Как выбрать ШВП для станка с ЧПУ

ШВП подбирают под движение и нагрузку оси. Винт должен обеспечить нужную скорость и передать усилие с допустимой упругой деформацией, а гайка — отработать заданное количество циклов. Класс точности, осевой зазор и монтажные размеры проверяют вместе с этими условиями.[1][2]

При ремонте часть параметров уже задана конструкцией станка. Для нового оборудования приходится выбирать диаметр, ход за оборот, гайку и опоры совместно. В обоих случаях полезно начинать с того, как работает ось, а затем переходить к каталожному исполнению.

Опишите движение и силы

Рабочий ход оси задаёт диапазон перемещения стола или шпиндельного узла. Ход винта за оборот показывает, какое расстояние гайка проходит за один поворот винта. Это разные размеры. В многозаходной резьбе расстояние между соседними витками также отличается от хода за оборот.

Для расчёта нужны масса подвижных деталей с оснасткой и заготовкой, скорость подачи, скорость быстрых перемещений, ускорение и силы обработки. Режим лучше разделить на разгон, равномерное движение, торможение, рабочую подачу и паузы. Силы и скорости на этих участках могут существенно различаться.

У горизонтального стола вес воспринимают направляющие. ШВП разгоняет массу и преодолевает продольную силу резания и сопротивления движению. У вертикальной оси без уравновешивания к продольной нагрузке добавляется вес. Силу определяют для обоих направлений, включая торможение.[1]

Нужно также знать требуемую точность положения рабочего органа. Если ось перемещает заготовку к отдельному упору, требования к ходу винта могут быть умеренными. Если координата стола непосредственно задаёт размер детали, погрешность ШВП участвует в допуске обработки.

Свяжите ход за оборот со скоростью и моментом

Больший ход позволяет получить ту же линейную скорость при меньших оборотах винта. Одновременно для передачи той же осевой силы требуется больший момент. Эти две зависимости приходится учитывать вместе при подборе двигателя.[1][2]

Для прямого соединения двигателя с винтом частота вращения равна n = 1000v/h, где v — скорость в м/мин, h — ход за оборот в миллиметрах. Момент от осевой нагрузки определяют как T = Fh/(2πη); в этой формуле h подставляют в метрах, F в ньютонах, результат получают в Н·м.[1]

Например, для предварительного сравнения двух вариантов зададим скорость 24 м/мин, осевую силу 1000 Н и КПД 0,90. Это условный режим, а не выбранная модель ШВП.

Такое сравнение помогает понять выбор хода. Если длинный винт ограничен по оборотам, вариант с большим ходом может быть удобнее. Но двигатель должен развивать больший момент на новой рабочей частоте. К приведённым значениям добавляются сопротивление преднатяга, подшипников и уплотнений, а во время разгона — момент для вращающихся деталей.[1]

Инерцию подвижной массы учитывают либо через осевую силу разгона, либо через приведённую инерцию в моторном расчёте. Если включить её обоими способами, нагрузка получится завышенной.

Проверьте диаметр и допустимые обороты

Диаметр выбирают по нескольким условиям. Толстый винт жёстче и лучше сопротивляется продольному изгибу, но имеет большую вращательную инерцию. При частых разгонах это влияет на двигатель и динамику оси.

Для вращающегося винта рассчитывают критическую частоту. Она связана с поперечными колебаниями и зависит от диаметра по впадинам дорожки, расстояния между опорами и закрепления концов. Рабочие обороты должны оставаться ниже допустимых по методике изготовителя.[1][2]

Наружный диаметр и диаметр по впадинам — разные значения. Для расчёта берут соответствующий размер из каталога выбранного винта. Вместо рабочего хода используют длину, указанную в расчётной схеме: стол может перемещаться на небольшое расстояние, хотя пролёт между подшипниками значительно больше.

