Kuličkové šroubové pohony – přesnost s pomocí předpětí

Kuličkové šroubové pohony převádějí rotační pohyb na přesný lineární pohyb nebo naopak. Často se používají jako hnací prvek. Přesnost polohování je při používání kuličkových šroubových pohonů velmi důležitá. Jedním ze způsobů, jak zvýšit přesnost polohování kuličkového šroubového pohonu, je snížit vůli mezi vřetenem a maticí s pomocí předpětí. Protože však toto předpětí také mění snadnost pohybu systému, existují kuličkové šroubové pohony s nastavitelným předpětím. Systém může být nastaven z hlediska předpětí do takové míry, že je dosaženo přípustné axiální vůle mezi kulovou maticí a závitovým vřetenem, aniž by byl příliš omezen volný pohyb. Nastavení předpětí může dosáhnout polohové přesnosti v rámci několika mikrometrů. V tomto článku se dozvíte, jak to funguje a jaké jsou třídy přesnosti.

Co je to kuličkový šroubový pohon?

Kuličkové šroubové pohony, nazývaný také recirkulační kuličkový vodicí šroub, převádí rotační pohyb na lineární pohyb. V nejjednodušší formě se kuličkový šroubové pohon skládá z vodicího šroubu a matice. Kuličky se mezi nimi valí v recirkulační dráze, aby se snížilo tření. Složitější systémy se například skládají ze systému s dvojitou maticí nebo mají ochranná zařízení. Kuličkové šroubové pohony jsou vysoce přesné a schopné přenášet vysoké síly s nízkými ztrátami třením, takže jsou ideální pro řízení pohybu v průmyslových aplikacích a strojích, jako jsou CNC stroje nebo roboty. S jejich pomocí lze například velmi přesně umístit upínače obrobku. Správné mazání je nezbytné pro provoz kuličkových šroubových pohonů (více informací o Mazání pohonů kuličkových šroubů – maziva, oblasti použití a obecné informace).

Podrobnější informace o třídách funkce, konstrukce a přesnosti kuličkových šroubových pohonů naleznete v našem článku Pohony s kuličkovými šrouby – funkce / konstrukce / typy / třídy přesnosti.

Co je předpětí?

Nastavení předpětí je chápáno jako účelné zavedení síly do systému nebo komponenty předtím, než je vystavena vnějšímu zatížení. Zaručuje stabilitu a funkční spolehlivost. Předpětí lze aplikovat např. na závitové spoje, pružiny, ložiska olověných šroubů, ale také na kuličkové šroubové pohony.

Kuličkové šrouby jsou obvykle odolné a mají axiální vůli v hnacím ústrojí. Axiální vůle je nevyužitý rozsah pohybu nebo zpětného trhnutí vodicího šroubu, které vzniká mezerou mezi kuličkami ložiska a závitem vodicího šroubu a kolejnicemi v matici se závitem.

Kvůli axiální vůli se kuličkový šroubový pohon přesouvá mezi polohami (+) a (-). U předpětí v jednom směru to ještě nevede k nepřesnosti polohování, protože kuličky jsou přitlačeny k jedné straně okraje závitu. Jakmile však dojde ke změně směru nebo obrácení axiální zátěže, absolutní přesnost polohování již není stanovena.

• F_r = Účinek radiální síly
• M = ohybový moment, např. kvůli špatně zarovnané instalaci

Zavede se předpětí, aby se minimalizoval tento nežádoucí účinek. Při nastavování předpětí je nezbytné vzít v úvahu rozměrové tolerance. Tolerance ložisek nebo závitů jsou nastaveny tak, aby již neexistovala vůle, což optimalizuje přesnost polohování a tuhost systému. Obvykle se zavádí mezi vodicí šroub a dvojitou matici, např. pomocí dvou matic, které jsou vzájemně upnuty. Napětí pružiny mezi maticemi lze obvykle nastavit pomocí závitového kroužku.

Termín předpětí je také definován v normách. Norma JIS 1192 například definuje předpětí jako vnitřní sílu vynaloženou na kuličkové šroubové pohony pomocí skupiny axiálně odsazených ocelových kuliček nebo páru matice ke snížení vůle a zvýšení tuhosti kuličkového šroubového pohonu. Nadměrné předpětí však může například ovlivnit také životnost kuličkového šroubového pohonu. Množství předpětí je proto nutné důkladně zvážit.

Typy předpětí

Obecně existují dva typy předpětí: radiální a axiální. Radiální předpětí je síla působící kolmo na osu otáčení, např. na ložiskové kroužky v valivých ložiscích. Zajišťuje rovnoměrný kontakt mezi valivým ložiskem a oběžnou drážkou. Axiální předpětí je aplikováno podél osy ložiska nebo vřetena a zabraňuje vůli v podélném směru. Axiální předpětí se používá pro kuličkové šroubové pohony.

