En kuleskrue og et tannstang-og-drevsystem kan begge konvertere motorrotasjon til lineær bevegelse, men de oppfører seg ikke på samme måte når bevegelseslengden, hastigheten og skjærekraften øker. Kuleskruer velges vanligvis for nøyaktig matebevegelse, lav friksjon og kontrollert tilbakeslag. Tannstang-og-drev vurderes ofte for lange CNC-freseakser der høy kjørehastighet er nødvendig og en roterende skrue vil bli vanskelig å kontrollere.
Ingen av transmisjonssystemene bærer maskinbordet av seg selv. De lineære føringene støtter den bevegelige lasten og kontrollerer kjøreretningen, mens kuleskruen eller tannstangen-og-drevet gir kraften som beveger aksen. Å velge mellom de to krever derfor å evaluere hele aksen i stedet for å sammenligne bare skruen og stativet.
For mange kompakte og mellomstore CNC-maskiner er en riktig valgt kuleskrue fortsatt en effektiv løsning. For en lang portalakse som måler flere meter kan imidlertid kritisk hastighet, skruepisk og støttearrangement gjøre tannstang og tannstang mer praktisk. Riktig valg avhenger av slag, rask-travershastighet, skjærenøyaktighet, bevegelig masse, installasjonsforhold og vedlikeholdsevne.
Hvordan de to CNC-drivsystemene fungerer
I en konvensjonell kuleskrueakse roterer motoren skrueakselen gjennom en kopling eller removerføring. Resirkulerende kuler ruller mellom skrue- og mutterløpene, noe som får mutteren og det vedlagte maskinbordet til å bevege seg lineært. Rullekontakt gir høy mekanisk effektivitet og lar systemet overføre betydelig aksialtrykk med relativt lav friksjon.
I en tannstang-og-drevakse er tannstangen festet langs maskinrammen mens motoren roterer et tannhjul som går i inngrep med tannstangtennene. Tannhjulet og motoren beveger seg normalt med den bevegelige portalen eller vognen. Fordi stativet støttes kontinuerlig langs rammen, har ikke systemet en lang roterende aksel som kan piske med sin naturlige frekvens.
Denne strukturelle forskjellen blir stadig viktigere ettersom aksen blir lengre. En kuleskrue støttes hovedsakelig gjennom endelagrene og kan synke eller vibrere mellom disse støttene. Et stativ er montert langs lengden, men nøyaktigheten avhenger av tannkvalitet, girinngrep, skjøteinnretting, smøring og kontrollmetoden for tilbakeslag-.
Ball Screw vs Rack and Pinion: Hovedforskjeller
| Seleksjonsfaktor | Ball skrue | Tannstang |
|---|---|---|
| Typisk styrke | Nøyaktig matebevegelse, høy skyvekraft og kontrollert tilbakeslag | Lang vandring og høy lineær hastighet uten skruepisk |
| Slag | Vanligvis praktisk for korte og mellomlange reiser; lang reise krever nøye hastighetsverifisering | Godt egnet til lange maskinakser fordi reolseksjoner kan skjøtes |
| Fartsbegrensning | Påvirkes av skrukritisk hastighet, mutterhastighetsgrense og støttearrangement | Ikke begrenset av den kritiske hastigheten til en lang roterende skrue |
| Tilbakeslag | Kan reduseres gjennom forspenning eller en passende mutterstruktur | Avhenger av tannkvalitet, pinjonginngrep og forspenningsmekanisme |
| Posisjoneringsnøyaktighet | Tilgjengelig i definerte potensielle-nøyaktighetskarakterer | Avhenger av rackets stigningsnøyaktighet, rackskjøter, girkvalitet og tilbakemeldingskontroll |
| Forurensning | Løpebaner og ballsirkulasjon må beskyttes mot spon og støv | Eksponerte tenner krever også rengjøring og smøring, spesielt rundt slipestøv |
| Vedlikehold | Smøring, tetninger, justering, støttelagre og muttertilstand | Tannsmøring, girinngrep, tannstangskjøter, slitasje og justering av tilbakeslag |
| Typiske bruksområder | CNC mateakser, Z-akser, maskineringssentre og presisjonsautomatisering | Store CNC-rutere, plasmamaskiner og lange portalsystemer |
Hvorfor reiselengde er viktig for en kuleskrue
En kuleskrue kan ikke velges fra diameter og bly alene. Når den ustøttede avstanden mellom lagrene øker, faller den kritiske rotasjonshastigheten raskt. Nær den kritiske hastigheten kan akselen begynne å piske, og produsere vibrasjoner, støy, lagerbelastning, ustabil posisjonering og mulig skade på muttersirkulasjonssystemet.
