Pohony s kuličkovými šrouby – funkce / konstrukce / typy / třídy přesnosti
Pohony s kuličkovými šrouby jsou vyráběny podle kritérií výběru a specifikací norem DIN ISO 3408 nebo JIS B 1192 atd.
Pohony s kuličkovými šrouby jsou vysoce přesné součásti používané v různých aplikacích k přeměně rotačního pohybu na lineární pohyb. Oblasti použití pro pohony s kuličkovými šrouby jsou široké a zahrnují oblasti, jako jsou stroje s řízením CNC, 3D tiskárny, robotika, obráběcí stroje a mnoho dalších průmyslových aplikací.
Konstrukce pohonů kuličkových šroubů
Šroubové kuličkové pohony se skládají z vodicího šroubu (2), matice s kuličkovými šrouby (3) a kuliček (4). V matici, na které se kuličky otáčejí, se nachází speciální závodní dráha (1). Vodicí šroub je opatřen vhodným vodičem závity, který je přizpůsoben tvaru matice. Kuličky umožňují pohyb s nízkým třením tím, že pracují mezi drážkami matice a vodicího šroubu. Pohony s kuličkovými šrouby mohou mít samojistný mechanismus. Samozamykání je schopnost mechanického systému zabránit neúmyslnému autonomnímu pohybu. V samojistném systému je pohyb blokován mechanickými silami nebo silami indukovanými třením, jakmile je hnací síla odstraněna.
Typy vodicích šroubů
Existují různé verze vodicích šroubů. Liší se například takto:
- Podle principu konstrukce (rotační, stacionární vodicí šroub), lineární vodicí lišta matice
- Vratnou kuličkou (uvnitř nebo zvenčí)
- Levý nebo pravý start
- Jeden nebo více
- Přesnost: Pohon přepravního nebo polohovacího šroubu
Pohony s jedním kuličkovým šroubem
Šroubováky s jedním kuličkovým šroubem se skládají z jednoho vodicího šroubu s jednou maticí kuličkového šroubu. Jsou široce využívány v průmyslu a používají se především v aplikacích s nízkým zatížením a vysokými rychlostmi.
Více pohonů kuličkových šroubů
Na rozdíl od pohonů s jedním kuličkovým šroubem se více pohonů s kuličkovým šroubem skládá z matice s otáčením koule s několika řadami kuličkových šroubů. Další řady kuliček vedou k vyšší nosnosti a tuhosti a často se používají v náročných aplikacích.
S lineárním vedením
Kuličkový šroubový pohon s lineárním vedením má jednu nebo více vodicích lišt, po kterých se pohybuje kuličková matice (která nese desku nebo zátěž). Funkcí vodicí lišty je vést a podporovat lineární pohyb a dosáhnout přesnosti a stability. Výhodou je vysoká přesnost, opakovatelnost a tuhost. Šroubové kuličkové pohony s lineárními vodiči jsou zvláště vhodné pro aplikace, které vyžadují přesné polohování a stabilitu, jako jsou CNC stroje a obráběcí stroje.
- 1 Vodicí šroub
- 2 Matice s kuličkovým šroubem s přírubou
- 3 Ložisko
- 4 Nosič
- 5 Motor s převodovkou
Bez lineárního vedení
U kulových šroubů bez lineárních vodicích lišt se matice kuličkového šroubu pohybuje přímo na vodícím šroubu bez samostatné lišty lineární vodicí lišty. Matice se posouvá podél vodicího šroubu. Výhodou je, že šrouby bez samostatných lineárních vodicích lišt se používají v aplikacích, které mají prostorová omezení nebo vyžadují jednoduché konstrukce. Mohou nabídnout levnější řešení v méně náročných aplikacích.
