Как подобрать шарико-винтовую передачу и линейную направляющую для одной оси: нагрузка, скорость, точность и размер

A шариковый винтилинейная направляющаявыполнять разные функции на одной оси движения. В этом руководстве объясняется, как подобрать и сопоставить их с учетом нагрузки, скорости, точности, хода, жесткости и условий установки, вместо того, чтобы полагаться на пары фиксированных размеров.

1. Что несет шарико-винтовая передача и что несут линейные направляющие?

ШВП и линейные направляющие работают вместе, но несут одинаковые нагрузки.

ШВП в первую очередь передает осевое усилие. В зависимости от машины это может включать в себя силу ускорения, технологическую силу, сопротивление трения и, по вертикальной оси, вес движущегося узла.

линейные направляющие поддерживают и ограничивают движущуюся конструкцию. Они воспринимают вертикальные и поперечные силы и противостоят моментам тангажа, рыскания и крена, создаваемым нагрузкой, внешними силами и смещением--центра тяжести.

По этой причине шарико-винтовую передачу не следует рассматривать как основной радиальный направляющий элемент оси. Направляющие должны контролировать траекторию движения, а винт в основном обеспечивает движущую силу.

2. Входные данные приложения, необходимые перед определением размеров

Прежде чем выбирать какой-либо компонент, соберите условия эксплуатации всей оси.

Движущаяся масса

Включите все компоненты, которые перемещаются вместе с кареткой, такие как стол, приспособление, заготовка, шпиндель, инструменты и любое оборудование, установленное на движущемся узле.

Внешние силы

Определите режущие, прессующие, зажимающие или другие технологические силы. Направление и точка действия силы важны, поскольку они определяют как осевое усилие ШВП, так и моментные нагрузки на линейную направляющую.

Монтажная ориентация

Определите, является ли ось горизонтальной, вертикальной или наклонной. По горизонтальной оси сила тяжести в основном поддерживается направляющими. На вертикальной оси сила тяжести также становится постоянной осевой нагрузкой на шарико-винтовую передачу и систему привода.

Ход и длина установки

Эффективный ход не равен общей длине винта. Также требуется место для шариковой гайки, опорных узлов, обработки концов вала- и конструкции машины.

Скорость и ускорение

Ускорение создает силу инерции согласно:

F = m × a

Тяжелая ось может создавать значительную тягу даже на умеренной скорости, если ускорение велико.

Требования к точности

Определите точность позиционирования, повторяемость, допустимый люфт или осевой зазор и требуемую жесткость. Класс точности винта должен определяться фактическими требованиями к позиционированию станка, а не просто выбирать наивысший доступный класс.

Рабочий цикл

Часы работы, число циклов в час, расстояние перемещения за цикл и изменение нагрузки — все это влияет на требуемый срок службы как шарико-винтовой передачи, так и линейных направляющих.

3. Размер линейных направляющих с учетом сил, моментов и расстояния между блоками.

Размер линейных направляющих не должен основываться только на общем весе машины.

Например, движущийся узел массой 500 кг создает силу гравитации примерно:

500 × 9.81 = 4,905 N

Если на оси используются два рельса и четыре блока, разделение 4905 Н поровну между четырьмя блоками дает лишь идеализированное статическое значение. Реальные машины часто имеют смещенный центр тяжести или внешние силы, создающие моменты.

Поэтому при выборе руководства следует учитывать:

• расстояние между рельсами-между-рельсами;
• интервал между блоками-до-блоков;
• центр-высоты-гравитации;
• продольное и поперечное расположение нагрузки;
• направление внешней силы;
• моменты качки, рыскания и качки.

Увеличение расстояния между рельсами обычно улучшает сопротивление моментам качения, а увеличение продольного расстояния между блоками может улучшить сопротивление моментам тангажа и рыскания.

После расчета распределения нагрузки проверьте номинальную динамическую и статическую нагрузку, указанную производителем направляющей, допустимые моменты и требуемый срок службы.

4. Подберите шарико-винтовую передачу с учетом осевого усилия, срока службы, коробления и критической скорости.

Требуемое осевое усилие

Для горизонтальной оси требуемое усилие винта можно оценить по силе ускорения, внешней технологической силе и механическому сопротивлению.

F_общий = F_{ускорение} + F_{процесс} + F_{сопротивление}

Для вертикальной оси также необходимо учитывать гравитацию. Одна только вертикальная движущаяся масса массой 500 кг создает примерно 4905 Н гравитационной нагрузки до добавления ускорения и технологических сил.

Срок службы шарико-винтовой передачи

Срок службы шарико-винтовой передачи зависит от соотношения между номинальной динамической нагрузкой винта и эквивалентной осевой рабочей нагрузкой. Вместо использования только максимальной силы следует учитывать фактический спектр нагрузки.

коробление

Длинные ШВП, подвергающиеся сжимающей нагрузке, необходимо проверить на коробление. Важные факторы включают диаметр основания винта, длину без опоры, расположение опоры и силу сжатия.

Критическая скорость

Скорость вращения длинных вращающихся винтов также должна оставаться ниже допустимой критической скорости. Требуемая частота вращения шнека зависит от линейной скорости и шага шнека.

Увеличение шага может снизить скорость вращения винта при той же скорости линейного перемещения, но также изменяет крутящий момент двигателя, механическое преимущество и разрешение позиционирования. Поэтому диаметр и шаг следует выбирать вместе.