Et ofte brukt foreløpig metrisk forhold er:
ncr = K × dr × 107 ÷ L2
hvor ncrer den estimerte kritiske hastigheten i rpm, drer skruerotdiameteren i millimeter, L er den ikke-støttede lengden mellom lagerstøttene i millimeter, og K er en ende-støttefaktor.
Den nøyaktige faktoren og sikkerhetsgrensen bør hentes fra den valgte produsentens beregningsmetode. Representative foreløpige faktorer er omtrent 3,9 for faste-gratis, 12,1 for støttede-støttede, 18,7 for faste-støttede og 27,2 for faste-faste arrangementer. Disse faktorene skal ikke behandles som en erstatning for kuleskrueprodusentens endelige verifisering.
Det viktige forholdet er den kvadratiske lengden. Hvis den ustøttede lengden øker mens diameter og støttearrangement forblir uendret, reduseres den kritiske hastigheten proporsjonalt med 1/L². Å øke kjørelengden fra 1 meter til 2 meter halverer ikke bare tillatt hastighet; den estimerte kritiske hastigheten faller til omtrent en-kvart.
For mer detaljer om denne begrensningen, sehvordan unngå kuleskruens kritiske hastighet.
Langt-eksempel på reiseberegning
Vurder en foreløpig CNC-akse med en kuleskrue med følgende antatte verdier:
- Rotdiameter: 25 mm
- Bly: 10 mm/omdreining
- Avslutt støtte: fast-støttes
- Støttefaktor brukt til foreløpig beregning: 18.7
Eksempel A: 2000 mm Ustøttet lengde
ncr = 18.7 × 25 × 107 ÷ 2,000²
ncr≈ 1.169 rpm
Teoretisk lineær hastighet=1,169 × 10 ≈ 11,69 m/min
Maskinen skal normalt ikke kjøre kontinuerlig med den beregnede kritiske hastigheten. Hvis det benyttes en foreløpig sikkerhetsgrense på 80 %, blir skruhastigheten ca. 935 rpm og den tilsvarende lineære hastigheten er ca. 9,35 m/min.
Eksempel B: 3000 mm Ustøttet lengde
ncr = 18.7 × 25 × 107 ÷ 3,000²
ncr≈ 519 rpm
Teoretisk lineær hastighet=519 × 10 ≈ 5,19 m/min
Ved 80 % av denne foreløpige verdien er den tilsvarende lineære hastigheten bare ca. 4,15 m/min. Eksemplet viser hvorfor en skrue som er egnet for en akse på 2-, kanskje ikke oppfyller den nødvendige hurtiggående hastigheten etter at den ikke-støttede lengden øker til 3 meter.
Dette etablerer ikke en universell 2-meter eller 3-meters skillelinje. En større rotdiameter, høyere bly, fast fast støtte, roterende mutterdesign eller mellomstøttestrategi kan endre resultatet. Det endelige valget må også kontrollere DN-verdi, mutterhastighet, aksiallast, knekking, akselerasjonsmoment, termisk ekspansjon og bæreevne.
Hvor kuleskruer har en fordel
En kuleskrue er ofte det sterkere valget når en CNC-akse krever kontrollert mating, høy skyvekraft og stabil reverseringsnøyaktighet over et kort eller middels slag. Skrueledningen er produsert i henhold til en nøyaktighetsklasse, slik at maskindesignere kan relatere kommandert rotasjon til forventet lineær bevegelse.
Forhåndsbelastede kulemutterstrukturer kan redusere aksial klaring og forbedre stivheten når bevegelsesretningen reverserer. Dette er spesielt nyttig på maskineringsakser der tilbakeslag kan påvirke hullposisjon, konturnøyaktighet og overflatefinish. Den rullende -kontaktdesignen gir også høy overføringseffektivitet, slik at motoren kan konvertere dreiemoment til aksial kraft med relativt lav friksjon.
Kuleskruer brukes ofte på CNC Z-akser fordi slaget normalt er kortere enn hovedportalens vandring og aksen krever nøyaktig dybdekontroll. En vertikal kuleskrueakse må fortsatt inkludere en passende motorbrems, motvekt eller annet sikkerhetstiltak fordi en kuleskrue ikke bør antas å være selvlåsende.
Kuleskruer kan også foretrekkes for kompakte X- og Y-akser, metall-skjærematingssystemer, boremaskiner, presisjonsplasseringsbord og automatiseringsutstyr der skyvekraft og posisjoneringsstabilitet er viktigere enn ekstremt lang vandring.
Hvor tannstang har en fordel
Tannstang-og-pinjongsystemer blir attraktive når maskinen har en lang akse og må opprettholde en høy rask-travershastighet. Stativet er kontinuerlig festet til maskinrammen, så å øke lengden skaper ikke det samme roterende-akselkritiske-hastighetsproblemet som finnes i en konvensjonell kuleskrue.
