Шариковые винты объяснены: Практическое руководство для специалистов в области промышленной автоматизации

1. Что такое Шаровой винт ? Основы и принцип работы

2. Пять ключевых компонентов шарико-винтовой пары

• Винтовая шпилька : Вращающаяся часть системы с прецизионно обработанной спиральной дорожкой качения. Большинство изготавливаются из хромистой подшипниковой стали с высоким содержанием углерода (SUJ2) или легированной стали (SCM440) — материалы выбраны за их прочность. После закалки (термообработки) и прецизионного шлифования вал достигает твердости HRC58-62 и шероховатости поверхности Ra ≤ 0,2 мкм. Это обеспечивает плавное качение стальных шариков и устойчивость к износу даже при высоких скоростях.
• Гайка : Деталь, движущаяся поступательно и точно совмещающаяся с винтовым валом. Ее внутренняя дорожка качения шлифуется таким образом, чтобы точно соответствовать канавке винта, и оснащена монтажными отверстиями для крепления к линейным компонентам (например, столу станка). Использование того же материала, что и у вала, обеспечивает одинаковый износ и совместимость.
• Стальные шарики : Маленькие компоненты, уменьшающие трение. Изготовлены из высокоточной подшипниковой стали марки G10-G3 (с допуском по диаметру всего ±0,001 мм), их размер и количество напрямую влияют на величину нагрузки, которую может выдержать шариковинтовая передача (грузоподъёмность), и на её жёсткость (жёсткость). Представьте их как "ролики", обеспечивающие эффективную работу всей системы.
• Система циркуляции (устройство возврата) : «Регулировщик движения» для стальных шариков. Направляет шарики обратно к началу дорожки качения, чтобы движение не прерывалось. Существует два основных типа — внутренняя и внешняя циркуляция (об этом позже). Хорошо спроектированная система циркуляции обеспечивает низкий уровень шума и плавность хода.
• Устройство запайки : Защитное устройство. Устанавливается на концах и внешнем крае гайки; уплотнения предотвращают попадание пыли, металлической стружки и смазочно-охлаждающих жидкостей в дорожку качения и удерживают смазку внутри. Распространённые типы включают контактные уплотнения (резиновые или фетровые) для запылённых условий и бесконтактные лабиринтные уплотнения для высокоскоростных применений. Правильный выбор уплотнения имеет ключевое значение для длительного срока службы.

3. Распространенные типы Шариковые винты : Как выбрать подходящий

3.1 По способу циркуляции шариков (внутренняя и внешняя)

• Шариковые винты с внутренней циркуляцией : Шарики циркулируют внутри гайки через встроенный реверсивный канал. Преимущества: компактная конструкция (подходит для ограниченного пространства), тихая работа (≤ 60 дБ) и высокая скорость (до 3000 об/мин). Идеально подходят для высокоточных применений, таких как станки с ЧПУ и оборудование для упаковки полупроводников. Недостатки: более сложное производство, поэтому стоят немного дороже.
• Шариковые винты с внешней циркуляцией : Шарики циркулируют вне гайки через отдельную возвратную трубку или направляющий паз. Преимущества: простота изготовления (ниже стоимость), легкость обслуживания, и вы можете добавить несколько контуров для увеличения грузоподъемности. Недостатки: более громоздкий размер гайки, более шумная работа и более низкая максимальная скорость (≤ 2000 об/мин). Идеально подходит для общего автоматизационного оборудования и тяжелой техники, где высокая точность не является приоритетом.

3.2 По классу точности (Что означают C1–C16?)

• Высокая точность (C1–C5) : Очень малая погрешность хода (до ≤ 0,003 мм/300 мм для класса C1). Применяется в областях, где каждый микрон имеет значение — например, в упаковочных машинах для полупроводников и позиционных столах оптических приборов. Эти гайки относятся к высшему уровню и используются в задачах, требующих высокой точности.
• Средняя точность (C7–C10) : Наиболее популярный класс для промышленного применения. Погрешность хода составляет от 0,025 мм/300 мм (C7) до 0,050 мм/300 мм (C10). Обеспечивает баланс между точностью и стоимостью, что делает его идеальным для общих станков с ЧПУ, роботизированных рук и линейных модулей. Если вы не уверены, какой класс выбрать, этот вариант является безопасным выбором.
• Общая точность (C16) : Погрешность хода до ≤ 0,100 мм/300 мм. Изготавливается методом прокатки (быстро и дешево), такие винты используются в низкоточных приложениях, таких как автоматические двери, простые конвейеры или любые системы, где точное позиционирование не является критичным. Это экономичное решение для базового контроля движения.

3.3 По типу установки (фиксированный-фиксированный, фиксированный-свободный, фиксированный-поддерживаемый)

• Фиксированный-фиксированный : Оба конца закреплены с помощью упорных шарикоподшипников. Преимущества: наивысшая жесткость, способность выдерживать большие осевые нагрузки и поддержка высоких критических скоростей (без резонанса). Идеально подходит для применений с длинным ходом и высокой скоростью, таких как крупные станки с ЧПУ или промышленные роботы. Недостатки: требует точной установки во избежание проблем, связанных с тепловым расширением.
• Фиксированный-Свободный : Один конец фиксирован, другой свободен (без подшипника). Преимущества: очень простой монтаж, свободный конец компенсирует тепловое расширение (когда винт нагревается и расширяется). Недостатки: низкая жесткость, ограниченная грузоподъёмность. Наилучшее применение — короткоходовые, низкоскоростные системы, такие как небольшие электронные устройства или лёгкие линейные направляющие.
• Фиксированный-Поддерживаемый : Один конец фиксирован, другой поддерживается глубоким шарикоподшипником. Преимущества: обеспечивает баланс между жёсткостью и простотой установки. Может выдерживать умеренные осевые нагрузки и ходы. Недостатки: не такая высокая жёсткость, как при схеме фиксированный-фиксируемый. Идеально подходит для среднего хода и среднескоростных модулей автоматизации — например, роботов пик-энд-плейс или упаковочного оборудования.

