Slitta lineare con vite a ricircolo di sfere per macchine utensili CNC: come differiscono i requisiti degli assi X, Y e Z

Quando i costruttori di macchine CNC acquistano viti a ricircolo di sfere e guide lineari per una nuova macchina, l'approccio predefinito consiste nell'applicare le stesse specifiche su tutti gli assi - stesso diametro, stesso passo, stesso tipo di chiocciola. Semplifica l'approvvigionamento, riduce il numero di codici da gestire e sembra conservativo.

In pratica, spesso è l’approccio sbagliato.

Gli assi X, Y e Z di una macchina CNC operano in condizioni fondamentalmente diverse. L'asse X copre la corsa più lunga alla massima velocità. L'asse Y sostiene il peso combinato del gruppo mandrino e si muove sotto carichi trasversali continui-. L'asse Z funziona verticalmente contro la gravità, deve mantenere la posizione quando viene interrotta l'alimentazione e richiede una vite più corta e più rigida rispetto agli assi orizzontali. Utilizzare le stesse specifiche delle viti a ricircolo di sfere per tutti e tre significa sovra-specificare due assi per proteggere il terzo oppure sotto-specificare l'asse più impegnativo per risparmiare sui costi sugli altri.

Questo articolo illustra ciò che ciascun asse richiede effettivamente da una guida lineare con vite a ricircolo di sfere, come abbinare la serie di viti e portare a ciascuna serie di condizioni e dove i costruttori di macchine OEM molto spesso sbagliano le specifiche.

Perché ciascun asse CNC ha requisiti diversi per le viti a ricircolo di sfere

Una guida lineare con vite a ricircolo di sfere non è solo un meccanismo di azionamento. È uno dei componenti chiave che influisce sulla precisione della posizione dell'asse, sulla velocità con cui può muoversi, sulla quantità di spinta che può generare e sulla durata del ciclo di lavoro della macchina. Ciascuno di questi parametri è impostato dalla geometria dell'asse e dalle condizioni di carico - e non da un'unica specifica universale.

Tre fattori variano in modo significativo tra gli assi CNC e determinano direttamente le specifiche della vite a ricircolo di sfere:

Asse X: corsa lunga, alta velocità, massima efficienza di spostamento

Sulla maggior parte dei router CNC, macchine a portale e centri di lavoro, l'asse X è l'asse di traslazione principale - quello responsabile della copertura dell'intera larghezza di lavoro della macchina nei movimenti di traslazione rapida tra i tagli. Solitamente ha la corsa più lunga, funziona alla massima velocità e funziona con carichi relativamente leggeri durante i movimenti rapidi.

Ciò che l'asse X richiede ad una guida lineare con vite a ricircolo di sfere

Prima la velocità.La velocità di traslazione rapida dell'asse X determina l'avanzamento minimo. Per un servomotore che funziona a 3.000 giri/min, il passo richiesto per raggiungere 30 m/min, o 500 mm/s, è: 500 mm/s × 60 ÷ 3.000 giri/min=10mm. Per raggiungere 60 m/min sullo stesso motore è necessario un passo da 20 mm. La maggior parte degli assi X dei router CNC hanno passi compresi tra 10 mm e 20 mm a seconda delle dimensioni della macchina e dei requisiti di velocità. Quando i requisiti di velocità vanno oltre ciò che un SFU con cavo da 20 mm può fornire al massimo numero di giri del motore, la serie SFE con cavo grande - con conduttori da 25 mm, 32 mm, 40 mm e superiori - è il passo successivo corretto.

Diametro dell'albero per velocità critica.Su un asse X con corsa di 2.000 mm, la lunghezza non supportata dell'albero della vite può raggiungere 2.200–2.400 mm tra i cuscinetti di supporto. A questa lunghezza, un albero di 20 mm di diametro può essere limitato dalla velocità critica ben prima di raggiungere il numero di giri di traslazione rapida richiesto, a seconda della configurazione del supporto, del fattore di sicurezza e della struttura della vite. In molti assi CNC a corsa lunga-, le viti da 32 mm o 40 mm di diametro vengono selezionate principalmente per mantenere la velocità critica al di sopra dell'intervallo operativo - non perché il carico lo richiede.

