Влияет ли демпфирование шариковой гайкой на производительность? Объяснение вибрации, предварительной нагрузки и жесткости.

Демпфирование шариковой гайки может повлиять на динамические характеристики ШВП, но легко неправильно понять, что это значит. В большинстве инженерных применений шариковая гайка не имеет простого автономного «рейтинга демпфирования», который определяет, будет ли машина вибрировать.

Вместо этого вибрация исходит от всей системы подачи и привода. Контакт между шариками и дорожками качения, предварительная нагрузка гайки, смазка, опорные подшипники, жесткость винтового вала, муфта, подвижный стол, конструкция машины и сервоуправление - все это может влиять на то, как вибрация генерируется, передается и рассеивается.

По этой причине, когда ось ЧПУ вибрирует или резонирует, выбора шариковой гайки, описываемой просто как имеющая «более высокое демпфирование», обычно недостаточно. Инженеры должны сначала определить, является ли реальная проблеманедостаточная жесткость, чрезмерная предварительная нагрузка, трение, резонанс, плохая центровка или вибрация конструкции..

Что означает демпфирование в шарико-винтовой передаче?

Ось механической подачи в упрощенном виде можно представить как систему масса-пружина-демпфер:

В этой упрощенной моделимпредставляет собой движущуюся массу,кпредставляет жесткость системы, испредставляет собой эффективное демпфирование. Термин демпфирования описывает механизмы, которые рассеивают часть энергии вибрации вместо того, чтобы позволять этой энергии продолжать колебаться между инерцией и упругой деформацией.

Важным моментом является то, что коэффициентсобычно не исходит только от шариковой гайки. Реальная ось подачи ЧПУ содержит множество интерфейсов. Контакт качения внутри гайки, смазка, уплотнения, подшипники, конструктивные соединения и компоненты машины могут способствовать измерению динамического отклика.

Сервоуправление также может обеспечивать активное подавление вибрации. Таким образом, демпфирование, измеренное по всей оси машины, — это не то же самое, что свойство материала корпуса шариковой гайки.

Демпфирование и жесткость — не одно и то же

Это различие особенно важно, поскольку при обсуждении характеристик ШВП часто смешивают демпфирование и жесткость.

Жесткость описывает, насколько система упруго деформируется при приложении нагрузки. Если шариковая гайка имеет высокую осевую жесткость, заданная осевая сила вызывает меньшее смещение. Это непосредственно важно для стабильности позиционирования, реакции резания и устойчивости к реверсированию нагрузки.

Затухание описывает, как быстро рассеивается энергия колебаний после возбуждения системы. Таким образом, система может быть очень жесткой, но иметь относительно низкое демпфирование или иметь большее демпфирование, но не обязательно быть очень жесткой.

Эти параметры взаимодействуют, но их не следует рассматривать как взаимозаменяемые.

Как преднатяг шариковой гайки влияет на вибрацию?

Предварительная нагрузка гораздо полезнее, чем «демпфирование», как практическая характеристика шариковой гайки. Шариковая гайка с предварительным натягом обеспечивает контролируемый контакт между шариками и противоположными поверхностями дорожек качения, уменьшая осевой зазор и увеличивая осевую жесткость.

Когда ось меняет направление или испытывает изменяющиеся силы резания, недостаточная жесткость может привести к большему упругому движению. Это может привести к ухудшению реакции на позиционирование и изменению собственных частот всей системы подачи-привода.

Увеличение предварительной нагрузки может повысить жесткость и уменьшить потери хода, но это не означает, что максимальная предварительная нагрузка обеспечивает наилучшие характеристики вибрации. Дополнительная предварительная нагрузка увеличивает внутреннюю силу контакта между шариками и дорожками качения. В результате обычно также увеличиваются динамический крутящий момент, трение и нагрев.

Это создает важный инженерный компромисс. Машине необходим достаточный предварительный натяг для достижения необходимой жесткости и контроля люфта, но чрезмерный предварительный натяг может увеличить температуру, нагрузку на двигатель и износ, не обеспечивая полезного улучшения производительности машины.

DLYнаправляющая предварительной нагрузки шариковой гайкиобъясняет эту связь более подробно.

Больше трения не означает автоматически лучшее демпфирование

Может возникнуть соблазн подумать, что если трение рассеивает энергию, то шариковая гайка с большим трением должна лучше подавлять вибрацию. Для систем точного движения этот вывод слишком прост.

ШВП ценна именно тем, что контакт качения обеспечивает высокую эффективность передачи и низкое трение по сравнению со скользящим винтом. Искусственное увеличение внутреннего сопротивления не является желательным методом борьбы с вибрацией.