4. Ключевые технические показатели для оценки шариковых винтов

• Ход (P) : Расстояние, на которое перемещается гайка при одном полном обороте винта (измеряется в мм). Ход определяет две важные вещи: скорость (линейная скорость = ход × скорость вращения) и разрешение позиционирования. Используйте мелкий ход (≤ 5 мм) для точного позиционирования (например, в оптическом оборудовании) и крупный ход (≥ 20 мм) для высокоскоростных применений (например, в упаковочных линиях).
• Осевая грузоподъемность : Максимальное осевое усилие (в ньютонах, Н), которое шариковый винт может выдерживать без повреждений. Определяется размером и количеством стальных шариков, а также формой дорожки качения. Перегрузка шарикового винта приведёт к преждевременному износу и снишению точности — поэтому всегда выбирайте изделие с грузоподъёмностью, превышающей потребности вашей системы.
• Жесткости : Насколько хорошо шарико-винтовая передача сопротивляется деформации под нагрузкой. Осевая жесткость наиболее важна для точности позиционирования — если винт изгибается или растягивается под нагрузкой, точность позиционирования будет снижена. Повысьте жесткость, выбрав больший диаметр винта, используя установку с фиксацией с двух концов или добавив преднатяг (мы рассмотрим преднатяг далее).
• Критическая скорость : Максимальная скорость (в об/мин), с которой винт может вращаться без возникновения резонанса (сильного вибрационного shaking). Если вы превысите эту скорость, винт начнет вибрировать, что разрушит точность и может повредить систему. Критическая скорость зависит от диаметра, длины винта и типа установки — более длинные и тонкие винты имеют более низкие критические скорости.
• КПД передачи : Отношение выходной мощности к входной. Шарико-винтовые передачи чрезвычайно эффективны — 90–98 %, по сравнению с 30–50 % для скользящих винтов. Высокая эффективность означает меньшие потери энергии, что снижает нагрузку на двигатель и экономит расходы на энергию.

5. Пошаговое руководство по выбору правильного Шаровой винт

1. Определите требования вашего применения : Начните с записи ваших ключевых потребностей: какая точность позиционирования требуется? Какую нагрузку будет выдерживать шарико-винтовая передача? Какова максимальная скорость? Какой длины ход? Ответы на эти вопросы сузят выбор (например, высокая точность = класс C1-C5; большая нагрузка = шарико-винтовая передача большего диаметра).
2. Выберите тип циркуляции : Выбирайте внутреннюю циркуляцию, если требуется высокая скорость, низкий уровень шума или компактная конструкция (например, станки с ЧПУ). Выбирайте внешнюю циркуляцию, если важна стоимость, простое обслуживание или есть место для более крупной гайки (например, общее автоматизированное оборудование).
3. Подберите класс точности ультра-точность (C1-C5) для полупроводников, оптики или медицинского оборудования. Средняя точность (C7-C10) для большинства станков с ЧПУ, роботов и линейных модулей. Общая точность (C16) для недорогих, низкоточных задач, таких как автоматические двери или конвейеры.
4. Учесть рабочую среду если ваша система находится в пыльной, влажной или агрессивной среде (например, в цеху по обработке металлов), выбирайте шарико-винтовые пары с усиленными уплотнениями и антикоррозийной обработкой (никелирование или хромирование). Для высокотемпературных условий (например, вблизи печей) используйте жаростойкие материалы и смазки.
5. Определить потребность в предварительном натяге предварительный натяг устраняет люфт (зазор) между винтом и гайкой, повышая жесткость и точность позиционирования. Используйте шарико-винтовые пары с предварительным натягом (двойная гайка, смещение или предварительный натяг по ходу) для применений, таких как обработка на станках с ЧПУ или 3D-печать. Пропускайте предварительный натяг для общих задач, чтобы сэкономить — шарико-винтовые пары без предварительного натяга вполне подходят для большинства базовых систем позиционирования.

6. Советы по обслуживанию для продления срока службы шарико-винтовой передачи

• Регулярная смазка : Смазка уменьшает трение и износ. Используйте смазочное масло для высокоскоростных применений (они лучше течет на высоких скоростях) и смазку для низкоскоростных, тяжелонагруженных задач (она дольше остается на месте). Наносите каждые 200–500 часов работы — установите напоминание, чтобы не пропустить этот важный шаг.
• Держите чистым и герметичным : Регулярно проверяйте уплотнения на наличие повреждений — заменяйте их при трещинах или износе. Periodически протирайте вал и гайку шарико-винтовой передачи, чтобы удалить пыль и загрязнения. В агрессивных средах (например, при деревообработке или металлообработке) добавьте телескопический защитный кожух, чтобы предотвратить проникновение загрязнений.
• Регулярно проверяйте точность : Используйте индикатор часового типа (для базовой проверки) или лазерный интерферометр (для точных измерений), чтобы проверить точность позиционирования и погрешность хода. Если вы заметили снижение точности — например, детали выходят за допуски — пора отрегулировать или заменить шарико-винтовую пару.
• Избегайте перегрузки и превышения скорости : Соблюдайте номинальную нагрузку и предельную скорость шарико-винтовой пары. Перегрузка может привести к изгибу винта или повреждению дорожки качения; превышение скорости вызывает резонанс и вибрации. Если вашей системе требуется больше мощности, замените шарико-винтовую пару на более крупную — не превышайте допустимые пределы малой шарико-винтовой пары.