Kugleskrue vs tandstang og tandhjul til CNC-routere: Hvilket drivsystem skal du vælge?

En kugleskrue og et tandstangs-og-tandhjulssystem kan begge konvertere motorrotation til lineær bevægelse, men de opfører sig ikke på samme måde, når rejselængden, hastigheden og skærekraften øges. Kugleskruer vælges almindeligvis til nøjagtig fremføringsbevægelse, lav friktion og kontrolleret slør. Tandstang-og-drev overvejes ofte til lange CNC-fræserakser, hvor høj kørehastighed er påkrævet, og en roterende skrue ville blive svær at kontrollere.

 

Ingen af ​​transmissionssystemerne bærer maskinbordet af sig selv. De lineære styrebaner understøtter den bevægelige last og styrer kørselsretningen, mens kugleskruen eller tandstangs-og-drevet giver det tryk, der bevæger aksen. At vælge mellem de to kræver derfor, at man vurderer hele aksen i stedet for kun at sammenligne skruen og stativet.

 

For mange kompakte og mellemstore CNC-maskiner forbliver en korrekt valgt kugleskrue en effektiv løsning. For en lang portalakse, der måler flere meter, kan kritisk hastighed, skruepisk og støttearrangement dog gøre tandstang og tandhjul mere praktisk. Det korrekte valg afhænger af slaglængde, hurtig-travershastighed, skærenøjagtighed, bevægelig masse, installationsforhold og vedligeholdelsesevne.

Sådan fungerer de to CNC-drevsystemer

I en konventionel kugleskrueakse roterer motoren skrueakslen gennem en kobling eller remtransmission. Recirkulerende kugler ruller mellem skrue- og møtrikløbene, hvilket får møtrikken og det vedhæftede maskinbord til at bevæge sig lineært. Rullekontakt giver høj mekanisk effektivitet og gør det muligt for systemet at overføre betydelig aksial tryk med relativt lav friktion.

 

I en tandstang-og-tandstangsakse er tandstangen fastgjort langs maskinrammen, mens motoren roterer et tandhjul, der går i indgreb med tandstangstænderne. Tandhjulet og motoren kører normalt med det bevægelige portal eller vogn. Fordi stativet understøttes kontinuerligt langs rammen, har systemet ikke en lang roterende aksel, der kan piske med sin naturlige frekvens.

 

Denne strukturelle forskel bliver stadig vigtigere, efterhånden som aksen bliver længere. En kugleskrue understøttes hovedsageligt gennem sine endelejer og kan synke eller vibrere mellem disse understøtninger. Et stativ er monteret langs dets længde, men dets nøjagtighed afhænger af tandkvalitet, gearindgreb, samlingsjustering, smøring og slør-kontrolmetode.

Ball Screw vs Rack and Pinion: Hovedforskelle

Hvorfor rejselængde betyder noget for en kugleskrue

En kugleskrue kan ikke vælges fra diameter og bly alene. Når den ikke-understøttede afstand mellem lejerne øges, falder den kritiske omdrejningshastighed hurtigt. Nær den kritiske hastighed kan akslen begynde at piske, hvilket producerer vibrationer, støj, lejebelastning, ustabil positionering og mulig skade på møtrikcirkulationssystemet.

 

Et almindeligt anvendt foreløbigt metrisk forhold er:

Den nøjagtige faktor og sikkerhedsgrænse bør tages fra den valgte producents beregningsmetode. Repræsentative foreløbige faktorer er cirka 3,9 for faste-gratis, 12,1 for understøttede-understøttede, 18,7 for faste-understøttede og 27,2 for faste-faste arrangementer. Disse faktorer bør ikke behandles som en erstatning for kugleskrueproducentens endelige verifikation.

 

Det vigtige forhold er den kvadratiske længde. Hvis den ikke-understøttede længde øges, mens diameter og støttearrangement forbliver uændret, falder den kritiske hastighed proportionalt med 1/L². En stigning fra 1 meter til 2 meter halverer ikke blot den tilladte hastighed; den estimerede kritiske hastighed falder til cirka en-fjerdedel.

For flere detaljer om denne begrænsning, sehvordan man undgår kugleskruens kritiske hastighed.

Langt-eksempel på rejseberegning

Overvej en foreløbig CNC-akse ved hjælp af en kugleskrue med følgende antagne værdier:

• Roddiameter: 25 mm
• Bly: 10 mm/omdrejning
• Afslut support: fast-understøttet
• Støttefaktor anvendt til foreløbig beregning: 18.7

Eksempel A: 2.000 mm Uunderstøttet længde

Maskinen bør normalt ikke køre kontinuerligt ved den beregnede kritiske hastighed. Hvis der anvendes en foreløbig sikkerhedsgrænse på 80 %, bliver skruehastigheden ca. 935 rpm, og den tilsvarende lineære hastighed er ca. 9,35 m/min.

Eksempel B: 3.000 mm Uunderstøttet længde

Ved 80 % af denne foreløbige værdi er den tilsvarende lineære hastighed kun ca. 4,15 m/min. Eksemplet viser, hvorfor en skrue, der er egnet til en 2--meterakse, muligvis ikke opfylder den nødvendige ilganghastighed, efter at den ikke-understøttede længde er øget til 3 meter.

