Ball Screw در مقابل Rack and Pinion برای روترهای CNC: کدام سیستم درایو را باید انتخاب کنید؟

یک بال اسکرو و یک قفسه-و-سیستم پینیون هر دو می‌توانند چرخش موتور را به حرکت خطی تبدیل کنند، اما با افزایش طول سفر، سرعت و نیروی برش رفتاری مشابه ندارند. بال اسکروها معمولاً برای حرکت تغذیه دقیق، اصطکاک کم و واکنش کنترل شده انتخاب می شوند. درایوهای رک-و-پینیون اغلب برای محورهای طولانی مسیریاب CNC در نظر گرفته می‌شوند که در آن‌ها به سرعت حرکت بالا نیاز است و کنترل پیچ چرخان دشوار می‌شود.

 

هیچ یک از سیستم های انتقال به تنهایی میز ماشین را حمل نمی کند. راهنماهای خطی بار متحرک را پشتیبانی می کنند و جهت حرکت را کنترل می کنند، در حالی که بال اسکرو یا قفسه-و-درایو پینیون نیروی رانشی را که محور را حرکت می دهد تأمین می کند. بنابراین، انتخاب بین این دو به جای مقایسه فقط پیچ و قفسه، نیازمند ارزیابی محور کامل است.

 

برای بسیاری از ماشین‌های CNC فشرده و متوسط، یک بال‌اسکرو که به‌درستی انتخاب شده باشد، راه‌حل مؤثری باقی می‌ماند. با این حال، برای یک محور دروازه ای طولانی با اندازه گیری چند متر، سرعت بحرانی، شلاق پیچ و ترتیب پشتیبانی می تواند قفسه و پینیون را کاربردی تر کند. انتخاب صحیح به سکته مغزی، سرعت{2}}پیمایش سریع، دقت برش، جرم متحرک، شرایط نصب و قابلیت نگهداری بستگی دارد.

نحوه عملکرد دو سیستم درایو CNC

در یک محور بال اسکرو معمولی، موتور شفت پیچ را از طریق یک کوپلینگ یا انتقال تسمه می چرخاند. توپ‌های چرخشی بین مسیرهای پیچ و مهره می‌چرخند و باعث می‌شوند مهره و میز دستگاه متصل به آن به صورت خطی حرکت کنند. تماس غلتشی راندمان مکانیکی بالایی را فراهم می کند و به سیستم اجازه می دهد تا رانش محوری قابل توجهی را با اصطکاک نسبتا کم منتقل کند.

 

در محور قفسه-و-قفسه در امتداد قاب دستگاه ثابت می‌شود در حالی که موتور یک چرخ دنده پینیون را می‌چرخاند که با دندانه‌های قفسه مشبک می‌شود. پینیون و موتور معمولاً با دروازه یا کالسکه متحرک حرکت می کنند. از آنجایی که قفسه به طور مداوم در امتداد قاب پشتیبانی می شود، سیستم شفت چرخان طولانی ندارد که بتواند در فرکانس طبیعی خود شلاق بزند.

 

این تفاوت ساختاری با طولانی شدن محور اهمیت فزاینده ای پیدا می کند. یک بال اسکرو عمدتاً از طریق یاتاقان های انتهایی خود پشتیبانی می شود و ممکن است بین آن تکیه گاه ها آویزان شود یا لرزش داشته باشد. یک قفسه در طول آن نصب می‌شود، اما دقت آن به کیفیت دندان، درگیری دنده، تراز مفصل، روانکاری و روش کنترلی{2}} بستگی دارد.

بال اسکرو در مقابل قفسه و پینیون: تفاوت های اصلی

چرا طول سفر برای بال اسکرو مهم است؟

یک بال اسکرو را نمی توان به تنهایی از قطر و سرب انتخاب کرد. با افزایش فاصله بدون پشتیبانی بین یاتاقان ها، سرعت چرخش بحرانی به سرعت کاهش می یابد. در نزدیکی سرعت بحرانی، شفت ممکن است شروع به شلاق زدن کند و باعث ایجاد لرزش، سر و صدا، بار تحمل، موقعیت ناپایدار و آسیب احتمالی به سیستم گردش مهره شود.

