Содержание
- 1. Введение: роль ШВП в стеклообрабатывающем оборудовании
- 2. Принцип работы шарико-винтовой передачи
- 3. Классы точности ШВП: C3, C5, C7
- 4. Стандарты и нормативы: ISO 3408, DIN 69051, JIS B1192
- 5. Методы преднатяга и устранение люфта
- 6. Производители ШВП: TBI, HIWIN, NSK, THK
- 7. Выбор ШВП для стеклообрабатывающих центров
- 8. Монтаж и обслуживание ШВП
- 9. Расчет основных параметров ШВП
- 10. Вопросы и ответы
Введение: роль ШВП в стеклообрабатывающем оборудовании
Шарико-винтовые передачи (ШВП) являются ключевым элементом прецизионных механизмов позиционирования в станках для обработки стекла с числовым программным управлением. В отличие от традиционных трапецеидальных винтов, ШВП обеспечивают КПД до 90-98% за счет замены трения скольжения на трение качения, что критически важно для точного позиционирования режущего инструмента или заготовки по осям X, Y и Z.
Современные стеклообрабатывающие центры с ЧПУ выполняют операции резки, сверления, фрезерования кромок и гравировки стекла толщиной от 3 до 25 мм. Точность позиционирования при таких операциях составляет от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра, что предъявляет высокие требования к механизмам линейного перемещения.
Принцип работы шарико-винтовой передачи
Шарико-винтовая передача состоит из трех основных компонентов: винта с профилированной канавкой, гайки с ответной канавкой и набора шариков, циркулирующих между ними. При вращении винта шарики перекатываются по винтовой канавке, преобразуя вращательное движение в поступательное перемещение гайки.
Конструктивные элементы ШВП
| Элемент | Функция | Материал |
|---|---|---|
| Винт (шпиндель) | Несущий элемент с профилированной винтовой канавкой | Легированная сталь, закаленная до HRC 58-63 |
| Гайка | Преобразование вращения в линейное перемещение | Подшипниковая сталь 100Cr6 (ШХ15) |
| Шарики | Передача нагрузки с минимальным трением | Подшипниковая сталь, керамика (для высокоскоростных применений) |
| Система рециркуляции | Возврат шариков в рабочую зону | Возвратные трубки, дефлекторы, торцевые крышки |
| Уплотнения | Защита от загрязнений и удержание смазки | Полимерные материалы, резина |
Профили канавок
В современных ШВП применяются два основных профиля канавок:
Готический арочный профиль обеспечивает четырехточечный контакт шарика с канавками винта и гайки. Такая конструкция повышает жесткость системы, точность позиционирования и грузоподъемность. Применяется в прецизионных станках с ЧПУ, включая стеклообрабатывающие центры.
Полукруглый профиль создает двухточечный контакт и характеризуется меньшим трением при сниженной грузоподъемности. Используется в транспортных применениях с умеренными требованиями к точности.
Классы точности ШВП: C3, C5, C7
Точность шарико-винтовой передачи определяется величиной погрешности хода (lead error) - отклонением фактического перемещения гайки от теоретического значения. Согласно международным стандартам, классы точности обозначаются буквой C (или P для позиционных, T для транспортных) и цифрой от 0 до 10, где меньшее число соответствует более высокой точности.
Характеристики классов точности по JIS B1192
| Класс точности | Погрешность на 300 мм (v300), мкм | Метод изготовления | Типичное применение |
|---|---|---|---|
| C0 | +/-3,5 | Прецизионное шлифование | Измерительное оборудование, полупроводниковое производство |
| C1 | +/-5 | Прецизионное шлифование | Координатно-измерительные машины |
| C3 | +/-12 | Шлифование | Высокоточные обрабатывающие центры, прецизионное оборудование |
| C5 | +/-23 | Шлифование | Станки с ЧПУ, стеклообрабатывающие центры |
| C7 | +/-52 | Накатка (холодная прокатка) | Промышленная автоматика, общее машиностроение |
| C10 | +/-210 | Накатка | Транспортные механизмы, невысокие требования к точности |
Рекомендации по выбору класса точности для стеклообработки
Класс C5 - оптимальный выбор для большинства стеклообрабатывающих центров с ЧПУ. Обеспечивает погрешность позиционирования +/-23 мкм на 300 мм хода, что достаточно для резки, сверления и обработки кромок стекла.
Класс C3 - рекомендуется для прецизионной обработки оптического стекла, изготовления зеркал и линз, где требуется погрешность не более +/-12 мкм на 300 мм.
Класс C7 - допустим для вспомогательных осей перемещения, загрузочных устройств и механизмов, не влияющих непосредственно на точность обработки.
Стандарты и нормативы: ISO 3408, DIN 69051, JIS B1192
Технические требования к шарико-винтовым передачам регламентируются несколькими международными и национальными стандартами. Основными являются ISO 3408, DIN 69051 и JIS B1192, которые в значительной степени гармонизированы между собой.