Отдельно проверяют скоростное ограничение гайки. Изготовители используют произведение диаметра окружности центров шариков на частоту вращения, обозначаемое DN или Dm·N. Допустимое значение зависит от конструкции возвратных каналов и серии. В каталоге THK для разных моделей приведены разные пределы. Рабочую частоту выбирают по меньшему из ограничений, полученных по поперечным колебаниям винта и скорости гайки.[1]

При сжимающей нагрузке проверяют устойчивость винта. Неблагоприятное положение гайки находят по длине сжатого участка и пути передачи силы. Схема для этой проверки может отличаться от схемы поперечных колебаний всего вращающегося винта.[2]

Подберите гайку по нагрузке и ресурсу

У гайки проверяют статическую грузоподъёмность с требуемым запасом и динамическую грузоподъёмность для расчёта усталостного ресурса. Большое каталожное число C само по себе не задаёт допустимую рабочую силу всей оси: дополнительно рассчитывают винт, опоры и крепления.[1]

При переменной нагрузке ресурс определяют по эквивалентной осевой силе. В методике HIWIN силы учитываются в кубической зависимости с весами по числу оборотов соответствующих участков.[2] Поэтому короткое движение с большой нагрузкой может заметно изменить результат. Для перевода ресурса в часы нужны средняя частота вращения и полный режим работы.

Преднатяг создаёт внутреннюю нагрузку ещё до приложения внешней силы. Её учитывают при расчёте ресурса выбранного исполнения. Расчёт одинарной гайки без преднатяга нельзя без изменений перенести на предварительно нагруженный узел.[1][2]

Размеры гайки выбирают с учётом корпуса и обслуживания. Проверяют наружный диаметр, длину, фланец, отверстия, положение смазочного штуцера и место для возвратных элементов. Гайка должна помещаться в крайних положениях, оставляя предусмотренный запас до конца рабочей дорожки и соседних деталей.

Согласуйте точность, преднатяг и опоры

Класс точности описывает погрешность хода винта. Осевой зазор определяет свободное перемещение при реверсе. Преднатяг уменьшает этот зазор и повышает жёсткость контактов, но увеличивает сопротивление вращению и нагрев.[1][2]

Погрешность собранной оси зависит также от винта, опор и кронштейнов. Под силой резания они деформируются. Длина нагруженного участка винта меняется при движении гайки, поэтому жёсткость может различаться вдоль хода.[1]

Энкодер двигателя позволяет вычислять положение через угол поворота винта. Линейная шкала измеряет перемещение стола непосредственно. Схему измерения учитывают вместе с нагревом и требуемой точностью: после прогрева положение может меняться из-за температурного удлинения винта.[1]

Обработанные концы согласуют с опорами и муфтой. Нужны диаметры и длины шеек, упорные торцы, переходные радиусы, резьба под стопорную гайку и канавки колец. THK требует при вертикальной установке меры против падения.[3] Для оси предусматривают удержание с учётом возможных отказов; перед обслуживанием подвижный груз фиксируют предусмотренным способом.

Что учитывать при ремонте и сборке

Для замены собирают полную маркировку старой ШВП, чертёж или обмер винта с гайкой, размеры опор и приводного конца. Если двигатель и управление сохраняются без перенастройки, ход за оборот новой передачи должен соответствовать исходному. При реконструкции другой ход возможен после пересчёта привода и настройки ЧПУ.

Ход проверяют по перемещению гайки за полный оборот. Резьбомер определяет шаг резьбы; наружный диаметр измеряют отдельно. Эти измерения помогают восстановить геометрию, но не устанавливают класс точности старой передачи.

Перед запуском согласуют ось винта с направляющими, проверяют перемещение по всему ходу и работу смазки. Стружка или абразивная пыль повреждают дорожки, поэтому защиту винта и доступ для обслуживания предусматривают ещё при компоновке.[1] После сборки измеряют осевой зазор, равномерность хода и точность перемещения в обычном рабочем тепловом режиме.

Источники

[1] THK. Каталог 511RU, раздел «Шарико-винтовые передачи».

[2] HIWIN. Каталог шарико-винтовых передач S99TE21-1810.

[3] THK. Ball Screw, Handling Precautions: монтаж, смазка и вертикальная установка.