5. Точность соответствия, предварительная нагрузка и жесткость.

Сама по себе грузоподъемность не определяет, правильно ли подобраны винт и направляющие. Полная ось также должна обеспечивать требуемую точность и жесткость.

Точность ШВП

Выберите класс точности ШВП в соответствии с перемещением оси, допуском позиционирования, стратегией управления и общим балансом погрешностей станка.

Предварительная загрузка

Предварительная нагрузка шарико-винтовой передачи может уменьшить осевой зазор и повысить жесткость, а предварительная нагрузка направляющей может уменьшить смещение при изменении нагрузки. Однако чрезмерная предварительная нагрузка увеличивает трение, выделение тепла и чувствительность к ошибкам установки.

Цель не состоит в том, чтобы везде указывать максимальную предварительную нагрузку или максимальную точность. Винт, направляющие, опорные подшипники, муфта, монтажные поверхности и рама машины должны быть выбраны как одна механическая система.

6. Проверьте выравнивание винта и направляющей и геометрию установки.

Даже компоненты правильного размера могут работать плохо, если винт и направляющие установлены с чрезмерным смещением.

К важным факторам установки относятся:

• монтаж на рельсе-прямолинейность поверхности;
• параллельность между направляющими;
• центровка ШВП;
• поддержка-выравнивания подшипников;
• точность крепления шариковой гайки;
• жесткость движущейся каретки.

Плохая центровка может привести к увеличению крутящего момента привода, нагреву и износу, одновременно снижая срок службы и эффективность позиционирования. Предварительно загруженные системы обычно предъявляют более высокие требования к точности установки.

7. Рабочий пример: горизонтальная ось автоматизации весом 500 кг.

Рассмотрим предварительную горизонтальную ось автоматизации со следующими требованиями:

Шаг 1: Рассчитайте силу инерции

При ускорении 1,0 м/с²:

F = 500 × 1.0 = 500 N

Это только сила ускорения. Необходимо еще добавить технологическую силу и механическое сопротивление.

Шаг 2. Рассчитайте направляющую нагрузку

Направляющая система выдерживает статический вес примерно 4905 Н. Однако нагрузку на отдельные блоки невозможно подтвердить, пока не известны расстояние между рельсами, расстояние между блоками и положение--массы.

Шаг 3: Выберите расположение направляющих

Рассчитайте силы и моменты, действующие на каждый блок, используя фактическую геометрию машины, затем выберите серию направляющих и конфигурацию блока, которые обеспечивают требуемую грузоподъемность, моментную нагрузку, жесткость и срок службы.

Шаг 4: Выберите шарико-винтовую передачу

Определите необходимое осевое усилие, а затем проверьте диаметр винта, ход винта, допустимую динамическую нагрузку, ожидаемый срок службы, критическую скорость и устойчивость, где это применимо.

В этом примере намеренно не указан размер фиксированного винта или направляющей, поскольку отсутствующие данные о геометрии и силе процесса-могут существенно изменить окончательный выбор.

8. Распространенные ошибки сопоставления

Использование фиксированного винта-в-таблице размеров направляющей

Не существует универсального--соотношения "один к одному" между диаметром ШВП и размером линейной направляющей.

Выбор направляющих только по весу машины

Смещение--центра тяжести и внешние моменты могут создавать гораздо более высокие нагрузки на отдельные блоки, чем предполагает простой расчет веса.

Выбор ШВП только по грузоподъемности

Винт может иметь достаточную осевую нагрузку, но при этом не соответствовать критическим требованиям к -скорости, изгибу, шагу или длине установки-.

Игнорирование ускорения

Ускорение может создавать значительные осевые и моментные нагрузки, особенно на тяжелых и-осях с большим циклом вращения.

Использование шарико-винтовой передачи в качестве руководства

Линейные направляющие должны контролировать траекторию движения. Шарико-винтовая передача должна в основном передавать осевую движущую силу.

Указание чрезмерной предварительной нагрузки

Больше преднагрузки не всегда лучше. Чрезмерная предварительная нагрузка увеличивает трение, нагрев и чувствительность к ошибкам монтажа.

9. Контрольный список запросов цен на комплектную шарико-винтовую передачу и систему линейных направляющих

Для предварительного выбора ШВП и линейной направляющей предоставьте:

• Движущаяся масса и внешняя технологическая сила
• Горизонтальный, вертикальный или наклонный монтаж
• Эффективный ход
• Максимальная скорость и ускорение
• Точность и повторяемость позиционирования
• Ежедневные часы работы и частота циклов
• Доступная установочная длина ШВП
• Количество рельсов и блоков
• Расстояние между рельсами и расстояние между блоками
• Положение центра--тяжести, если доступно.
• Рабочая среда
• Прототип и объем производства

Чертеж машины или простая схема расположения осей особенно полезны, когда нагрузка смещена от осевой линии направляющей.

Заключение

Подбор шарикового винта и линейной направляющей – это не вопрос сочетания двух размеров по каталогу.

Линейные направляющие следует выбирать в соответствии с силами, моментами, распределением нагрузки, геометрией и требуемым сроком службы. ШВП следует выбирать в соответствии с осевым усилием, сроком службы, диаметром, шагом, критической скоростью, требованиями к короблению и расположению.

Затем окончательную комбинацию следует проверить как всю систему на жесткость, точность, соосность и условия установки.

← Вернуться назад на Блог DLY