, prędkości, wymagań dotyczących dokładności i środowiska, w którym jest używany. W maszynach CNC, napędy ze śrubami kulowymi zapewniają precyzyjne grawerowanie i frezowanie, podczas gdy drukarki 3D osiągają dokładną jakość druku warstwa po warstwie. Robotyka korzysta z precyzyjnej kontroli ruchu przegubów, a obrabiarki z wysoce precyzyjnych procesów obróbki.
W pierwszej kolejności należy określić warunki pracy napędu ze śrubą kulową, takie jak dokładność pozycjonowania, skok, prędkość przesuwu, żywotność itp. W kolejnym kroku dokonywany jest wstępny wybór napędu ze śrubą kulową w oparciu o dokładność prowadnicy, luz osiowy i oczekiwane obciążenia. Na koniec należy sprawdzić dopuszczalne obciążenie osiowe, dopuszczalną prędkość obrotową i oczekiwaną żywotność. Skorzystaj z naszego procesu doboru, aby dobrać rozmiar napędu śrubowego MISUMI. MISUMI dostarcza odpowiednie napędy ze śrubami kulowymi, sprzęgła kompensacyjne i łożyska kulkowe do wielu zastosowań.
