Um eixo de posicionamento pode usar um servo motor preciso e uma estrutura de máquina rígida, mas ainda assim não consegue atingir a repetibilidade ou qualidade de superfície exigida. Em muitos casos, a limitação vem do sistema de transmissão mecânica entre o motor e a plataforma móvel.
A parafuso de esferaconverte o movimento rotativo em movimento linear controlado através do contato giratório entre o eixo do parafuso, as esferas e a porca. Seu desempenho prático, porém, depende de muito mais do que a presença de esferas recirculantes. Precisão de avanço, folga axial, pré-carga, rigidez, rolamentos de apoio, alinhamento de instalação e lubrificação afetam o resultado final do posicionamento.
A compreensão desses fatores ajuda os engenheiros a selecionar um fuso de esferas como parte de um sistema de movimento completo, em vez de tratar o diâmetro e o passo como os únicos parâmetros de seleção.
Como um fuso de esferas transmite movimento
Ranhuras helicoidais são formadas no eixo do parafuso e no interior da porca. As esferas carregadas viajam entre essas ranhuras e transferem força através do contato rolante. Quando o parafuso ou porca gira, o outro componente se move axialmente de acordo com o avanço do parafuso. Um sistema de retorno faz as bolas circularem de volta para a zona carregada para que o movimento contínuo seja possível.
A relação teórica entre velocidade de rotação e velocidade linear é:
v=n × Ph/60
Ondevé a velocidade linear em mm/s,né a velocidade de rotação em r/min ePh.é o avanço do parafuso em mm.
Por exemplo, um fuso de esfera de chumbo de 10 mm girando a 1.500 r/min produz uma velocidade linear teórica de 250 mm/s. O desempenho real do eixo também deve levar em conta aceleração, carga, atrito, deformação do parafuso e configurações do-sistema de controle.
Contato rolante e eficiência de transmissão
Os parafusos deslizantes convencionais geram atrito nas superfícies de contato deslizantes. Em um fuso de esferas, os elementos rolantes reduzem substancialmente esse atrito. Sob condições operacionais adequadas, a eficiência da transmissão do fuso de esferas pode normalmente atingir aproximadamente 90% ou mais, embora o valor real dependa do ângulo de ataque, pré-carga, lubrificação, vedações, velocidade e carga.
O menor atrito reduz o torque do motor necessário para mover uma determinada carga e limita a geração de calor durante operações repetidas. Também torna a aceleração rápida e as mudanças de direção frequentes mais práticas. No entanto, alta eficiência significa que alguns fusos de esferas podem ser acionados-de volta por uma carga axial externa. Um freio ou outro dispositivo de retenção pode, portanto, ser necessário em eixos verticais.
Principais tecnologias por trás da transmissão de precisão
| Fator técnico | O que controla | Efeito-no nível do sistema |
|---|---|---|
| Precisão de lead | Diferença entre o deslocamento comandado e o deslocamento real em um curso especificado | Precisão de posicionamento e consistência de deslocamento |
| Folga axial | Movimento axial livre entre o parafuso e a porca | Movimento perdido durante a inversão de direção |
| Pré-carregar | Carga interna aplicada para reduzir a folga e aumentar a rigidez | Resposta de reversão, rigidez, calor e torque de funcionamento |
| Rigidez axial | Resistência ao deslocamento elástico sob força axial | Carga-desvio de posição e estabilidade de usinagem |
| Configuração de suporte | Restrição nas extremidades do eixo usinadas | Velocidade crítica, capacidade de flambagem e rigidez total do eixo |
| Lubrificação e vedação | Condição das superfícies de contato rolantes | Desgaste, temperatura, ruído e vida útil |
A precisão do lead não é o mesmo que repetibilidade
A precisão do avanço descreve o quão próximo o deslocamento axial real segue o deslocamento especificado ao longo de uma distância definida. Está principalmente relacionado à precisão da fabricação do parafuso e ao desvio acumulado do avanço.
A repetibilidade descreve a capacidade de um eixo retornar à mesma posição sob as mesmas condições. Um sistema pode retornar consistentemente para uma posição enquanto ainda apresenta um erro de percurso previsível em outra posição. A repetibilidade é influenciada pela folga, pré-carga, rigidez do rolamento, temperatura, ajuste do servo e resolução de feedback, bem como pela precisão do parafuso.