Rackseksjoner kan også settes sammen for å skape lang vandring uten å produsere og transportere en ekstremt lang roterende skrue. Dette er nyttig for store trebearbeidingsrutere, panel-behandlingsmaskiner, plasmabord og annet portalutstyr med vandring målt i flere meter.
Tannstang bør imidlertid ikke automatisk beskrives som unøyaktig. Et riktig produsert og installert presisjonsstativsystem kan gi god posisjoneringsytelse. Resultatet avhenger av tannstangstigningsnøyaktighet, pinjongkvalitet, tanninngrep, forhåndsbelastning eller delt-pinjongarrangement, reduksjonsslipp, tannstang-leddjustering og tilbakemeldingskontroll.
Omvendt kan et stativ med lav-kvalitet eller dårlig installert rack utvikle ujevn tilbakeslag og posisjoneringsvariasjoner langs aksen. Maskindesigneren må vurdere hele drivverket, ikke bare anta at hvert stativsystem er egnet for lang, nøyaktig bevegelse.
Nøyaktighet, repeterbarhet og tilbakeslag er ikke det samme
Nøyaktighet beskriver hvor godt den faktiske akseposisjonen samsvarer med den beordrede posisjonen. Repeterbarhet beskriver hvor konsekvent aksen går tilbake til samme posisjon under de samme forholdene. Tilbakeslag er den tapte bevegelsen som kan oppstå når stasjonen reverserer retningen.
En kuleskrue kan ha god ledningsnøyaktighet, men likevel vise reverseringsfeil hvis mutteren har klaring, støttelagrene har aksialt slør eller koblingen er løs. Et tannstang-og-drev kan gjenta en posisjon konsekvent, men likevel inneholde en systematisk pitchfeil under hele vandringen.
Endelig CNC-nøyaktighet påvirkes også av:
- Lineær guidejustering og monterings-overflatenøyaktighet
- Maskin-stivhet
- Motor- og koderoppløsning
- Girkasse eller koblingsspill
- Termisk ekspansjon
- Gantry firkantethet
- Kontroller kompensasjon og tuning
- Skjærende-kraftdeformasjon
Av denne grunn kan ikke bytte fra tannstang og tannhjul til en kuleskrue automatisk korrigere en svak ramme eller dårlig justert føringsvei. Transmisjonssystemet er bare en del av hele nøyaktighetskjeden.
Belastning og stivhet: Hva hver stasjon faktisk bærer
De lineære føringene skal støtte vekten av portalen, spindelen, vognen eller bordet. En kuleskruemutter er primært utformet for å bære aksialtrykk langs skruens akse, ikke kontinuerlig radiell eller veltende belastning. Feiljustering mellom skruen, mutterhuset og lineære føringer kan føre til sidebelastning og forkorte levetiden.
En tannstang-og-drev krever også et separat veiledningssystem. Tannhjulet leverer kraft gjennom tannstangtennene, mens styreskinnene kontrollerer posisjonen og orienteringen til det bevegelige portalen. Feil tannstanghøyde eller pinjonginngrep kan skape ujevn tannbelastning, men tannstangen bør ikke brukes som en erstatning for det lineære styresystemet.
Når du evaluerer drivkapasiteten, bekreft nødvendig skyvekraft fra akselerasjon, skjæremotstand, friksjon, tyngdekraft og ytre krefter. For en kuleskrue skal også trykkbelastning kontrolleres mot søyleknekking. Skrudiameteren bør derfor velges ved å bruke belastning, lengde og hastighet sammen fremfor å velge en større diameter kun fordi maskinen er tung. Se DLY-guiden påhvordan velge riktig kuleskruediameter.
Vedlikehold og arbeidsmiljø
CNC-rutere kan generere trestøv, komposittpartikler, aluminiumsspon eller slipende rusk. Kuleskruer krever effektiv beskyttelse fordi forurensning kan komme inn i mutteren, avbryte kulesirkulasjonen og akselerere slitasje på løpebanen. Belger, deksler, tetninger, vindusviskere og regelmessig smøring kan være nødvendig avhengig av maskinmiljøet.
Tannstangstennene er mer utsatt og kan være lettere å inspisere, men de er ikke vedlikeholdsfrie-. Støv blandet med fett kan danne en slipende pasta. Tannoverflater, pinjonginngrep, tannstangskjøter og reguleringsmekanismer for tilbakeslag- bør kontrolleres med jevne mellomrom.
