Кульковий гвинт і лінійна напрямна: як підібрати, вирівняти та встановити їх для максимальної точності системи

Кулькові гвинтиілінійні напрямніє двома основними компонентами будь-якої прецизійної системи лінійного руху -, але правильного вибору кожного окремо недостатньо. Точність системи, термін служби та вантажопідйомність комбінованого вузла залежать від того, наскільки добре два компоненти підігнані один до одного, наскільки точно вони вирівняні під час монтажу та чи правильно розуміють розподіл навантаження між ними.

У цій статті розглядається функціональний розподіл між кульковими гвинтами та лінійними напрямними, як узгодити їх класи точності та розміри, що фактично означають допуски паралельності та вирівнювання на практиці, а також правильну послідовність встановлення, яка запобігає найпоширенішим помилкам при складанні.

1. Що робить кожен компонент - і що він не може зробити окремо

Розуміння функціональної межі між кульковим гвинтом і лінійною напрямною є відправною точкою для правильного проектування системи.

Кульковий гвинт: осьовий привід і позиціонування

Кульковий гвинт перетворює обертовий рух від двигуна в контрольоване лінійне переміщення через рециркуляцію кульок між різьбовим валом і гайкою. Його основною функцією є передача осьової сили та контроль положення рухомої каретки вздовж осі руху.

Ключові характеристики: висока ефективність передачі (зазвичай 90%+); передбачуване співвідношення -від-зміщення; сильна осьова вантажопідйомність; висока повторюваність під керуванням із замкнутим -контуром сервоприводу.

Для чого не призначений кульковий гвинт: протистояти бічним силам, радіальним навантаженням або моментним навантаженням, створюваним зміщеними корисними навантаженнями або силами різання. Коли ці навантаження прикладаються до гайки кулькового гвинта, вони прискорюють знос доріжок кочення гайки та значно скорочують термін служби.

Лінійна напрямна (рейка та блок): напрямні та підтримка навантаження

Лінійна напрямна обмежує каретку, що рухається, по прямій траєкторії та сприймає всі навантаження, яких не повинен виконувати кульковий гвинт - радіальні навантаження (вертикальні на горизонтальній осі), бічні навантаження (убік) і моментні навантаження, що виникають, коли корисне навантаження або сила різання зміщена від центральної лінії направляючої.

Основні характеристики: висока жорсткість у чотирьох напрямках навантаження; відмінна прямолінійність при тривалих поїздках; низьке тертя кочення; стійкість до моментних навантажень через розсув блоків каретки уздовж рейки.

Чого не може зробити лінійна напрямна сама по собі: забезпечити високо-ефективний лінійний привід або точне позиціонування. Лінійна напрямна стримує рух, але не створює його.

Функціональний відділ

Коли обидва компоненти правильно підібрані та встановлені, жоден з них не повинен переносити навантаження, що виходять за межі його проектного наміру. Це основна вимога для досягнення номінального терміну служби обох компонентів одночасно.

2. Чому відповідність класу точності має значення

Точність позиціонування всієї системи обмежується будь-яким компонентом із нижчою точністю -, незалежно від того, наскільки точно зроблено інший. Поєднання заземленого кулькового гвинта C3 зі стандартною-лінійною напрямною створює систему, обмежену похибкою прямолінійності напрямної, а не точністю випередження гвинта. Висока вартість гвинта-не приносить жодних переваг.

Практичний підхід полягає в узгодженні ступенів точності таким чином, щоб обидва компоненти вносили приблизно однакову частку в бюджет позиціонування системи.

Для більшості обробних центрів з ЧПК і обладнання для точної автоматизації стандартною комбінацією є заточені кулькові гвинти C5 у поєднанні з лінійними напрямними H-. Катанні гвинти C7 у поєднанні зі стандартними напрямними застосовуються до загальної автоматизації, деревообробного обладнання та застосувань, де допуск позиціонування становить ±0,05 мм або більше.