Структура стандарта DIN ISO 3408
| Раздел | Название | Содержание |
|---|---|---|
| ISO 3408-1 | Терминология и обозначения | Определения терминов, система обозначений ШВП |
| ISO 3408-2 | Номинальные диаметры и шаги | Стандартные типоразмеры метрических ШВП |
| ISO 3408-3 | Условия приемки и испытания | Методы контроля точности, допуски |
| ISO 3408-4 | Статическая осевая жесткость | Расчет и определение осевой жесткости |
| ISO 3408-5 | Нагрузочная способность и ресурс | Статическая и динамическая грузоподъемность, расчет срока службы |
Критерии точности хода
Стандарты определяют четыре основных параметра для оценки точности ШВП:
ep (средняя погрешность хода) - разность между заданным перемещением и средним фактическим перемещением на рабочей длине винта.
vu (максимальный диапазон отклонений) - максимальный размах отклонений хода на всей рабочей длине ШВП.
v300 (погрешность на 300 мм) - отклонение хода на любом участке длиной 300 мм. Этот параметр наиболее часто используется для классификации точности.
v2pi (погрешность на один оборот) - отклонение хода в пределах одного оборота винта, характеризующее качество изготовления резьбы.
Методы преднатяга и устранение люфта
Преднатяг (предварительное нагружение) применяется для устранения осевого люфта между гайкой и винтом, повышения жесткости и улучшения повторяемости позиционирования. Величина преднатяга выражается в процентах от динамической грузоподъемности гайки и обычно составляет от 2% до 10%.
Методы создания преднатяга
| Метод | Принцип | Преднатяг | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|
| Увеличенные шарики | Установка шариков диаметром больше номинального | 2-5% | Компактность, низкая стоимость | Требует высокой точности винта, невзаимозаменяемость |
| Двойная гайка со сдвигом | Две гайки, разделенные дистанционным кольцом | 6-10% | Высокая жесткость, возможность регулировки | Увеличенные габариты, высокая стоимость |
| Смещение шага (offset lead) | Изменение шага резьбы в середине гайки | 5-10% | Компактная одинарная гайка | Снижение грузоподъемности |
| Двойная гайка с пружиной | Пружина между двумя гайками | Регулируемый | Возможность работы на менее точных винтах | Ограничение по нагрузке величиной усилия пружины |
Типы контакта шариков
Четырехточечный контакт (4-point contact) возникает при использовании увеличенных шариков. Каждый шарик контактирует в четырех точках - по две на канавках винта и гайки. Обеспечивает устранение люфта, но создает повышенное трение.
Двухточечный контакт (2-point contact) реализуется в конструкциях с двойной гайкой и смещением шага. Половина шариков нагружена в одном направлении, половина - в противоположном. Обеспечивает более плавное движение и меньший износ.
Производители ШВП: TBI, HIWIN, NSK, THK
Ведущими мировыми производителями шарико-винтовых передач являются компании из Тайваня, Японии и Германии. Их продукция различается по ассортименту типоразмеров, доступным классам точности и конструктивным особенностям.
Сравнительные характеристики производителей
| Производитель | Страна | Классы точности | Диаметры винтов | Особенности |
|---|---|---|---|---|
| TBI Motion | Тайвань | C3, C5, C7, C10 | 8-80 мм | Оптимальное соотношение качества и стоимости |
| HIWIN | Тайвань | C0, C1, C3, C5, C7 | 8-100 мм | Широкий ассортимент, высокая точность |
| NSK | Япония | C0-C7 | 6-100 мм | Премиальное качество, долговечность |
| THK | Япония | C0-C10 | 4-100 мм | Инновационные конструкции, миниатюрные ШВП |
| Steinmeyer | Германия | P1-P7, T7-T10 | 8-160 мм | Высокоточные шлифованные ШВП |
| Bosch Rexroth | Германия | P3, P5, T7 | 12-63 мм | Интеграция с системами линейного перемещения |
Серии ШВП для станков
Серии с внешней рециркуляцией (возвратные трубки) - наиболее распространенная конструкция. Шарики выходят из рабочей зоны через трубку и возвращаются в начало витка. Отличаются надежностью и простотой изготовления.
Серии с внутренней рециркуляцией (дефлекторы) - компактная конструкция без внешних выступов. Шарики перебрасываются дефлектором через гребень резьбы. Применяются при ограниченном пространстве.
Серии с торцевой рециркуляцией - шарики проходят через осевые каналы в теле гайки. Обеспечивают высокую скорость вращения и плавность хода.
Выбор ШВП для стеклообрабатывающих центров
При выборе шарико-винтовой передачи для стеклообрабатывающего оборудования необходимо учитывать требования к точности позиционирования, величину нагрузок, скорость перемещения и условия эксплуатации.