Det bedre valget er derfor påvirket av hvordan maskinen skal beskyttes og vedlikeholdes. En teoretisk nøyaktig stasjon kan ikke holde ytelsen hvis det virkelige arbeidsmiljøet ignoreres.
Kan én CNC-ruter bruke begge systemene?
Ja. En maskin trenger ikke bruke samme drivtype på hver akse. En stor CNC-freser kan bruke tannstang og tannstang på sine lange X- og Y-akser mens du bruker en kuleskrue på den kortere Z-aksen. Dette arrangementet kombinerer høy-lang reise med nøyaktig vertikal dybdekontroll.
Noen maskiner bruker også forskjellige spesifikasjoner på parallelle portalsider. Når to motorer driver ett portal, må kontrolleren holde de to sidene synkronisert for å forhindre reoler. Mekanisk justering, målsøkingssensorer og portal-kvadreringsprosedyrer forblir avgjørende uavhengig av valgt stasjon.
Praktisk utvalg etter CNC-applikasjon
| Søknad | Sannsynligvis utgangspunkt | Grunn |
|---|---|---|
| Kompakt stasjonær CNC | Kuleskrue | Kort slaglengde, kompakt installasjon og kontrollert mating |
| Middels CNC freseakse | Kuleskrue | Høy skyvekraft, stivhet og reverseringsnøyaktighet er viktig |
| Stor trebearbeidingsfreser | Vurder tannstang og tannstang for lange X/Y-akser | Lang vandring og rask traversering kan overskride et praktisk-skruhastighetsområde |
| Plasma skjærebord | Tannstang vurderes ofte | Lang vandring og høy hastighet kan ha større betydning enn høy matekraft |
| Kort CNC Z-akse | Kuleskrue med brems eller sikkerhetsanordning | Nøyaktig dybdebevegelse og kompakt drivkraft med høy-kraft |
| Tre-meters portal som krever høy hastighet | Tannstang, eller et spesialkonstruert skruearrangement | En konvensjonell roterende kuleskrue krever nøye verifisering av kritisk-hastighet |
Dette er utgangspunkt snarere enn faste regler. En endelig beslutning bør tas fra beregnede aksekrav og verifiserte komponentdata.
Informasjon som kreves før du velger stasjonen
Før du velger en kuleskrue eller tannstang-og-drev, må du forberede følgende informasjon:
- Total aksevandring og avstand mellom støttene
- Krever høy hastighet og normal skjære-matehastighet
- Maksimal akselerasjon og retardasjon
- Bevegelig masse, skjærekraft og installasjonsretning
- Nødvendig posisjoneringsnøyaktighet og repeterbarhet
- Akseptabel tilbakeslag eller reverseringsfeil
- Motorens nominelle hastighet, toppmoment og enkoderspesifikasjon
- Forventet driftssyklus
- Støv, flis, kjølevæske og driftstemperatur
- Tilgjengelig installasjonsplass og vedlikeholdstilgang
Hvis en kuleskrue vurderes, bekreft også skruediameter, rotdiameter, ledning, nøyaktighetsgrad, støttearrangement, endebearbeiding, muttertype og nødvendig skinnelengde. DLY kan evaluere standard og tilpassetkuleskrueenheteri henhold til disse forholdene.
Endelig utvelgelse
En kuleskrue er generelt et sterkt valg for en kort eller middels CNC-akse som krever høy skyvekraft, kontrollert tilbakeslag og nøyaktig matebevegelse. Tannstang og tannstang blir attraktivt når aksen er veldig lang og må oppnå høy kjørehastighet uten den kritiske-hastighetsbegrensningen til en lang roterende skrue.
Beslutningen bør ikke være basert på troen på at ett system er universelt mer nøyaktig eller mer holdbart. En godt-utformet tannstang-og-drevakse kan overgå en underdimensjonert lang kuleskrue, mens en riktig støttet og forhåndslastet kuleskrue kan gi bedre matekontroll enn et dårlig installert tannstangsystem.
For CNC-fresdesign, evaluer hver akse separat. Lange X- og Y-akser kan rettferdiggjøre tannstang og tannhjul, mens en kortere Z-akse fortsatt kan ha nytte av en kuleskrue. Hvis en kuleskrue velges, verifiser kritisk hastighet, knekklast, ledning, motormoment, støttelagre, innretting og miljøvern før du fullfører designet.
Trenger du hjelp til å sjekke en CNC-kuleskrue?
Send DLY din CNC-aksevandring, bevegelige last, nødvendig hastighet, nøyaktighet, installasjonsretning og motorspesifikasjon. Vi kan hjelpe med å sjekke kuleskruediameteren, ledningen, nøyaktighetsgraden, støttearrangementet og krav til sluttbearbeiding.-
E-post: export@dlybearing.com