Por esta razão, a seleção de um grau de precisão mais elevado por si só não elimina automaticamente todos os erros de posicionamento. A precisão de deslocamento e a repetibilidade exigidas devem ser especificadas separadamente.
Pré-carga, folga e rigidez axial
Quando um eixo inverte a direção, a folga axial pode aparecer como perda de movimento antes que a carga comece a se mover na direção oposta. A pré-carga é usada para reduzir ou eliminar esta folga e melhorar a rigidez de contato entre a porca, as esferas e as ranhuras do parafuso.
A pré-carga pode ser produzida por um arranjo de-porca dupla, uma porca de passo-deslocada ou dimensões de esfera selecionadas, dependendo do projeto. UMparafuso esférico-com porca dupla, por exemplo, pode aplicar pré-carga entre duas seções de porca e é frequentemente considerado quando são necessárias baixa folga axial e maior rigidez.
Mais pré-carga nem sempre é melhor. A pré-carga excessiva aumenta o torque de funcionamento, o calor de fricção e a tensão de contato interno. Pode reduzir a velocidade alcançável e encurtar a vida útil. O nível de pré-carga correto deve corresponder à carga aplicada, ao ciclo de trabalho, aos requisitos de posicionamento e às condições térmicas.
A rigidez deve ser avaliada como um sistema
O deslocamento axial total de um eixo de avanço não é determinado apenas pela porca. O eixo do parafuso estica ou comprime sob carga, enquanto a porca, os rolamentos de suporte, a caixa do rolamento, o acoplamento, as superfícies de montagem e a estrutura da máquina também se deformam.
A parte mais fraca desta corrente mecânica pode limitar a rigidez geral. O aumento da pré-carga da porca proporcionará, portanto, uma melhoria limitada se o parafuso for muito fino, o comprimento sem suporte for excessivo ou a caixa do rolamento não tiver rigidez.
A expansão térmica também deve ser considerada em eixos longos ou de{0}alta velocidade. O calor gerado pela porca, rolamentos e equipamentos adjacentes pode alterar o comprimento efetivo do parafuso. Dependendo do projeto da máquina, os efeitos térmicos podem ser controlados através de lubrificação, resfriamento, arranjo de rolamentos, compensação de temperatura ou instalação de parafuso tensionado.
Rolamentos de suporte e usinagem final
Os rolamentos de suporte de precisão localizam o parafuso axialmente e ajudam a suportar o impulso em uma ou ambas as direções. O arranjo-de suporte final afeta a rigidez do eixo, a velocidade crítica e a resistência à flambagem por compressão.
Arranjos comuns incluem configurações fixo-livre, fixo-suportado e fixo-fixo. A montagem livre fixa é estruturalmente simples, mas oferece menor velocidade-crítica e capacidade de flambagem. Arranjos fixo-suportado e fixo-fixo são geralmente mais adequados à medida que o comprimento do parafuso, a velocidade de rotação ou a carga axial aumentam.
A usinagem final deve corresponder às unidades de rolamento selecionadas, contraporca, acoplamento e dimensões de montagem. Ajustes incorretos do rolamento, geometria do ressalto ou concentricidade da extremidade do eixo podem causar vibração e erro de posicionamento mesmo quando o parafuso em si tem precisão adequada.
Limites de velocidade e carga compressiva
Um fuso de esferas não deve ser selecionado apenas pela velocidade linear. A velocidade rotacional aumenta à medida que a velocidade linear solicitada aumenta ou o avanço diminui. Um parafuso giratório longo pode aproximar-se da sua velocidade crítica e começar a vibrar. A velocidade operacional permitida também depende do diâmetro do parafuso, do comprimento sem suporte, da condição do-suporte final, do projeto de circulação da porca e da lubrificação.
Quando o eixo do parafuso é submetido à compressão, a capacidade de flambagem também deve ser verificada. Um diâmetro de raiz menor e um comprimento sem suporte mais longo reduzem a carga compressiva admissível. Os cálculos da velocidade crítica e da flambagem devem incluir uma margem de segurança adequada, em vez de utilizar valores limites teóricos como condições de operação contínua.