Чрезмерное трение может вызвать повышение температуры, увеличить потребность в крутящем моменте сервопривода и сделать низкоскоростное движение менее равномерным. Тепловое расширение винта может привести к дополнительной ошибке позиционирования, особенно на длинных прецизионных осях.

Современные разработки ШВП часто идут в противоположном направлении: производители стараются поддерживать высокую жесткость гайки, одновременно снижая ненужный момент динамического трения. Это позволяет системе подачи оставаться жесткой, не платя за это в полной мере за счет выделения тепла и потерь энергии.

Как смазка влияет на динамическое поведение?

Смазка изменяет условия контакта между шариками и дорожками качения и, следовательно, влияет на рабочий крутящий момент, температуру, шум и вибрацию. Правильно смазанная гайка позволяет шарикам плавно циркулировать, в то же время достаточно разделяя контактные поверхности, чтобы уменьшить износ.

Когда смазки становится недостаточно, сопротивление качению становится менее стабильным. Шум может увеличиться, а локальное взаимодействие металлов с металлами может ускорить повреждение дорожек качения. Поврежденная или загрязненная дорожка качения может затем генерировать периодическую вибрацию каждый раз, когда пораженный участок проходит через нагруженную зону.

Слишком много смазки может создать другую проблему. При более высоких скоростях вращения избыток смазки может увеличить сопротивление взбалтыванию внутри гайки и системы возврата шарика, увеличивая динамический крутящий момент и температуру.

Вот почему смазку следует выбирать в зависимости от скорости, нагрузки, конструкции гайки, рабочей температуры и рабочего цикла. Его не следует использовать как способ преднамеренного добавления «демпфирования».

Контролирует ли материал шариковой гайки демпфирование?

Для стандартных промышленных шариковых винтов корпус шариковой гайки в первую очередь выбирается и подвергается термообработке, чтобы обеспечить необходимую прочность, твердость дорожек качения, износостойкость и усталостную долговечность. Выбор материала обычно не основан на попытке превратить тело гайки в поглотитель вибрации.

В стандартных сериях шариковых гаек DLY, таких как SFU, DFU, SFE и SFS, используются конструкции гаек из закаленной легированной стали в соответствии с соответствующей спецификацией продукта. Например, DLY обычно используетЛегированная сталь 20CrMoдля шариковых гаек.

Контакт качения происходит между закаленными стальными шариками и прецизионными дорожками качения. В результате общий динамический отклик гораздо больше зависит от контактной системы, предварительного натяга, опорной конструкции и сборки машины, чем от описания самого корпуса стальной гайки как «материала с высоким демпфированием».

Именно поэтому замена одной стальной шариковой гайки на другую аналогичного размера не решит автоматически проблему вибрации машины, пока не будет идентифицирован истинный источник вибрации.

Почему конструкция циркуляции шариков имеет большее значение для шума и плавности хода

Хотя неправильно называть одну конструкцию циркуляции просто «высоким демпфированием», внутренний обратный путь действительно влияет на плавность и шум на высоких скоростях.

Во время работы шарики покидают нагруженную дорожку качения, проходят через систему возврата и снова попадают в зону нагрузки. Переход меняет направление и скорость шаров. На более высокой скорости плохая геометрия перехода может увеличить удар и шум.

Вот почему некоторые серии гаек разработаны с учетом более плавной циркуляции шариков или работы с низким уровнем шума. Например, в гайках DLY SFS используется циркуляционная конструкция с торцевой крышкой, и они предназначены для применений, где важны компактный размер, плавность хода и низкий уровень рабочего шума.

Это следует описать какциркуляция мяча и шумовые характеристики, а не в качестве доказательства того, что гайка имеет особый высокий коэффициент демпфирования.

Обеспечивает ли двойная шариковая гайка большее демпфирование?

Двойная гайка DFU имеет две секции гайки и может иметь предварительный натяг для уменьшения осевого зазора и увеличения осевой жесткости. Это делает ее полезной для машин, которым требуется лучший контроль люфта и большая жесткость, чем стандартная гайка с зазором.

Однако основной инженерной причиной выбора DFU являетсяпреднатяг и жесткость, а не специальное демпфирующее свойство.

Более жесткая система подачи может изменить свои резонансные частоты и уменьшить упругое смещение при воздействии переменных сил. Это может улучшить динамические характеристики машины, но это не следует называть гайкой DFU, «поглощающей вибрацию».

Если машина страдает от вибрации или вибрации сервопривода, переход от SFU к DFU без проверки всей системы может не решить проблему. Опорные подшипники, конструкция крепления, длина винта, муфта, направляющие и настройка сервопривода по-прежнему могут доминировать в динамическом отклике.