Критерии выбора
Диаметр винта
Определяется расчетной осевой нагрузкой и требуемой критической скоростью вращения. Для стеклообрабатывающих центров типичные диаметры составляют 16-40 мм для осей X и Y, 16-32 мм для оси Z.
Шаг резьбы
Влияет на скорость линейного перемещения и крутящий момент привода. Меньший шаг обеспечивает более высокую точность и меньшее требуемое усилие, но снижает максимальную скорость. Типичные значения: 5-10 мм для прецизионных осей, 10-20 мм для быстрого позиционирования.
Длина винта
Определяется рабочим ходом с учетом длины гайки и опорных узлов. При длине более 1,5-2 м может потребоваться увеличение диаметра для обеспечения критической скорости вращения.
Пример: расчет критической скорости вращения
Критическая скорость вращения винта (nк) определяется по формуле:
nк = (f * 10^7 * d) / L^2
где:
f - коэффициент, зависящий от способа крепления (f = 3,4 для крепления fixed-supported)
d - диаметр винта, мм
L - расстояние между опорами, мм
Пример: Для винта d = 25 мм, L = 1000 мм, крепление fixed-supported:
nк = (3,4 * 10^7 * 25) / 1000^2 = 850 об/мин
Рабочая скорость вращения не должна превышать 80% от критической: n_раб = 680 об/мин
Рекомендации по выбору для различных осей
| Ось | Функция | Класс точности | Типичные размеры | Преднатяг |
|---|---|---|---|---|
| X (продольная) | Перемещение стола или портала | C5 | d=25-40 мм, P=10 мм | 4-7% |
| Y (поперечная) | Перемещение каретки | C5 | d=20-32 мм, P=10 мм | 4-7% |
| Z (вертикальная) | Подъем/опускание шпинделя | C5-C7 | d=16-25 мм, P=5-10 мм | 5-10% |
| A, B, C (поворотные) | Угловое позиционирование | C3-C5 | d=16-20 мм, P=5 мм | 7-10% |
Монтаж и обслуживание ШВП
Опорные узлы
Правильный выбор и установка опорных узлов критически важны для реализации заявленной точности ШВП. Применяются три основные схемы крепления:
Fixed-Fixed (жесткое крепление с обеих сторон) - обе опоры воспринимают осевые нагрузки. Обеспечивает максимальную жесткость, но требует компенсации температурного расширения. Применяется для коротких винтов (L/d менее 50).
Fixed-Supported (жесткое + поддерживающее) - одна опора воспринимает осевую нагрузку, вторая только радиальную. Наиболее распространенная схема, допускает температурное расширение.
Fixed-Free (жесткое + свободный конец) - осевая нагрузка воспринимается одной опорой, второй конец винта не закреплен. Применяется для коротких вертикальных осей.
Требования к соосности
Несоосность винта и направляющих приводит к повышенному износу, снижению точности и преждевременному выходу из строя. Допустимая несоосность составляет:
- Параллельность оси винта и направляющих: не более 0,02 мм на 300 мм длины
- Перпендикулярность монтажных поверхностей: не более 0,01 мм на 100 мм
- Биение опорных шеек винта: не более 5 мкм для класса C5
Смазка и защита
Для смазки ШВП применяются пластичные смазки на литиевой основе (NLGI 2) или жидкие масла вязкостью ISO VG 32-68. Периодичность смазки зависит от интенсивности эксплуатации и составляет от 500 до 2000 часов работы.
Защита от загрязнений обеспечивается телескопическими кожухами, гофрированными чехлами или системой подачи очищенного воздуха под избыточным давлением. Для стеклообрабатывающего оборудования защита особенно важна из-за абразивного воздействия стеклянной пыли.
Расчет основных параметров ШВП
Расчет требуемого крутящего момента
Крутящий момент для перемещения нагрузки:
M = (F * P) / (2000 * pi * eta)
где:
M - крутящий момент, Н*м
F - осевая сила, Н
P - шаг резьбы, мм
eta - КПД передачи (0,9-0,95 для ШВП)
Пример: F = 500 Н, P = 10 мм, eta = 0,9:
M = (500 * 10) / (2000 * 3,14 * 0,9) = 0,88 Н*м
Расчет ресурса (срока службы)
Номинальный ресурс в оборотах:
L = (Ca / Fm)^3 * 10^6
где:
L - ресурс, оборотов
Ca - динамическая грузоподъемность, Н
Fm - средняя осевая нагрузка, Н
Ресурс в километрах пробега:
Ls = (L * P) / 10^6
Пример: Ca = 15000 Н, Fm = 1000 Н, P = 10 мм:
L = (15000/1000)^3 * 10^6 = 3375 * 10^6 оборотов
Ls = (3375 * 10^6 * 10) / 10^6 = 33750 км
Расчет осевой жесткости
Осевая жесткость ШВП складывается из жесткости винта, гайки и опорных подшипников:
1/K_общ = 1/K_винта + 1/K_гайки + 1/K_опор
Жесткость винта: K_винта = (E * A) / L, где E - модуль упругости стали (210000 МПа), A - площадь сечения корня резьбы, L - длина нагруженного участка.