Capacidade de carga e vida útil
A classificação de carga dinâmica é usada ao estimar a vida à fadiga sob movimentos repetidos, enquanto a classificação de carga estática se refere ao risco de deformação permanente sob carga máxima ou de impacto. A seleção deve ser baseada no ciclo operacional real e não apenas na carga máxima.
Um ciclo de trabalho realista inclui aceleração, deslocamento-de velocidade constante, desaceleração, tempo de permanência e quaisquer alterações na direção da carga. Choque, vibração, mau alinhamento e contaminação podem reduzir a vida útil mesmo quando um cálculo básico de classificação parece suficiente.
Lubrificação, Vedação e Instalação
O lubrificante separa as superfícies de contato rolantes, reduz o desgaste e ajuda a controlar o calor de fricção. O tipo correto de lubrificante e o intervalo de reabastecimento dependem da velocidade, carga, curso, temperatura operacional e condições ambientais.
Os limpadores e vedações ajudam a limitar a entrada de poeira e lascas, mas não substituem a proteção externa em ambientes altamente contaminados. Podem ser necessários foles, tampas ou estruturas de eixo fechadas em torno de detritos de usinagem, partículas abrasivas ou contaminação líquida.
O alinhamento da instalação é igualmente importante. Forçar a porca ou os rolamentos de suporte para uma posição desalinhada cria uma carga interna anormal. As superfícies de montagem devem estar limpas e planas, as caixas dos rolamentos devem estar alinhadas com o eixo do parafuso e a porca deve ser movida em todo o curso antes do aperto final.
Requisitos de aplicação
| Aplicativo | Prioridade típica | Pontos para confirmar |
|---|---|---|
| Eixo de alimentação CNC | Rigidez e precisão de posicionamento | Grau de precisão, pré-carga, carga de corte e disposição dos rolamentos |
| Equipamento de automação | Velocidade e repetibilidade do ciclo | Avanço, aceleração, curso, ciclo de trabalho e lubrificação |
| Equipamento de inspeção | Movimento suave e baixa variação de posição | Precisão de deslocamento, estabilidade térmica e alinhamento de instalação |
| Eixo de elevação vertical | Suporte de carga e segurança | Flambagem, contra-condução, freio motor e carga axial máxima |
| Eixo-de curso longo | Velocidade crítica e comportamento térmico | Diâmetro da raiz, comprimento não suportado, suportes e velocidade de operação |
Informações necessárias para seleção
Antes de confirmar uma especificação de fuso de esferas, prepare as seguintes informações operacionais:
- Curso necessário e comprimento total de instalação
- Velocidade linear máxima e contínua
- Aceleração, desaceleração e frequência do ciclo
- Massa móvel, força axial externa e carga de impacto
- Precisão de posicionamento e repetibilidade necessárias
- Instalação horizontal, vertical ou inclinada
- Vida útil esperada e tempo de operação diário
- Temperatura, poeira, lascas, umidade e outras condições ambientais
- Dimensões disponíveis da extremidade do-rolamento e do eixo-de suporte
Estas condições são usadas para determinar o diâmetro do parafuso, avanço, tipo de porca, precisão, pré-carga, classificação de carga, disposição do suporte e requisitos de lubrificação. Para posicionamento industrial padrão, um roloParafuso de esfera SFUpode ser adequada, enquanto aplicações que exigem diferentes características de rigidez, folga ou instalação podem precisar de outra configuração de porca.
Perguntas frequentes
Um grau de precisão mais alto garante melhor repetibilidade?Conclusão
O valor de um fuso de esferas na transmissão de precisão vem do controle coordenado do contato de rolamento, precisão do avanço, folga, pré-carga, rigidez e condições de suporte. Seu desempenho final também é determinado pela lubrificação, alinhamento da instalação, comportamento térmico e sistema de controle da máquina.
Portanto, um fuso de esferas adequado não é simplesmente o modelo com o menor erro de avanço ou a maior classificação de carga. É a especificação que atende às metas exigidas de velocidade, precisão, rigidez e vida útil-de acordo com o ciclo operacional real.
Referências
- Série ISO 3408 - Parafusos de esfera
- Orientação técnica sobre parafusos rolantes cobrindo classificação de carga, rigidez, velocidade crítica e cálculos de flambagem
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