Třídy přesnosti
Třídy přesnosti pohonů kuličkových šroubů jsou specifické klasifikace, které popisují přesnost a tolerance. Jsou specifikovány v příslušných normách, jako je japonský JIS B 1192 (ISO 3408). ISO 3408 například specifikuje rozdíl mezi cílovou a jmenovitou dráhou přes užitečnou dráhu. Výsledek následujících tříd tolerance:
- C0 – C5: Definováno průměrnou odchylkou dráhy a tolerancí kolísání dráhy
- C7 – C10: Definováno průměrnou odchylkou vzdálenosti na délku 300 mm.
Norma ISO 286 poskytuje alternativní klasifikaci úrovní tolerance používaných v některých normách a poskytuje podobné stupně přesnosti jako třídy C: Bod 1 a násl.
Pokud jde o axiální vůli, mohou být pohony s kuličkovým šroubem buď předepnuté (bez vůle), nebo s vůlí. Kuličkové šroubové pohony s vysokou třídou přesnosti jsou obvykle předepnuté. Kuličkový šroub s předpětím je doporučován pro přesné polohování, pro aplikace měření polohy, pro konstrukci vědeckého zařízení a obecně pro aplikace, které vyžadují nejvyšší možnou tuhost sestavy. Kuličkové šroubové pohony s nízkou třídou přesnosti obvykle podléhají vůli. Pohony s kuličkovým šroubem podléhajícím vůli se doporučují, pokud je klíčovým požadavkem odolnost vůči krouticímu momentu (plynulý chod), pokud jsou případné toleranční odchylky kompenzovány měřicím systémem nebo pokud jsou chyby polohy způsobené axiální vůlí nepodstatné.
Výhody šroubových kuličkových pohonů
Šroubové kuličkové pohony nabízejí vysokou přesnost a tuhost, protože tření se výrazně snižuje. Tato funkce poskytuje zvýšenou přesnost a efektivní přenos rotačního pohybu na lineární pohyb. Rovnoměrné rozložení zátěže míčky po závodní dráze zajišťuje stabilitu a efektivní rozložení zátěže. Šroubové kuličkové pohony jsou k dispozici jako sestavy připravené k instalaci a dosahují vysoké úrovně účinnosti až 95 %.
Výhody oproti lichoběžníkovým šroubům
Pohon kuličkového šroubu nabízí oproti lichoběžníkovým šroubům několik výhod:
- Vyšší přesnost
- Nižší tření: Kuličkové šrouby mají menší tření díky použití kuličkových nebo kuličkových ložisek jako válcových kontaktů.
- Vyšší rychlosti díky sníženému tření a efektivnímu valivému kontaktu
- Nižší samoblokování
- Snížené opotřebení
- Snížená hnací síla díky sníženému tření a efektivnějšímu přenosu energie
- Kompaktní design: Kuličkové šrouby často umožňují kompaktnější konstrukci, protože díky vyšší účinnosti a přesnosti umožňují použití menších motorů nebo hnacích jednotek.
Specifikace odpovídajících pohonů kuličkových šroubů
Pokud je vyžadován nový pohon kuličkového šroubu, je důležité znát určité parametry a vlastnosti. Kulové šroubové pohony jsou k dispozici s metrickým závitem a palcovým závitem. Komerčně dostupné označení poskytuje informace o tom, která nit je požadována. Šroubové kuličkové pohony s palcovými rozměry jsou specifikovány jako typ 1004 (odpovídá průměru vodicího šroubu 1 palec a rozteči 1/4 palce) a pohony s kuličkovými šrouby s metrickými rozměry, např. jako typ 12x3 (odpovídá průměru vodicího šroubu 12 mm a rozteči 3 mm).
Šroubové kuličkové pohony jsou označeny průměrem kruhu ve středu kuličky a roztečí. K určení průměru středového kruhu kuličky lze změřit vnější průměr vodicího šroubu. Pro určení rozteče je nejprve nutné určit, zda je požadován pohon kuličkovým šroubem s jedním, nebo více rozběhy. U pohonů s kuličkovými šrouby s jedním startem jsou segmenty drážky umístěny přímo vedle sebe a mezi starty u pohonů s kuličkovými šrouby s více starty jsou odpovídající mezery. Typ lze nejsnadněji určit navinutím kabelu:
stoupání je výsledkem vzdálenosti mezi segmentem kabelu a dalším segmentem kabelu, např. 3 mm.