 

Dette etablerer ikke en universel 2-meter eller 3-meter skillelinje. En større roddiameter, højere ledning, fast fast støtte, roterende møtrik design eller mellemliggende støttestrategi kan ændre resultatet. Det endelige valg skal også kontrollere DN-værdi, møtrikhastighed, aksial belastning, knækning, accelerationsmoment, termisk udvidelse og bæreevne.

Hvor kugleskruer har en fordel

En kugleskrue er ofte det stærkeste valg, når en CNC-akse kræver kontrolleret fremføring, høj tryk og stabil vendingsnøjagtighed over et kort eller mellemlangt slag. Skrueledningen er fremstillet i henhold til en nøjagtighedsklasse, hvilket gør det muligt for maskindesignere at relatere kommanderet rotation til forventet lineær bevægelse.

Forspændte kuglemøtrikstrukturer kan reducere den aksiale spillerum og forbedre stivheden, når bevægelsesretningen vender. Dette er især nyttigt ved bearbejdning af akser, hvor slør kan påvirke hulposition, konturnøjagtighed og overfladefinish. Det rullende-kontaktdesign giver også høj transmissionseffektivitet, så motoren kan omdanne drejningsmoment til aksial kraft med relativt lav friktion.

 

Kugleskruer bruges ofte på CNC Z-akser, fordi slaget normalt er kortere end hovedportalens vandring, og aksen kræver nøjagtig dybdekontrol. En lodret kugleskrueakse skal stadig omfatte en passende motorbremse, modvægt eller anden sikkerhedsforanstaltning, fordi en kugleskrue ikke bør antages at være selv-låsende.

 

Kugleskruer kan også foretrækkes til kompakte X- og Y-akser, metal-fremføringssystemer, boremaskiner, præcisionspositioneringsborde og automatiseringsudstyr, hvor tryk- og positioneringsstabilitet er vigtigere end ekstrem lang vandring.

Hvor tandstang har en fordel

Tandstangs-og-pinionsystemer bliver attraktive, når maskinen har en lang akse og skal opretholde en høj hurtig-travershastighed. Stativet er fastgjort kontinuerligt til maskinrammen, så en forøgelse af dens længde skaber ikke det samme problem med den roterende-aksel kritiske-hastighed, som findes i en konventionel kugleskrue.

 

Racksektioner kan også sammenføjes for at skabe lang vandring uden at fremstille og transportere en ekstremt lang roterende skrue. Dette er nyttigt til store træbearbejdningsfræsere, panel-behandlingsmaskiner, plasmaborde og andet portaludstyr med vandring målt i flere meter.

 

Tandstang og tandhjul bør dog ikke automatisk beskrives som unøjagtige. Et korrekt fremstillet og installeret præcisionsstativsystem kan give god positioneringsydelse. Dens resultat afhænger af tandstangsstigningsnøjagtighed, tandstangskvalitet, tandindgreb, forspænding eller delt-pinionarrangement, reduktionsslør, tandstang-ledjustering og feedbackkontrol.

 

Omvendt kan et rack af lav-kvalitet eller dårligt installeret udvikle ujævnt tilbageslag og placeringsvariationer langs aksen. Maskindesigneren skal evaluere det komplette drev, ikke blot antage, at hvert stativsystem er egnet til lang, præcis bevægelse.

Nøjagtighed, gentagelighed og tilbageslag er ikke det samme

Nøjagtighed beskriver, hvor tæt den faktiske akseposition matcher den beordrede position. Repeterbarhed beskriver, hvor konsekvent aksen vender tilbage til den samme position under de samme forhold. Backlash er den tabte bevægelse, der kan opstå, når drevet skifter retning.

 

En kugleskrue kan have god ledningsnøjagtighed, men stadig vise vendefejl, hvis møtrikken har spillerum, støttelejerne har aksialt slør eller koblingen er løs. Et tandstangs-og-pinionsystem kan gentage en position konsekvent, men stadig indeholde en systematisk pitch-fejl under hele vandringen.

Den endelige CNC-nøjagtighed påvirkes også af:

• Lineær guidejustering og monterings-overfladenøjagtighed
• Maskinens-rammestivhed
• Motor og encoder opløsning
• Gearkasse eller koblingsspild
• Termisk ekspansion
• Gantry firkantethed
• Controller kompensation og tuning
• Skære-kraftdeformation

Af denne grund kan skift fra tandstang og tandhjul til en kugleskrue ikke automatisk korrigere en svag ramme eller dårligt justeret føringsvej. Transmissionssystemet er kun en del af den komplette nøjagtighedskæde.

Belastning og stivhed: Hvad hvert drev faktisk bærer

De lineære føringer skal understøtte vægten af ​​portalen, spindlen, vognen eller bordet. En kugleskruemøtrik er primært designet til at bære aksialt tryk langs skruens akse, ikke kontinuerlig radial eller væltende belastning. Forskydning mellem skruen, møtrikhuset og lineære styr kan medføre sidebelastning og forkorte levetiden.