 

یک رابطه متریک اولیه که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد عبارت است از:

فاکتور دقیق و حد ایمنی باید از روش محاسبه سازنده انتخاب شده گرفته شود. فاکتورهای اولیه نماینده تقریباً 3.9 برای-رایگان ثابت، 12.1 برای پشتیبانی-پشتیبانی، 18.7 برای ثابت-پشتیبانی و 27.2 برای ترتیبات ثابت-ثابت است. این عوامل نباید به عنوان جایگزینی برای تأیید نهایی سازنده توپ اسکرو در نظر گرفته شوند.

 

رابطه مهم طول مدت مجذور است. اگر طول بدون پشتیبانی افزایش یابد در حالی که قطر و آرایش تکیه گاه بدون تغییر باقی بماند، سرعت بحرانی به نسبت 1/L² کاهش می یابد. افزایش مسافت از 1 متر به 2 متر صرفاً سرعت مجاز را به نصف نمی رساند. سرعت بحرانی تخمینی تقریباً به -یک چهارم کاهش می یابد.

برای جزئیات بیشتر در مورد این محدودیت، نگاه کنیدچگونه از سرعت بحرانی بال اسکرو جلوگیری کنیم.

مثال محاسبه سفر طولانی-

یک محور اولیه CNC را با استفاده از یک بال اسکرو با مقادیر فرضی زیر در نظر بگیرید:

• قطر ریشه: 25 میلی متر
• سرب: 10 میلی متر / دور
• پایان پشتیبانی: ثابت-پشتیبانی شد
• ضریب پشتیبانی مورد استفاده برای محاسبه اولیه: 18.7

مثال A: 2000 میلی متر طول پشتیبانی نشده

ماشین معمولاً نباید به طور مداوم در سرعت بحرانی محاسبه شده کار کند. اگر از حد ایمنی اولیه 80% استفاده شود، سرعت پیچ تقریباً 935 دور در دقیقه و سرعت خطی مربوطه حدود 9.35 متر در دقیقه است.

مثال B: 3000 میلی متر طول پشتیبانی نشده

در 80 درصد از این مقدار اولیه، سرعت خطی مربوطه تنها حدود 4.15 متر در دقیقه است. این مثال نشان می دهد که چرا پیچی که برای یک محور 2-متری مناسب است ممکن است پس از افزایش طول پشتیبانی نشده به 3 متر، سرعت عبور سریع مورد نیاز را برآورده نکند.

 

این یک خط تقسیم جهانی 2-متر یا 3- متر ایجاد نمی کند. قطر ریشه بزرگتر، سرب بیشتر، تکیه گاه ثابت-ثابت، طراحی مهره دوار یا استراتژی پشتیبانی میانی ممکن است نتیجه را تغییر دهد. انتخاب نهایی همچنین باید مقدار DN، سرعت مهره، بار محوری، کمانش، گشتاور شتاب، انبساط حرارتی و ظرفیت باربری را بررسی کند.

جایی که بال اسکروها دارای مزیت هستند

هنگامی که یک محور CNC به تغذیه کنترل شده، رانش بالا و دقت معکوس پایدار در یک حرکت کوتاه یا متوسط ​​نیاز دارد، یک بال اسکرو اغلب انتخاب قوی‌تری است. سرب پیچ طبق یک کلاس دقت تولید می شود و به طراحان ماشین این امکان را می دهد که چرخش فرمان را با حرکت خطی مورد انتظار مرتبط کنند.