Увеличивает ли демпфирование грузоподъемность шариковой гайки?

Не напрямую.

Грузоподъемность шариковой гайки в первую очередь представлена ​​такими параметрами, как ее базовая динамическая грузоподъемность и базовая статическая грузоподъемность. Эти значения зависят от внутренней геометрии, размера шарика, количества нагруженных цепей, материала и конструкции дорожки качения.

Поэтому демпфирование не следует использовать для оправдания более высокой допустимой нагрузки.

Динамическая вибрация, безусловно, может создавать дополнительные или колебательные силы в машине. Уменьшение сильной вибрации может снизить эти нежелательные динамические нагрузки, но это не то же самое, что сказать, что большее демпфирование изменяет каталожную номинальную нагрузку шариковой гайки.

Для селекционной работы сравнитеCa, C0a, рабочая нагрузка, эквивалентная динамическая нагрузка, предварительная нагрузка и требуемый срок службы.вместо того, чтобы пытаться оценить грузоподъемность по характеристикам демпфирования.

Что на самом деле вызывает вибрацию в оси шарико-винтовой передачи?

Когда ось вибрирует, шариковая гайка является лишь одним из возможных факторов. В системах с длинными ШВП скорость вращения, приближающаяся к критической скорости винта, может вызвать биение вала и сильную боковую вибрацию. В других машинах несоосные опорные корпуса или эксцентриковая муфта создают периодическое возбуждение один раз за оборот винта.

Предварительная нагрузка и смазка могут изменить реакцию на вибрацию, но жесткость опоры и жесткость рамы машины могут быть не менее важны. Гибкий кронштейн гайки может деформироваться, даже если сама гайка имеет высокую осевую жесткость, а незакрепленное соединение машины может создать гораздо большее структурное движение, чем упругая деформация внутри шариковой гайки.

Настройка сервоприводов создает еще один слой. Механически стабильная ось ШВП все еще может колебаться, если усиление сервопривода плохо взаимодействует с механическими резонансами оси. И наоборот, подходящее управление может обеспечить активное гашение вибрации без замены самой шариковой гайки.

Вот почему статья DLY овысокоскоростная вибрация ШВПрассматривает вибрацию как проблему системного уровня, включающую скорость, жесткость, установку, предварительную нагрузку, смазку и конструкцию машины.

Как определить, способствует ли шариковая гайка вибрации?

Самая полезная подсказка — как вибрация меняется в зависимости от положения винта и скорости вращения.

Если вибрация возникает при каждом обороте винта, независимо от положения гайки, необходимо проверить биение вала, изгиб винта, соосность муфты или эксцентриситет подшипника. Если вибрация становится намного сильнее только при одной определенной скорости вращения, может возникнуть структурный или винтовой резонанс.

Проблема, более непосредственно связанная с гайкой, может проявляться по-другому. Аномальный шум или крутящий момент могут перемещаться вместе с гайкой вдоль винта, усиливаться в районе поврежденной дорожки качения или появляться вместе с чрезмерной температурой гайки. Неравномерный динамический крутящий момент может также указывать на загрязнение, проблемы со смазкой, неправильный предварительный натяг или повреждение дорожки качения.

Можете ли вы измерить демпфирование шариковой гайки напрямую?

В ходе исследований и разработок машин демпфирование можно определить с помощью динамических испытаний, таких как измерения частотной характеристики, испытания на удар или затухание вибрации. Инженеры могут моделировать привод подачи ШВП и оценивать эффективные параметры жесткости и демпфирования на основе измеренной реакции.

Это полезно при разработке высокопроизводительной оси подачи с ЧПУ, но отличается от обычной закупки ШВП.

При выборе обычной шариковой гайки покупатели с гораздо большей вероятностью получат полезные характеристики осевой жесткости, момента предварительного натяга, номинальной нагрузки, точности, допустимой скорости и геометрии размеров, чем отдельный коэффициент демпфирования.

Если демпфирование или характеристики собственной частоты имеют решающее значение для проекта станка, в идеале следует протестировать всю ось в собранном состоянии. Значение демпфирования, измеренное на изолированном компоненте, может неточно предсказать реакцию после того, как гайка установлена ​​на каретке и соединена с винтом, опорными подшипниками и конструкцией машины.

Что следует оптимизировать для системы шарико-винтовой передачи с низким уровнем вибрации?

Вместо того, чтобы искать шариковую гайку с «максимальным демпфированием», начните с того, что привод подачи имеет достаточную и предсказуемую жесткость. Выберите диаметр винта и расположение опоры так, чтобы вал не работал вблизи критической области скорости, и используйте достаточный предварительный натяг, чтобы контролировать люфт и упругое смещение, не создавая чрезмерного крутящего момента и нагрева.