 

Et tandstang-og-drev kræver også et separat styresystem. Tandhjulet leverer kraft gennem tandstangens tænder, mens styreskinnerne styrer positionen og orienteringen af ​​det bevægelige portal. Forkert tandstangshøjde eller tandindgreb kan skabe ujævn tandbelastning, men tandstangen bør ikke bruges som en erstatning for det lineære styresystem.

 

Når du evaluerer drivkapaciteten, skal du bekræfte det nødvendige tryk fra acceleration, skæremodstand, friktion, tyngdekraft og eksterne kræfter. For en kugleskrue skal kompressionsbelastning også kontrolleres mod søjleudbukning. Skruens diameter bør derfor vælges ved at bruge belastning, længde og hastighed sammen frem for at vælge en større diameter udelukkende fordi maskinen er tung. Se DLY guiden påhvordan man vælger den rigtige kugleskruediameter.

Vedligeholdelse og Arbejdsmiljø

CNC-routere kan generere træstøv, kompositpartikler, aluminiumsspåner eller slibende affald. Kugleskruer kræver effektiv beskyttelse, fordi forurening kan trænge ind i møtrikken, afbryde kuglens cirkulation og fremskynde slid på løbebanen. Bælge, dæksler, tætninger, vinduesviskere og regelmæssig smøring kan være påkrævet afhængigt af maskinens miljø.

 

Racktænder er mere udsatte og kan være nemmere at efterse, men de er ikke vedligeholdelsesfrie-. Støv blandet med fedt kan danne en slibende pasta. Tandoverflader, tandhjulsindgreb, tandstangssamlinger og slørjusteringsmekanismer- bør kontrolleres med jævne mellemrum.

 

Det bedre valg er derfor påvirket af, hvordan maskinen vil blive beskyttet og vedligeholdt. Et teoretisk nøjagtigt drev kan ikke holde sin ydeevne, hvis det virkelige arbejdsmiljø ignoreres.

Kan én CNC-router bruge begge systemer?

Ja. En maskine behøver ikke at bruge den samme drivtype på hver akse. En stor CNC-fræser kan bruge tandstang og tandhjul på sine lange X- og Y-akser, mens du bruger en kugleskrue på den kortere Z-akse. Dette arrangement kombinerer høj-lang hastighed med nøjagtig lodret dybdekontrol.

 

Nogle maskiner bruger også forskellige specifikationer på parallelle portalsider. Når to motorer driver et portal, skal controlleren holde de to sider synkroniseret for at forhindre reoler. Mekanisk justering, målsøgningssensorer og portal-kvadreringsprocedurer forbliver afgørende uanset det valgte drev.

Praktisk udvælgelse ved CNC-applikation

Det er udgangspunkter snarere end faste regler. En endelig beslutning bør træffes ud fra beregnede aksekrav og verificerede komponentdata.

Nødvendige oplysninger, før du vælger drevet

Inden du vælger en kugleskrue eller tandstang-og-drev, skal du forberede følgende oplysninger:

• Samlet aksevandring og afstand mellem understøtninger
• Påkrævet hurtig hastighed og normal skære-fremføringshastighed
• Maksimal acceleration og deceleration
• Bevægelig masse, skærekraft og installationsretning
• Påkrævet positioneringsnøjagtighed og repeterbarhed
• Acceptabel tilbageslag eller vendingsfejl
• Motorens nominelle hastighed, maksimale drejningsmoment og encoderspecifikation
• Forventet driftscyklus
• Støv, spåner, kølevæske og driftstemperatur
• Tilgængelig installationsplads og vedligeholdelsesadgang

Hvis en kugleskrue overvejes, skal du også bekræfte skruediameter, roddiameter, ledning, nøjagtighedsgrad, støttearrangement, endebearbejdning, møtriktype og påkrævet skinnelængde. DLY kan evaluere standard og brugerdefineretkugleskruesamlingerefter disse forhold.

Endelig udvælgelse

En kugleskrue er generelt et stærkt valg til en kort eller mellemlang CNC-akse, der kræver høj fremdrift, kontrolleret tilbageslag og nøjagtig fremføringsbevægelse. Tandstangen bliver attraktiv, når aksen er meget lang og skal opnå høj kørehastighed uden den kritiske-hastighedsbegrænsning af en lang roterende skrue.

 

Beslutningen bør ikke være baseret på troen på, at ét system er universelt mere nøjagtigt eller mere holdbart. En vel-designet tandstang-og-pinionakse kan overgå en underdimensioneret lang kugleskrue, mens en korrekt understøttet og forspændt kugleskrue kan give bedre foderkontrol end et dårligt installeret tandstangssystem.

 

For CNC-fræserdesign skal hver akse evalueres separat. Lange X- og Y-akser kan retfærdiggøre tandstang og tandhjul, mens en kortere Z-akse stadig kan drage fordel af en kugleskrue. Hvis der vælges en kugleskrue, skal du kontrollere kritisk hastighed, knækbelastning, ledning, motormoment, støttelejer, justering og miljøbeskyttelse, før du færdiggør designet.

← Tilbage til DLY Blog