C7 laminato è solitamente il grado di precisione corretto.Per le fresatrici per la lavorazione del legno e le macchine di fabbricazione generale, le viti a ricircolo di sfere rullate C7 sono spesso sufficienti quando la precisione di posizionamento richiesta è moderata. La precisione finale della macchina dipende anche dal montaggio, dal gioco, dall'espansione termica, dalla rigidità della guida e dalla compensazione del controllo - il grado della vite è uno dei tanti fattori.

Asse Y: corsa media, carico combinato, rigidità strutturale

In molti router CNC e macchine a portale-, l'asse Y trasporta il motore del mandrino, il gruppo dell'asse Z- e spesso la traversa o la sella del portale. Si muove perpendicolarmente all'asse X, in genere a una velocità inferiore a X ma con un carico significativamente più elevato - perché la massa di tutto ciò che è montato sul carrello Y si aggiunge alla forza assiale richiesta durante l'accelerazione e la decelerazione.

Ciò che l'asse Y richiede ad una guida lineare con vite a ricircolo di sfere

Requisito di spinta più elevato rispetto a X.Se il gruppo dell'asse Z-e il mandrino pesano insieme 80 kg e la macchina accelera a 0,3 g, l'asse Y deve generare 80 × 9,8 × 0.3=235N di spinta solo per l'accelerazione - prima che venga aggiunta qualsiasi forza di taglio. La vite a ricircolo di sfere deve essere dimensionata per il carico assiale equivalente, comprese le componenti della forza di accelerazione e della forza di taglio nella direzione della vite, con un adeguato margine di sicurezza Ca.

Gestione del carico momento.Quando il mandrino taglia in un punto sfalsato rispetto alla linea centrale dell'asse Y, la forza di reazione crea un momento di carico sul carrello Y. Questo momento è trasportato dalle guide lineari e non dalla vite a ricircolo di sfere. I carichi di momento derivanti dalle forze di taglio offset devono essere calcolati separatamente per le guide lineari e i blocchi del carrello - le specifiche della guida, inclusa la larghezza della guida, il numero di blocchi e la classe di precarico, devono corrispondere al momento massimo che la geometria dell'asse Y può generare. La sotto-specificazione delle guide dell'asse Y-e la corretta specifica della vite a ricircolo di sfere è un errore di progettazione comune che produce usura prematura della guida e perdita di precisione.

Piombo medio per velocità e spinta bilanciate.L'asse Y non necessita dell'ampio passo dell'asse X perché copre una corsa più breve a una velocità rapida inferiore. Un passo da 10 mm fornisce un equilibrio ragionevole tra velocità e spinta per la maggior parte degli assi Y dei router CNC e dei centri di lavoro. Sulle macchine per impieghi gravosi- che spostano pesi della sella superiori a 200 kg, potrebbe essere necessario un cavo da 5 mm con una vite di diametro maggiore per fornire una spinta adeguata alla coppia nominale del motore.

Asse Z: corsa breve, carico verticale, rischio di guida all'indietro-

L'asse Z è il più meccanicamente distinto dei tre. Si muove verticalmente, trasporta un carico costante verso il basso, il peso del mandrino funziona sempre con una corsa breve e deve mantenere la posizione in modo affidabile quando il servoazionamento è diseccitato. Questi requisiti indicano una specifica della vite a ricircolo di sfere che è l'opposto dell'asse X sotto quasi ogni aspetto.

Ciò che l'asse Z richiede ad una guida lineare con vite a ricircolo di sfere

Piccolo vantaggio per la tendenza alla spinta della parte bassa della schiena-e una spinta più elevata.Un passo più piccolo offre al motore un vantaggio meccanico maggiore e riduce la tendenza dell'asse Z a spostarsi all'indietro-sotto il peso del mandrino. Tuttavia, una vite a ricircolo di sfere non deve essere trattata come un meccanismo autobloccante. - Le viti a ricircolo di sfere hanno un'elevata efficienza meccanica, il che significa che sono più suscettibili all'azionamento inverso-rispetto alle tradizionali viti a ricircolo di sfere. Il fatto che un dato asse Z possa tornare indietro-dipende dall'avanzamento, dal carico, dall'efficienza della vite, dalle condizioni di lubrificazione e dal fatto che il servoazionamento mantenga la coppia di tenuta quando è fermo.

Un passo da 5 mm è standard per gli assi Z CNC. Fornisce una spinta sufficiente dalla coppia nominale del motore e mantiene il valore Dm·N entro il campo di funzionamento alle velocità interessate. Ma il solo piombo non garantisce che il mandrino non scenderà quando viene interrotta l'alimentazione.