Гаечный кронштейн и корпуса подшипников также нуждаются в достаточной жесткости. Шариковая гайка высокой жесткости, установленная на гибком кронштейне, не может обеспечить ожидаемую жесткость системы. Фиксированные и поддерживаемые концы должны быть правильно выровнены, чтобы винт не подвергался постоянному нежелательному радиальному усилию.

Затем смазку следует выбирать с учетом фактической скорости, нагрузки и рабочего цикла. Наконец, после того, как механическая конструкция станет стабильной, параметры сервопривода можно будет настроить в соответствии с реальной механической реакцией машины.

Как выбрать между SFU, DFU, SFE и SFS?

DLY поставляет несколькосерия с шариковой гайкой, но их следует выбирать в соответствии с их фактической конструкцией и требованиями к машине, а не предполагаемым уровнем демпфирования.

SFU — это стандартный вариант с одной гайкой с фланцем, используемый во многих общих системах ЧПУ и автоматизации. В DFU используется конструкция с двумя гайками, и ее выбирают, когда важны повышенная жесткость и уменьшенный осевой зазор. SFE фокусируется на приложениях с большим шагом, где требуется больший линейный ход на один оборот винта, в то время как SFS использует компактную бесшумную конструкцию, предназначенную для более плавного и малошумного движения в подходящих приложениях.

Эти различия могут повлиять на динамическое поведение машины, но они происходят черезпреднатяг, жесткость, циркуляция шариков, ход, размер и рабочий крутящий момент. Они не должны продаваться как четыре разных «степеня демпфирования».

Пример: ось ЧПУ вибрирует при изменении направления

Рассмотрим ось подачи ЧПУ, которая стабильна на постоянной скорости, но кратковременно вибрирует при изменении направления на противоположное.

Может возникнуть соблазн сделать вывод, что шариковая гайка нуждается в большем демпфировании. Лучший диагностический подход — сначала измерить осевой зазор и проверить состояние предварительного натяга. Если гайка имеет чрезмерный зазор, реверс может привести к потере движения до того, как шарики перенесут нагрузку в противоположное направление контакта с дорожкой качения.

Если зазор уже контролируется, дальнейшее увеличение преднатяга может не решить проблему. Следующие проверки должны включать жесткость опоры, жесткость гайки-скобы и реакцию сервопривода. Гибкий кронштейн может позволить столу раскачиваться после реверса, даже если сама шариковая гайка имеет правильный предварительный натяг.

Если система нагревается после увеличения предварительной нагрузки, модификация может фактически ухудшить точность позиционирования, поскольку дополнительное трение нагревает винт и изменяет его эффективную длину.

Этот пример иллюстрирует, почему «увеличение демпфирования» не является достаточно точным инженерным решением.

Какую информацию следует предоставить, если вибрация вызывает беспокойство?

Для новой машины наиболее полезная информация включает диаметр и ход винта, общую длину винта, ход, расположение опоры, движущуюся массу, осевую нагрузку, максимальную скорость, ускорение, требуемую точность позиционирования и ожидаемый рабочий цикл.

Для существующей проблемы с вибрацией также опишите частоту или скорость, с которой возникает вибрация, меняется ли она в зависимости от положения гайки, возникает ли она при постоянной скорости или реверсе, а также нагреваются ли гайка или опорные подшипники. Короткое видео вместе с измерениями тока двигателя, температуры или вибрации часто может дать гораздо больше информации, чем просто сказать, что шариковая гайка имеет «плохое демпфирование».

В таких условиях эксплуатации шариковую гайку можно оценивать вместе с винтовым валом, подшипниками, муфтой и конструкцией машины, а не как изолированный компонент.

Заключение

Демпфирование действительно влияет на вибрационную реакцию привода подачи ШВП, но «демпфирование шариковой гайки» не следует рассматривать как простую отдельную характеристику производительности.

Шариковая гайка вносит свой вклад в динамическую систему благодаря своей контактной жесткости, предварительной нагрузке, трению, смазке и циркуляционным свойствам. Однако полная реакция демпфирования также зависит от винтового вала, опорных подшипников, кронштейна с гайками, конструкции машины и системы управления.

Для практического выбора шариковой гайки такие параметры, какосевая жесткость, предварительная нагрузка, динамический момент, номинальная нагрузка, допустимая скорость и точностьобычно более полезны, чем неопределенное значение демпфирования.

Если вибрация является реальной проблемой, сначала определите источник вибрации. Увеличение трения или предварительной нагрузки просто для создания более очевидного демпфирования может увеличить нагрев и износ, не устраняя при этом основной резонанс.

← Вернуться назад на Блог DLY