Классы точности ШВП C0–C10: допуски и выбор для станка

В заказе на шарико-винтовую передачу запись «точность C5» выглядит вполне определённо. Но за ней остаются вопросы: какой длины винт, по какому каталогу задан класс и какую именно погрешность требуется выдержать. Без этих уточнений два предложения с одинаковым C5 можно сравнить неправильно.

У класса точности есть вполне конкретное содержание: он задаёт допустимые отклонения перемещения гайки от заданного хода. Ниже собраны значения для C0–C10, включая C4 и C6 из каталога HIWIN, и разобрано, как читать эти числа при подборе новой передачи или замене старой.

Какие классы точности ШВП встречаются в каталогах

Чем меньше номер класса в одной системе нормирования, тем строже требования к точности хода. При этом обозначение «C0–C10» не означает, что каждый изготовитель предлагает одиннадцать последовательных классов.

В таблицах THK приведены C0, C1, C2, C3, C5, C7, C8 и C10. В каталоге HIWIN есть также C4 и C6. C9 в рассматриваемых таблицах отсутствует. Если такое обозначение встретилось в предложении, понадобится расшифровка изготовителя; допуск для него нельзя получить усреднением соседних строк.

Для прецизионных передач удобно начать с двух показателей: колебания погрешности на участке 300 мм и за один оборот винта. Все значения ниже — в микрометрах: 1 мкм = 0,001 мм.

Источники: THK, таблицы точности, страница 6 PDF и HIWIN, каталог S99TE21-1810, таблица 4.2 на печатной странице 15. Прочерк означает, что значения нет в выбранной таблице, а не нулевую погрешность. Колебание — ширина поля, поэтому знак «±» к этим числам не добавляют.

Разница в строке C2 существенна: THK указывает 7 мкм на 300 мм, HIWIN — 6 мкм. Это хороший пример того, почему в спецификации стоит указывать не только класс, но и источник требований. У C4 и C6 также есть собственные значения; называть их несуществующими классами было бы ошибкой.

Какие допуски у C7, C8 и C10

В таблице THK для этой группы указан другой показатель: отклонение хода относительно заданного перемещения на длине 300 мм. Его записывают со знаком «±».

Источник — верхняя часть таблицы точности THK. Эти три допуска нельзя механически присоединить к предыдущей таблице под общей подписью «точность станка». Для C0–C6 там приведено колебание погрешности, а здесь — отклонение хода. Чтобы корректно сравнить C5 с C7, нужно учитывать и полную длину прецизионного винта, и показатель, относительно которого измерено отклонение.

C7 часто рассматривают для транспортных и вспомогательных осей с умеренными требованиями к позиционированию. C8 и C10 допускают более грубое перемещение. Пригодность для конкретной оси определяется её допуском: слово «транспортная» само по себе ничего не гарантирует.

Что измеряют: погрешность хода, колебание и ошибка за оборот

Представим измерение винта с номинальным ходом 10 мм за оборот. После 30 оборотов гайка должна пройти 300 мм. Эти числа — пример для объяснения, а не параметры определённой модели.

Если записывать действительное положение гайки вдоль винта, получится кривая отклонений. У неё может быть общий наклон и местные неровности. Например, фактический ход постепенно отстаёт от заданного, а поверх этого отклонения повторяется небольшая волна.

У прецизионной ШВП такую кривую описывают несколькими величинами. Отклонение среднего хода характеризует общий уход от заданной линии перемещения. Колебание на полной длине показывает ширину поля местных отклонений относительно линии среднего хода. Отдельно проверяют участок 300 мм и один оборот. Последний показатель нужен потому, что внутри одного оборота движение тоже может быть неравномерным.

Поэтому надпись «18 мкм на 300 мм» ещё не описывает весь метровый винт. И 18 мкм ширины поля не превращаются автоматически в ±18 мкм ошибки относительно команды ЧПУ. При чтении протокола сначала находят обозначение измеренной величины, затем её допуск. Определения и схема измерения приведены в разделе THK о точности хода.

Как длина винта меняет допустимую погрешность

Для C0–C5 каталог THK задаёт допустимое отклонение среднего хода с учётом эффективной длины резьбы. Ниже приведены несколько строк этой таблицы. Число в ячейке — допускаемый модуль отклонения в микрометрах; отклонение может быть положительным или отрицательным.

Источник: колонка Representative Travel Distance Error в таблице THK. Это выбранные диапазоны, а не полная таблица; для промежуточной длины нужна соответствующая строка каталога.

Например, при эффективной длине резьбы 900 мм у C5 допускаемое отклонение среднего хода составляет 40 мкм. Колебание на полной длине в этой же строке — 27 мкм, а на участке 300 мм — 18 мкм. Все три числа относятся к одному классу и не противоречат друг другу: они описывают разные свойства кривой.

Длину для выбора строки берут именно ту, которую нормирует изготовитель. Общая длина детали с обработанными концами, рабочий ход стола и эффективная длина резьбы могут различаться. Перед заказом полезно нанести их на один чертёж; основы обмера разобраны в статье о снятии размеров старой ШВП.