سازه های مهره توپ از قبل بارگذاری شده می توانند فاصله محوری را کاهش دهند و در هنگام معکوس شدن جهت حرکت، استحکام را بهبود بخشند. این امر به ویژه در محورهای ماشینکاری که در آن ضربه برگشتی می تواند بر موقعیت سوراخ، دقت کانتور و پرداخت سطح تأثیر بگذارد مفید است. طراحی تماس غلتشی همچنین راندمان انتقال بالایی را فراهم می کند، بنابراین موتور می تواند گشتاور را به نیروی محوری با اصطکاک نسبتاً کم تبدیل کند.

 

بال اسکروها اغلب در محورهای CNC Z استفاده می‌شوند، زیرا سکته مغزی معمولاً کوتاه‌تر از حرکت دروازه‌ای اصلی است و محور نیاز به کنترل دقیق عمق دارد. یک محور بال اسکرو عمودی همچنان باید دارای ترمز موتور مناسب، تعادل تعادل یا سایر اقدامات ایمنی باشد، زیرا یک بال اسکرو نباید خود قفل شونده فرض شود.

 

همچنین ممکن است برای محورهای فشرده X و Y، سیستم‌های خوراک برش فلز، ماشین‌های حفاری، میزهای موقعیت‌یابی دقیق و تجهیزات اتوماسیون که در آن‌ها پایداری رانش و موقعیت‌یابی مهم‌تر از سفرهای بسیار طولانی است، بهتر باشد.

جایی که Rack and Pinion دارای مزیت است

سیستم‌های رک-و-هنگامی که دستگاه دارای محور طولانی است و باید سرعت عبور سریع-را حفظ کند، جذاب می‌شوند. قفسه به طور مداوم بر روی قاب دستگاه ثابت می‌شود، بنابراین افزایش طول آن، مشکل سرعت چرخشی-حریمی-در یک بال‌اسکرو معمولی را ایجاد نمی‌کند.

 

بخش‌های قفسه را می‌توان برای ایجاد سفر طولانی بدون ساخت و حمل یک پیچ دوار بسیار طولانی به هم متصل کرد. این برای روترهای بزرگ نجاری، ماشین‌های پردازش پانل-، میزهای پلاسما و سایر تجهیزات زیر بشکهای با اندازه‌گیری چندین متر مفید است.

 

با این حال، قفسه و پینیون نباید به طور خودکار به عنوان نادرست توصیف شوند. یک سیستم قفسه دقیق که به درستی ساخته و نصب شده باشد می تواند عملکرد موقعیت یابی خوبی را ارائه دهد. نتیجه آن بستگی به دقت رک قفسه، کیفیت پینیون، درگیری دندان، پیش بارگذاری یا تقسیم{2}}آرایش پینیون، واکنش کاهش دهنده، تراز رک-تراز مفصل و کنترل بازخورد دارد.

 

برعکس، یک رک با کیفیت پایین- یا نصب ضعیف ممکن است باعث ایجاد واکنش نامناسب و تغییر موقعیت در امتداد محور شود. طراح ماشین باید درایو کامل را ارزیابی کند، نه اینکه فرض کند هر سیستم رک برای حرکت طولانی و دقیق مناسب است.

دقت، تکرارپذیری و عکس العمل یکسان نیستند

دقت توصیف می کند که موقعیت محور واقعی چقدر با موقعیت دستور داده شده مطابقت دارد. تکرارپذیری توصیف می کند که چگونه محور در شرایط یکسان به موقعیت یکسان باز می گردد. Backlash حرکت از دست رفته ای است که ممکن است هنگام معکوس شدن جهت درایو ظاهر شود.

 

یک بال اسکرو می تواند دقت سرب خوبی داشته باشد اما اگر مهره فاصله داشته باشد، یاتاقان های نگهدارنده بازی محوری داشته باشند یا کوپلینگ شل باشد، همچنان خطای برگشت را نشان می دهد. یک سیستم قفسه-و-پینیون می‌تواند یک موقعیت را به طور مداوم تکرار کند، اما همچنان دارای یک خطای سیستماتیک گام در طول سفر کامل باشد.