Відповідність розміру

Якщо кульковий гвинт і лінійні напрямні використовуються на одній осі, ширина напрямної рейки повинна відповідати класу розміру діаметру вала гвинта. Кульковий гвинт великого-діаметра, який приводить в рух каретку, що підтримується вузькими рейками за розміром, створює невідповідність жорсткості - напрямна згинається під навантаженням, навіть якщо гвинт розміщено правильно, створюючи помилку позиціонування, яку кульковий гвинт не може компенсувати.

Як практична довідка:

3. Паралелізм: що означає допуск і що відбувається, коли його перевищено

Вісь кулькового гвинта та вісь лінійної напрямної рейки повинні бути паралельні в межах визначеного допуску. У більшості додатків з ЧПК і прецизійної автоматизації допустиме відхилення паралельності між віссю гвинта та рейкою становить 0,02–0,05 мм на кожні 300 мм ходу, залежно від ступеня точності системи.

Коли цей допуск перевищено, гайка гвинта натискається вбік у кожній точці ходу - гайка не може сидіти природно на одній лінії з рейкою, і це створює бокове навантаження як на кульки гайки, так і на напрямні блоки одночасно. Наслідки:

• Підвищений опір ходу протягом усього ходу, помітний як більший струм приводу при постійній швидкості
• Прискорений знос як гайки, так і направляючих блоків, оскільки вони несуть навантаження, для яких вони не були розроблені
• Помилка позиціонування, яка є періодичною та залежить від ходу-і яка прогресивно погіршується зі збільшенням зносу

Для правильного вимірювання паралельності потрібен циферблатний індикатор, встановлений на каретці, при цьому наконечник зонда контактує безпосередньо з гвинтом -, а не з гайкою і не з поверхнею робочого столу. Повільно перемістіть каретку на повний хід і зафіксуйте загальне відхилення індикатора. Будь-яке відхилення вище допуску системи вимагає виправлення положення рейки або гвинтової опори перед введенням машини в експлуатацію.

4. Розподіл навантаження: як кульковий гвинт і напрямна розподіляють роботу

У правильно спроектованій системі лінійного руху розподіл навантаження між кульковим гвинтом і лінійними напрямними слідує чіткому принципу: кульковий гвинт переносить лише осьові навантаження; лінійні напрямні несуть все інше.

Шлях приводу:

Крутний момент двигуна → Муфта → Обертання кулькового гвинта → Лінійне переміщення гайки → Рух каретки

Керівництво та шлях підтримки навантаження:

Рейка, закріплена на базі машини → Блоки каретки котяться вздовж рейки → Каретка обмежена прямолінійним-рухом, бічні та моментні навантаження передаються на рейку

Управління навантаженням на практиці:

Розмір кулькової гвинтової гайки залежить від Ca (номінального динамічного навантаження) проти еквівалентного осьового навантаження -, включаючи тягу двигуна, силу прискорення та будь-яку осьову складову сил різання. Моментні навантаження від зміщених корисних навантажень або сил різання слід розраховувати окремо для системи лінійних напрямних, використовуючи значення моментних навантажень виробника напрямних для кожного напрямку (нахил, поворот, крен).

Поширеною помилкою при проектуванні є правильне визначення розміру кулькового гвинта для осьового навантаження при-зазначенні лінійних напрямних для умов моменту. На осі Y, на якій тримається важкий шпиндель, момент, створюваний виступом шпинделя, може в два-три рази перевищувати радіальне навантаження від маси корисного навантаження. Направляючий блок правильного розміру для радіального навантаження, але меншого розміру для поточного рейтингу, буде зношуватися значно швидше, ніж передбачає його номінальний термін служби.

5. Основні принципи проектування

Зіставте оцінки точності

Виберіть кульковий гвинт і лінійну напрямну так, щоб жоден компонент не був єдиним вузьким місцем для точності системи. Зверніться до таблиці-відповідності оцінок у розділі 2.