Efekt prokluzu a jak jej minimalizovat
K efektu prokluzu (neboli samovzbuzujícímu vibračnímu systému) dochází, když se dva povrchy střídavě pohybují a spojují, místo aby hladce klouzaly. Uchopovací síla předmětu působí proti váhové síle, s níž má být předmět posunut. Dokud není vyvinuta síla potřebná k překonání uchopovací síly, předmět zůstává zaseknutý a poté se uvolní zvýšenou rychlostí a začne klouzat. Jakmile se dosáhne stavu klouzavého tření a předmět se nadále pohybuje konstantním tlakem, přestává být přilnavý.
Přesto dochází ke klouzavému efektu, který vede k oscilacím a vibracím systému, které jsou obecně nežádoucí. Na rozdíl od lichoběžníkových závitů nebo závitů šroubů, které vykazují statické tření, má samosvorný efekt sotva roli v kulových závitech, protože tyto v podstatě vykazují valivé tření. Pokud však na pohony kuličkových šroubů působí protiskluzový efekt, lze přijmout různá opatření, včetně:
- Použití maziv
- Přesná výroba a výběr materiálu
- Vyhýbání se nadměrnému stresu
- Použití sestav bez axiální vůle nebo s nastavitelnou axiální vůli
- Utažení sestavy pro zvýšení tuhosti
Výpočet životnosti kulových závitů
Životnost pohonů s kuličkovými šrouby lze vypočítat pomocí jmenovitého dynamického zatížení. Je definována celkovým počtem otáček, dobou nebo vzdáleností, po které se povrchy kuličkových ložisek nebo kuličky začnou odlupovat. Následující vzorec platí pro provozní hodiny Lh:
- Lh = životnost v hodinách (h.)
- C = Dynamická zátěž (N): Axiální zatížení, které působí na skupinu stejných kuliček a při kterém je 90 % zkušebních vzorků schopno dosáhnout 1 milionu otáček, aniž by došlo k odlupování valivých ploch
- Pm = průměrná axiální zátěž (N)
- Nm = průměrná rychlost (min -1)
- fw = faktor zatížení, příklady: Provoz bez rázového zatížení fw = 1,0 až 1,2 | Normální provoz fw = 1,2 až 1,5 | Provoz s rázovým zatížením fw = 1,5 až 2,0
Pro životnost jsou obvyklé následující údaje: 10 000 hodin pro průmyslové stroje, 20 000 hodin pro obráběcí stroje, 15 000 hodin pro automatizační zařízení a měřicí přístroje.
Výběr pohonů s kuličkovým šroubem
Výběr vhodného pohonu s kuličkovým šroubem závisí na několika faktorech, včetně požadavků na zatížení, rychlosti, požadavků na přesnost a prostředí, ve kterém se používá. Na strojích CNC zajišťují přesné gravírování a frézování kuličkové šrouby, zatímco 3D tiskárny dosahují přesné kvality tisku po jednotlivých vrstvách. Robotika těží z přesného řízení pohybu spojů, obráběcích nástrojů z vysoce přesných obráběcích procesů.
Nejprve je třeba specifikovat provozní podmínky pohonu kuličkovým šroubem, jako je přesnost polohování, zdvih, rychlost pojezdu, životnost atd. V dalším kroku se provede předběžný výběr pohonu s kuličkovým šroubem na základě přesnosti vedení, axiální vůle a očekávaných zatížení. Nakonec je nutné zkontrolovat přípustnou axiální zátěž, přípustnou rychlost otáčení a očekávanou životnost. Použijte náš proces výběru pro určení velikosti kuličkového šroubu MISUMI. Společnost MISUMI dodává vhodné kuličkové šrouby, které kompenzují spojky a kuličková ložiska pro mnoho použití.