دقت نهایی CNC نیز تحت تأثیر موارد زیر است:

• تراز خطی راهنمای و دقت سطح نصب{0}}
• سفتی قاب دستگاه-
• وضوح موتور و رمزگذار
• واکنش گیربکس یا کوپلینگ
• انبساط حرارتی
• مربع زیر بشکهای
• جبران و تنظیم کنترلر
• برش{0}}تغییر شکل نیرو

به همین دلیل، تغییر از قفسه و پینیون به بال اسکرو نمی تواند به طور خودکار یک قاب ضعیف یا راهنمای نامناسب را اصلاح کند. سیستم انتقال تنها بخشی از زنجیره دقت کامل است.

بار و سختی: آنچه که هر درایو در واقع حمل می کند

راهنماهای خطی باید وزن دروازه، دوک، کالسکه یا میز را تحمل کنند. مهره بال اسکرو اصولاً برای حمل نیروی محوری در امتداد محور پیچ طراحی شده است، نه بار شعاعی یا واژگونی پیوسته. ناهماهنگی بین پیچ، محفظه مهره و راهنماهای خطی می تواند بار جانبی را ایجاد کند و عمر مفید را کوتاه کند.

 

درایو رک-و-پینیون نیز به یک سیستم هدایت جداگانه نیاز دارد. پینیون نیرو را از طریق دندانه های قفسه تامین می کند، در حالی که ریل های راهنما موقعیت و جهت گانتری متحرک را کنترل می کنند. ارتفاع قفسه نادرست یا درگیری پینیون می تواند بارگذاری ناهموار دندان ایجاد کند، اما قفسه نباید به عنوان جایگزینی برای سیستم هدایت خطی استفاده شود.

 

هنگام ارزیابی ظرفیت درایو، نیروی رانش مورد نیاز ناشی از شتاب، مقاومت برش، اصطکاک، گرانش و نیروهای خارجی را تأیید کنید. برای یک بال اسکرو، بارگذاری فشاری باید در مقابل کمانش ستون نیز بررسی شود. بنابراین، قطر پیچ باید با استفاده از بار، طول و سرعت با هم انتخاب شود نه اینکه قطر بیشتری را صرفاً به دلیل سنگین بودن دستگاه انتخاب کنید. راهنمای DLY را ببینیدنحوه انتخاب قطر بال اسکرو مناسب.

نگهداری و محیط کار

روترهای CNC ممکن است گرد و غبار چوب، ذرات کامپوزیت، تراشه های آلومینیومی یا زباله های ساینده تولید کنند. مسیرهای بال اسکرو نیاز به محافظت موثر دارند زیرا آلودگی می تواند وارد مهره شود، گردش توپ را قطع کرده و سایش مسیر مسابقه را تسریع کند. بسته به محیط دستگاه ممکن است به دم، درپوش، مهر و موم، برف پاک کن و روانکاری معمولی نیاز باشد.

 

دندان‌های قفسه‌ای بیشتر در معرض دید قرار دارند و بازرسی آن‌ها آسان‌تر است، اما-رایگان تعمیر و نگهداری نیستند. گرد و غبار مخلوط با گریس می تواند یک خمیر ساینده ایجاد کند. سطوح دندانی، درگیری پینیون، مفاصل قفسه و مکانیسم‌های تنظیم ضربه{3} باید به طور دوره‌ای بررسی شوند.

 

بنابراین انتخاب بهتر تحت تأثیر نحوه محافظت و نگهداری دستگاه است. اگر محیط کار واقعی نادیده گرفته شود، یک درایو از لحاظ نظری دقیق ممکن است عملکرد خود را حفظ نکند.