Spesso è necessario il freno motore o il contrappeso.Per gli assi CNC verticali, è necessario prendere in considerazione un freno motore o un contrappeso ogni volta che una discesa incontrollata può creare un rischio per la sicurezza, l'utensile o il pezzo. Come riferimento pratico, i gruppi mandrino dell'asse Z- di circa 15-20 kg o superiori dovrebbero normalmente essere controllati per i requisiti di freno o contrappeso - ma la soglia effettiva dipende dal passo, dall'efficienza della vite, dall'attrito e dal comportamento della trasmissione e dovrebbe essere valutata per ciascun progetto anziché applicata come una regola fissa.

L'albero corto significa rigidità, non velocità critica.L'albero della vite dell'asse AZ- è generalmente lungo 300-600 mm. A questa lunghezza, la velocità critica di solito non è il fattore limitante anche per diametri piccoli. La selezione del diametro è determinata dalla capacità di carico, dal Ca e dalla flessione dell'albero sotto il peso del mandrino. Un albero da 16 mm o 20 mm di diametro copre la maggior parte degli assi Z del router CNC; i centri di lavoro con mandrini più pesanti potrebbero richiedere 25 mm.

Doppia chiocciola per lavorazioni di precisione.Sui centri di lavoro CNC in cui l'asse Z controlla la profondità di taglio, il gioco nell'asse Z influisce direttamente sulla finitura superficiale e sulla precisione dimensionale. Il design a doppio dado DFU- aiuta a ridurre al minimo il gioco assiale e a migliorare la rigidità. Sui router CNC dove la tolleranza di profondità è ±0,1 mm, è sufficiente un asse Z a dado singolo SFU-standard.

Guida lineare compatta per vincoli di spazio.L'asse Z solitamente ha lo spazio di installazione più limitato. Una guida lineare stretta, come HDR15 o HDR20 della serie HD di DLY, con due blocchi è tipica. La guida deve essere dimensionata per sostenere il peso combinato del mandrino più carrello più qualsiasi utensile nel mandrino, con un margine di carico dinamico adeguato.

Errori comuni nelle specifiche da parte di Axis

Riepilogo delle specifiche degli assi X, Y, Z

Fornitura di viti a ricircolo di sfere e guide lineari per assi CNC

Per i costruttori di macchine CNC OEM che acquistano componenti in grandi quantità, la considerazione pratica dopo la specifica è la coerenza tra i lotti. Una vite che soddisfa la precisione Ca e passo del primo ordine deve soddisfare le stesse specifiche del decimo ordine. La variazione tra lotti - nel diametro della sfera, nel precarico o nell'errore del passo - produce macchine che funzionano in modo diverso nonostante utilizzino gli stessi numeri di parte, il che crea problemi di controllo qualità e post-vendita.

DLY produceSFU-dado singoloEDoppio-dado DFUviti a ricircolo di sfere nei diametri da 12 mm a 80 mm, con passi da 4 mm a 20 mm, nelle qualità di precisione C7 rullate e C5/C3 rettificate. Per le applicazioni dell'asse X ad alta-velocità che richiedono passi superiori a 20 mm, ilSerie di lead-di grandi dimensioni SFEcopre cavi da 25 mm, 32 mm, 40 mm, 50 mm e 64 mm. Le guide lineari sono disponibili nella serie HD, da HDR15 a HDR65, per applicazioni CNC generiche, la serie ED, da EDR15 a EDR30, per applicazioni a basso-profilo e ad alta-velocità, e la serie di rulli RD, da RDR15 a RDR65, per requisiti di-carico pesante e alta-rigidità. Tutte le serie sono disponibili nelle qualità standard e ad alta precisione e supportano ordini in lotti con conferma dei tempi di consegna in fase di richiesta.

Conferma le specifiche dell'asse CNC prima di ordinare

Se stai specificando viti a ricircolo di sfere e guide lineari per un nuovo progetto di macchina CNC o sostituendo componenti su una macchina esistente, il team di ingegneri di DLY può rivedere i parametri dell'asse e confermare la serie di viti, il diametro, il passo e le specifiche della guida corretti per ciascun asse.

Il prezzo del lotto e i tempi di consegna vengono confermati contemporaneamente alle specifiche tecniche.