Вопросы и ответы
Для большинства операций резки стекла на станках с ЧПУ достаточно класса точности C5, обеспечивающего погрешность позиционирования +/-23 мкм на 300 мм хода. Для прецизионной обработки оптического стекла рекомендуется класс C3 (+/-12 мкм на 300 мм). Класс C7 допустим для вспомогательных перемещений и загрузочных устройств.
Шлифованные ШВП изготавливаются методом прецизионного шлифования канавки винта после закалки. Обеспечивают классы точности C0-C5, высокую геометрическую точность и плавность хода. Накатанные (холоднокатаные) ШВП производятся методом пластической деформации, что ограничивает точность классами C7-C10. Накатанные винты значительно дешевле, но уступают по точности и плавности хода.
Признаками износа ШВП являются: увеличение люфта (определяется индикатором при осевом нагружении гайки), появление вибраций и шума при работе, ухудшение повторяемости позиционирования, обнаружение металлических частиц в смазке. При износе более 50% от допустимого люфта или снижении точности позиционирования ниже требуемой ШВП подлежит замене.
Для стеклообрабатывающих центров с ЧПУ рекомендуется преднатяг 4-7% от динамической грузоподъемности для горизонтальных осей (X, Y) и 5-10% для вертикальной оси (Z). Повышенный преднатяг на оси Z компенсирует влияние массы шпиндельного узла и предотвращает самопроизвольное опускание при отключении привода.
ШВП класса C7 допустимо использовать для вспомогательных осей перемещения, не влияющих на точность обработки (подача заготовок, позиционирование защитных кожухов). Для основных осей позиционирования инструмента или заготовки в обрабатывающих центрах рекомендуется класс C5 или выше. Использование C7 на основных осях приведет к снижению точности обработки.
Для защиты ШВП от абразивного воздействия стеклянной пыли применяются: телескопические стальные кожухи, гофрированные защитные чехлы из износостойких материалов (полиуретан, армированный ПВХ), лабиринтные уплотнения на гайке, система подачи отфильтрованного воздуха под избыточным давлением в зону ШВП. Рекомендуется сокращать интервалы обслуживания и регулярно проверять состояние уплотнений.
Температура существенно влияет на точность позиционирования. Коэффициент теплового расширения стали составляет около 12 мкм/(м*градусС). При изменении температуры винта длиной 1 м на 10 градусов его длина изменяется на 120 мкм. Для компенсации температурных деформаций применяют: предварительное растяжение винта, охлаждение опор и гайки, термокомпенсацию в системе ЧПУ.
Одинарная гайка с преднатягом (увеличенные шарики или смещение шага) компактнее и дешевле, но обеспечивает меньшую жесткость и ограниченный диапазон преднатяга (до 5-7%). Двойная гайка состоит из двух частей, разделенных дистанционным кольцом или пружиной, что позволяет создавать преднатяг до 10% и обеспечивает более высокую жесткость. Двойные гайки применяются при повышенных требованиях к жесткости и отсутствию люфта.
Связанные товары и решения
Для эффективной работы оборудования рекомендуем также рассмотреть:
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно информационно-ознакомительный характер и предназначена для технических специалистов. Автор и издатель не несут ответственности за любые прямые или косвенные убытки, возникшие в результате использования представленной информации. Приведенные расчеты и рекомендации являются справочными и должны быть проверены для конкретных условий применения. При проектировании и эксплуатации оборудования следует руководствоваться актуальными нормативными документами и рекомендациями производителей комплектующих.
Источники
- ISO 3408-1:2006 Ball screws - Part 1: Vocabulary and designation
- ISO 3408-3:2006 Ball screws - Part 3: Acceptance conditions and acceptance tests
- ISO 3408-4:2006 Ball screws - Part 4: Static axial rigidity
- ISO 3408-5:2006 Ball screws - Part 5: Static and dynamic axial load ratings and operational life
- DIN 69051-1 Machine tools; ball screws; general data and selection criteria
- JIS B1192-2013 Ball screws
- Техническая документация THK Co., Ltd. - Ball Screws Technical Information
- Каталог продукции HIWIN Technologies Corp. - Ballscrew Technical Information
- Техническое руководство NSK Ltd. - Precision Machine Components: Ball Screws
- Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Том 2. - М.: Машиностроение, 2001
- Кудинов В.А. Динамика станков. - М.: Машиностроение, 1967