آیا یک روتر CNC می تواند از هر دو سیستم استفاده کند؟

بله. یک ماشین نیازی به استفاده از یک نوع درایو در هر محور ندارد. یک روتر بزرگ CNC ممکن است از قفسه و پینیون در محورهای بلند X و Y خود استفاده کند در حالی که از پیچ توپ در محور کوتاهتر Z استفاده می کند. این چیدمان سفر طولانی-سرعت بالا را با کنترل دقیق عمق عمودی ترکیب می‌کند.

 

برخی از ماشین ها نیز از مشخصات مختلفی در طرف دروازه های موازی استفاده می کنند. هنگامی که دو موتور یک دروازه را به حرکت در می آورند، کنترل کننده باید دو طرف را هماهنگ نگه دارد تا از قفسه بندی جلوگیری شود. روش‌های تراز مکانیکی، سنسورهای هومینگ و گنتری{2}}صرف نظر از درایو انتخابی ضروری هستند.

انتخاب عملی توسط برنامه CNC

اینها نقاط شروع هستند تا قوانین ثابت. تصمیم نهایی باید از روی نیازهای محور محاسبه شده و داده های مؤلفه تأیید شده گرفته شود.

اطلاعات مورد نیاز قبل از انتخاب درایو

قبل از انتخاب یک توپ پیچ یا قفسه-و-سیستم پینیون، اطلاعات زیر را آماده کنید:

• کل حرکت محور و فاصله بین تکیه گاه ها
• سرعت سریع مورد نیاز و برش طبیعی-سرعت تغذیه
• حداکثر شتاب و کاهش سرعت
• جرم متحرک، نیروی برش و جهت نصب
• دقت موقعیت یابی و تکرارپذیری مورد نیاز
• خطای برگشت یا برگشت قابل قبول
• سرعت نامی موتور، حداکثر گشتاور و مشخصات رمزگذار
• چرخه وظیفه مورد انتظار
• گرد و غبار، تراشه، مایع خنک کننده و دمای عملیاتی
• فضای نصب و راه اندازی موجود و دسترسی به تعمیر و نگهداری

اگر یک بال اسکرو در نظر گرفته می شود، قطر پیچ، قطر ریشه، سرب، درجه دقت، ترتیب پشتیبانی، ماشینکاری انتهایی، نوع مهره و طول ریل مورد نیاز را نیز تأیید کنید. DLY می تواند استاندارد و سفارشی را ارزیابی کندمجموعه های بال اسکروبا توجه به این شرایط

انتخاب نهایی

یک بال اسکرو به طور کلی یک انتخاب قوی برای یک محور کوتاه یا متوسط ​​CNC است که نیاز به رانش بالا، واکنش برگشتی کنترل شده و حرکت تغذیه دقیق دارد. قفسه و پینیون زمانی جذاب می‌شود که محور بسیار طولانی باشد و باید سرعت حرکت بالایی را بدون محدودیت{1}}سرعت بحرانی یک پیچ چرخان طولانی بدست آورد.

 

تصمیم نباید مبتنی بر این باور باشد که یک سیستم به طور کلی دقیق تر یا بادوام تر است. یک رک{1}}به خوبی طراحی شده-و-محور پینیون می‌تواند عملکرد بهتری از یک بال‌اسکرو بلند کمتر داشته باشد، در حالی که یک بال‌اسکرو با پشتیبانی مناسب و از قبل نصب‌شده می‌تواند کنترل تغذیه بهتری نسبت به یک سیستم قفسه‌ای که ضعیف نصب شده است، ارائه دهد.

 

برای طراحی روتر CNC، هر محور را جداگانه ارزیابی کنید. محورهای بلند X و Y ممکن است قفسه و پینیون را توجیه کنند، در حالی که یک محور Z کوتاه‌تر ممکن است همچنان از پیچ توپی بهره ببرد. اگر یک بال اسکرو انتخاب شده است، قبل از نهایی کردن طراحی، سرعت بحرانی، بار کمانش، سرب، گشتاور موتور، یاتاقان‌های پشتیبانی، تراز و حفاظت محیطی را بررسی کنید.

← بازگشت به وبلاگ DLY