Контроль паралелізму в межах допуску

Паралельність між віссю гвинта та віссю напрямної рейки необхідно перевірити за допомогою циферблатного індикатора перед введенням машини в експлуатацію. Не покладайтеся на візуальне вирівнювання або припущення, що плоска оброблена основа автоматично гарантує паралельність.

Застосуйте правильне попереднє натяг до обох компонентів

Попереднє натягування гайки кулькового гвинта усуває осьовий люфт. Попереднє натяг на лінійних направляючих блоках зменшує зазор і підвищує жорсткість. Обидва необхідні для високо-системи повторюваності.

Однак попереднє навантаження не є безкоштовним - воно збільшує тертя під час руху та виділення тепла. Надмірне попереднє навантаження скорочує термін служби, не покращуючи точність понад одну точку. Виберіть клас попереднього навантаження, який відповідає вимогам до жорсткості та точності застосування, а не найвищий доступний варіант.

Перевірте критичну швидкість для-довгохідних осей

Кульково-гвинтові вали мають критичну швидкість, яка залежить від діаметра вала, непідтримуваної довжини та конфігурації кінцевої опори. Для високо-швидкісних або довгих-тактних застосувань робочу швидкість необхідно перевірити на відповідність критичному обмеженню швидкості - з відповідним коефіцієнтом безпеки - перед остаточним визначенням діаметра валу. Робота вище критичної швидкості викликає резонанс валу, шум і швидкий знос.

Захистіть обидва компоненти від забруднення

Стружка, охолоджуюча рідина та пил, що потрапляють у гайку кулькового гвинта або лінійні напрямні, прискорюють знос швидше, ніж будь-який інший робочий фактор. Ущільнювачі, склоочисники, сильфони та кришки мають бути частиною конструкції системи, а не спогадом. Кулькові гвинтові гайки в середовищах обробки особливо потребують ефективного видалення стружки та охолоджуючої рідини.

6. Правильна послідовність встановлення

Порядок установки має значення. Найпоширеніша помилка при складанні - спочатку встановлюється гвинт, а потім намагається змусити рейки вирівняти з ним - створює внутрішню напругу в обох компонентах, що спричиняє заклинювання, нерівномірне зношування та передчасну поломку.

Правильна послідовність:

Крок 1 - Підготуйте монтажну основу

Обробіть монтажні поверхні для рейок і прикрутіть опорні вузли до необхідної площинності та паралельності. Перевірте за допомогою прецизійної лінійки або пластини. Базова геометрія встановлює орієнтир вирівнювання для всього, що йде далі.

Крок 2 - Установіть лінійні напрямні

Встановіть обидві рейки болтами, злегка затягнутими по черзі. Перевірте прямолінійність уздовж кожної рейки та паралельність між двома рейками. Регулюйте, доки обидва не будуть у межах допуску. Тільки після цього затягніть болти хрестоподібно з указаним моментом, щоб уникнути скручування профілю рейки.

Крок 3 - Установіть кульковий гвинт

Закріпіть опорні вузли кулькової гвинти - спочатку нерухомим кінцем, а потім плаваючим кінцем. Фіксований кінець утримує вал аксіально; плаваючий кінець забезпечує теплове розширення вздовж осі вала без створення внутрішньої напруги. Не закріплюйте жорстко обидва кінці - це поширена помилка встановлення, яка спричиняє розвиток осьового попереднього натягу на валу, коли він нагрівається під час роботи.

Крок 4 - Встановіть каретку та вирівняйте гайку

Встановіть корпус гайки на каретку, перш ніж закріпити її остаточно. Прокрутіть вал гвинта рукою на повний хід. Гайка повинна плавати в природне вирівнювання з рейкою без заклинювання або зміни опору. Лише після підтвердження плавного, постійного ходу протягом повного ходу болти корпусу гайки слід затягнути відповідно до специфікації.