Důležitost síly předpětí

Použití předpětí má následující výhody:

• Tuhost se zlepšuje, což obratem optimalizuje nosnost a opakovatelnost.
• Životnost se prodlužuje. Je však třeba dbát na to, aby předpětí nebylo příliš vysoké, protože jinak může mít negativní účinek.
• Vibrace a zvuky jsou minimalizovány, což je relevantní například pro aplikace vyžadující tichý pohyb.
• Vůle je minimalizována, což vede k přesnějšímu řízení pohybu a polohování. To je důležité mimo jiné pro CNC stroje nebo robotiku.

Při výpočtu potřebné síly předpětí je třeba vzít v úvahu také požadované třídy tolerance vyráběných komponent (viz třídy Třídy tolerancí v souladu s normou ISO 22081 a DIN ISO 2768: Optimalizované použití obecných tolerancí).

Výpočet síly předpětí

Síla předpětí matice vždy také představuje konstantní zatížení kuličkového šroubového pohonu. Proto je důležité najít předpětí, které zároveň nevyvíjí nadměrný tlak na kuličkový šroubový pohon, zatímco stále plní svůj účel. Za tímto účelem lze vzít v úvahu zejména očekávané provozní zatížení. Síla předpětí může být například vypočtena z dynamické zátěže. To ukazuje, jaké zátěže kuličkový šroubový pohon vydrží, aby se dosáhlo životnosti 1 milion otáček.   Je specifikován výrobcem. Jmenovité hodnoty zatížení jsou například standardizovány v normě ISO 281. U matic kulových šroubů se 4bodovým kontaktem dává 5–8 % dynamické zátěže smysl pro předpětí a 8–10 % pro 2bodový kontakt. Další hodnoty platí pro stanovení v souladu s normou ANSI.

Různé metody nastavení předpětí

Existují různé metody nastavení předpětí, například matice kulových šroubů s nastavitelným předpětím. V této variantě je mezi dvě matice namontována pružina, která stlačuje matice proti levé a pravé straně oběžné drážky vřetena. Předpětí lze dále upravit závitovým kroužkem. Předpětí lze také dosáhnout automaticky pomocí hydraulických systémů. Různé metody jsou podrobně uvedeny níže:

Dvojitá matice s pružinou

Výběr správného napnutí pružiny je pro optimalizaci předpětí zásadní (viz Výběr napínacích a kompresních pružin – přehled / využití / příklady použití). Pružinová dvojitá matice je dobrou volbou pro malé kuličkové šroubové pohony. Dvě matice jsou umístěny v krytu rotačně fixním způsobem, kde jsou od sebe odtlačeny pružinou, která je mezi nimi upnuta. Pružina zajišťuje, že předpětí zůstane vždy stejné, a to i v případě opotřebení nebo z důvodu výrobních tolerancí. Samotné předpětí je také poměrně malé. Nevýhodou pružinové dvojité matice je, že je obecně složitější a větší a vyrovnání je složitější. Síly již nelze přenášet ve všech směrech: pružina má průtažnost, pokud jsou síly nad silou předpětí.

Instalace kuliček s definovanou nadměrnou velikostí

Kuličky lze namontovat s definovanou nadměrnou velikostí, pokud jsou v kuličkovém šroubovém pohonu použity jednotlivé standardní matice.   Výsledkem je tzv. čtyřbodový kontakt mezi čtyřmi body kuličky a matice. To vede k výraznému zvýšení tření.

• (1) Vodicí šroub (příčný řez)
• (2) Matice (příčný řez)

Vzhledem k vysokému tření by se tato metoda měla používat s malým předpětím nebo vůlí. S tímto typem předpětí se trochu zhoršuje účinnost a je vyšší reakce na výrobní tolerance. U obzvláště dlouhých olověných šroubů proto nemá smysl instalovat jednoduché matice s předem nastaveným předpětím. Výhody jsou: účinnost a kompaktní design.

Instalace jedné matice s kompenzací stoupání

Pro jednotlivé matice lze stále zvolit kompenzaci stoupání. To zahrnuje instalaci matice s roztečí závitu, která se mírně odchyluje od vřetena. Tento definovaný ofset způsobuje posun valivých prvků ve vřetenovém závitu, což vede ke dvoubodovému kontaktu. Tato metoda je vhodná pro střední předpětí.

• (1) Vodicí šroub (příčný řez)
• (2) Matice (příčný řez)

Instalace distančního prvku pro dvojité matice

Komplexnější variantou předpětí je instalace dvoumaticového systému s distančním prvkem.

• (1) Vodicí šroub (příčný řez)
• (2) Matice (příčný řez)
• (3) Distanční prvek

Dvě matice se závitem jsou vzájemně upnuty pomocí distančního prvku, což má za následek dvoubodový kontakt. V důsledku toho se velmi málo zvyšuje tření. Axiální vůle je téměř zcela eliminována, což přispívá k tuhosti a přesnosti kuličkového šroubového pohonu. Tato metoda je použitelná pro střední a vysoké předpětí. Distanční prvky umožňují jednoduché nastavení předpětí, a proto jsou vhodné pro variabilní zatížení.