Где нужны разные классы точности

Удобнее выбирать класс от требуемого перемещения и измерительной системы. Таблицы применений производителей помогают сузить поиск, но не заменяют расчёт оси.

C0 и C1 рассматривают для особо точного позиционирования, измерительных и координатных узлов. Здесь уже нельзя ограничиться покупкой винта: требования к температуре, монтажу и контролю должны соответствовать микрометровым допускам. Если положение меняется после прогрева, более строгий класс изготовления сам по себе проблему не решит.

C2 и C3 позволяют предъявлять высокие требования к точности хода в станочных и позиционирующих механизмах. Для C2 особенно важно сверить каталог: численные нормы THK и HIWIN в приведённой таблице различаются.

C4, C5 и C6 стоит рассматривать как конкретные варианты исполнения с разными допусками. Например, у HIWIN местное колебание на 300 мм меняется от 12 мкм для C4 до 18 мкм для C5 и 23 мкм для C6. Переход между ними может быть существенным для одной оси и ничего не дать другой, если её ошибку определяют основание или опоры.

C7, C8 и C10 рассматривают там, где требования допускают соответствующую погрешность хода. Для подачи материала это может быть приемлемо; для прямого задания положения инструмента — уже требовать другого исполнения или иной схемы измерения. Решение принимают по допуску конкретной операции.

У производителя есть примеры выбора классов по назначению осей. Их следует читать как ориентир. Правило «любому фрезерному станку достаточно C5» из такой таблицы не следует.

Почему класс точности не определяет люфт и преднатяг

Класс описывает геометрию перемещения. Осевой зазор показывает, сколько свободного перемещения возникает при смене направления нагрузки. Преднатяг задаёт внутреннее нагружение пары для уменьшения зазора и повышения её жёсткости. Эти характеристики указывают отдельно.

Возможна передача с точным ходом, у которой есть осевой зазор. Возможна и предварительно нагруженная пара, у которой остаётся заметная погрешность хода. Поэтому к записи C5 в заказе добавляют требование к зазору либо исполнению с преднатягом. Самостоятельно увеличивать преднатяг до исчезновения всех признаков потери движения не следует: часть перемещения теряется в опорах, креплениях и упругих деформациях.

Способ изготовления тоже не заменяет класс. В каталоге HIWIN описаны прецизионные катаные исполнения до C6; при этом изготовитель отдельно оговаривает отличия геометрических допусков и монтажа от шлифованных. При замене проверяют всю спецификацию. Подробное сравнение вынесено в статью о катаной и шлифованной ШВП.

Что происходит с точностью после установки на станок

На станке к погрешности самого винта добавляются деформации от нагрузки, податливость опор, ошибки направляющих и нагрев. Это уже характеристики собранной оси.

Масштаб температурного влияния хорошо показывает оценка NSK: при нагреве на 1 °C метровый винт удлиняется приблизительно на 12 мкм. При равномерном нагреве на 5 °C свободное удлинение того же винта будет около 60 мкм. Второе число получено простым умножением для иллюстрации; реальное смещение рабочего органа зависит от закрепления винта и системы измерения. Источник коэффициента — технический обзор NSK о тепловыделении ШВП.

Энкодер двигателя измеряет вращение вала и не видит фактическое тепловое удлинение винта напрямую. Линейная шкала измеряет положение подвижного узла, однако её установка не исправляет механическую податливость и геометрию направляющих. Схему обратной связи нужно учитывать ещё при выборе передачи.

При разборе ошибки полезно разделить три наблюдения. Положение уходит по мере продвижения вдоль оси — проверяют ход винта и масштаб измерения. Расхождение появляется при подходе к точке с другой стороны — проверяют потерю движения при реверсе. Результат меняется после прогрева — исследуют тепловой режим. Это основания для проверки, а не достаточные признаки для заочного диагноза.

Что записать в заявке на ШВП

К моменту заказа должны быть определены производитель или допустимый аналог, класс с указанием каталога, нормируемая длина, зазор или преднатяг и способ подтверждения точности. Кроме того, нужны обычные параметры передачи: диаметр, ход за оборот, гайка и чертёж концов.

Пример формулировки требования: «Прецизионная ШВП C5 по таблице точности THK; эффективная длина резьбы 900 мм; отклонение среднего хода не более ±40 мкм, колебание на полной длине не более 27 мкм, на участке 300 мм не более 18 мкм. Исполнение гайки и преднатяг согласовать по нагрузке. Приложить протокол контроля». Это пример записи для выбранной строки каталога, а не готовая спецификация для любого станка.

Для ремонта к заявке приложите маркировку старой передачи и требования из документации оборудования. Если паспорт утрачен, сначала определяют необходимую точность оси и возможность её проверить. Покупка «такого же C5» по одному наружному размеру оставляет слишком много неизвестных; порядок проверки приведён в статье о подборе аналога ШВП.

Для подбора в Modulmex можно отправить маркировку, чертёж и требования к позиционированию через сайт направления ШВП. Если класс пока не определён, укажите допуск рабочего органа, ход и схему обратной связи — с этих данных начинается выбор.