Примусове встановлення корпусу гайки у фіксоване положення для компенсації зсуву гвинта-до-рейки є найбільш шкідливою помилкою під час встановлення. Він створює постійне бічне навантаження на гайку в кожній точці ходу - з першої години роботи.

Крок 5 - Застосуйте попереднє натягування та змастіть

Застосуйте вказане попереднє натяг як до гвинтової гайки, так і до напрямних блоків. Нанесіть початкову кількість мастила на гайку та напрямні перед першим використанням.

Крок 6 - Тестовий запуск і перевірка

Проведіть вісь на низькій швидкості на повний хід, спостерігаючи за зміною опору, шумом або підвищенням температури. Поступово збільшуйте швидкість до робочої. Перевірте повторюваність позиціонування перед запуском машини у виробництво.

7. Типовий приклад 3-осьового обробного центру з ЧПК

Типовий 3-осьовий обробний центр із робочим столом 1200 мм × 1000 мм і повторюваністю позиціонування ±0,005 мм:

Примітки щодо цієї конфігурації:

Дві рейки на вісь- включно з віссю Z. Одна рейка не може протистояти моменту, створюваному виступом шпинделя під час різання. Дві рейки, розташовані з достатнім розходом, забезпечують опір моменту, необхідний для стабільного, точного різання по всіх осях.

Подвійна гайка DFU на осях X і Y- усуває осьовий люфт при зміні напрямку, що безпосередньо впливає на точність контуру обробленої поверхні. Високе тертя ходу подвійної гайки регулюється крутним моментом сервоприводу.

Вихід 5 мм по осі Z- забезпечує вищу тягу на одиницю крутного моменту двигуна та зменшує-тенденцію до зворотного ходу порівняно з більшими кроками. У поєднанні з утримуючим гальмом двигуна для шпиндельних вузлів понад приблизно 15 кг це безпечно утримує вісь Z у положенні після припинення живлення.

Термокомпенсація- довгі кулькові гвинти осі X і Y розширяться від тепла під час тривалої роботи. На прецизійних обробних центрах використовується термокомпенсація з ЧПК або фіксована-плаваюча кінцева опора, щоб керувати цим без створення напруги на валу чи дрейфу осьового позиціонування.

8. Довідка про термін служби

Наступні інтервали передбачають правильне початкове змащування, робоче навантаження в межах 30% Ca, помірний робочий цикл і адекватний захист від забруднення. Фактичний термін служби істотно залежить від умов експлуатації.

Забруднення є найпоширенішою причиною передчасного виходу з ладу обох компонентів. Кулькова гвинтова гайка, яка працює в чистому, добре-змащеному середовищі, зазвичай досягає або перевищує верхню межу свого терміну служби L10. Та сама гайка, що працює в середовищі, забрудненому чіпом-без належного ущільнення, може вийти з ладу менш ніж за чверть цього часу.

9. Підведення підсумків

Кулькові гвинти та лінійні напрямні розроблені для спільної роботи з чітко розподіленими функціями:

• Кульковий гвинт: забезпечує ефективний, повторюваний осьовий привід і позиціонування
• Лінійна напрямна: забезпечує-точність прямолінійного руху, протидіє моментним і бічним навантаженням, а також радіальним навантаженням

Система працює відповідно до специфікацій, лише якщо обидва компоненти правильно підібрані за класом точності та розміром, вирівняні в межах допуску під час встановлення та захищені від забруднення під час експлуатації. Максимальна продуктивність комбінованої системи встановлюється залежно від того, який елемент є найслабшим -, будь то клас гвинта, клас попереднього натягу направляючої, паралельність встановлення чи захист від забруднення.

Для машинобудівників OEM, які закуповують як кулькові гвинти, так і лінійні напрямні для виробничих машин, незмінна якість партії для обох типів компонентів є такою ж важливою, як початкова специфікація. Різниця в точності попереднього натягу або випередження між партіями призводить до того, що машини працюють по-різному, незважаючи на однакові номери деталей.

 

Електронна пошта:export@dlybearing.com

Запит про ціну