Vite a ricircolo di sfere o pignone e cremagliera per router CNC: quale sistema di azionamento scegliere?

Sia una vite a ricircolo di sfere che un sistema a cremagliera-possono convertire la rotazione del motore in movimento lineare, ma non si comportano allo stesso modo all'aumentare della lunghezza della corsa, della velocità e della forza di taglio. Le viti a ricircolo di sfere sono comunemente selezionate per un movimento di avanzamento accurato, basso attrito e gioco controllato. Le unità a cremagliera-e-pignone sono spesso prese in considerazione per assi di fresatura CNC lunghi in cui è richiesta un'elevata velocità di spostamento e una vite rotante diventerebbe difficile da controllare.

 

Nessuno dei due sistemi di trasmissione sostiene da solo la tavola della macchina. Le guide lineari supportano il carico in movimento e controllano la direzione di marcia, mentre la vite a ricircolo di sfere o la trasmissione a cremagliera-fornisce la spinta che muove l'asse. Scegliere tra i due richiede quindi la valutazione dell'asse completo anziché confrontare solo la vite e la cremagliera.

 

Per molte macchine CNC compatte e medie, una vite a ricircolo di sfere opportunamente selezionata rimane una soluzione efficace. Per un asse del portale lungo che misura diversi metri, tuttavia, la velocità critica, la frusta a vite e la disposizione del supporto possono rendere più pratici il pignone e la cremagliera. La scelta corretta dipende dalla corsa, dalla velocità di spostamento rapido-, dalla precisione di taglio, dalla massa in movimento, dalle condizioni di installazione e dalla capacità di manutenzione.

Come funzionano i due sistemi di azionamento CNC

In un asse con vite a ricircolo di sfere convenzionale, il motore fa ruotare l'albero della vite attraverso un giunto o una trasmissione a cinghia. Le sfere di ricircolo rotolano tra le piste della vite e della chiocciola, provocando il movimento lineare della chiocciola e della tavola della macchina collegata. Il contatto volvente fornisce un'elevata efficienza meccanica e consente al sistema di trasmettere una spinta assiale significativa con un attrito relativamente basso.

 

In un asse a cremagliera-e-pignone, la cremagliera è fissata lungo il telaio della macchina mentre il motore fa ruotare un pignone che ingrana con i denti della cremagliera. Il pignone e il motore normalmente viaggiano con il portale o il carrello mobile. Poiché il rack è supportato in modo continuo lungo il telaio, il sistema non dispone di un lungo albero rotante che possa sferzare alla sua frequenza naturale.

 

Questa differenza strutturale diventa sempre più importante man mano che l'asse si allunga. Una vite a ricircolo di sfere è supportata principalmente attraverso i suoi cuscinetti terminali e può abbassarsi o vibrare tra tali supporti. Una cremagliera è montata lungo la sua lunghezza, ma la sua precisione dipende dalla qualità dei denti, dall'innesto degli ingranaggi, dall'allineamento dei giunti, dalla lubrificazione e dal metodo di controllo del gioco.

Vite a ricircolo di sfere vs cremagliera e pignone: differenze principali

Perché la lunghezza della corsa è importante per una vite a ricircolo di sfere

Non è possibile selezionare una vite a ricircolo di sfere solo in base al diametro e al passo. All’aumentare della distanza non supportata tra i cuscinetti, la velocità di rotazione critica diminuisce rapidamente. In prossimità della velocità critica, l'albero può iniziare a sferzare, producendo vibrazioni, rumore, carico sui cuscinetti, posizionamento instabile e possibili danni al sistema di circolazione della chiocciola.

 

Una relazione metrica preliminare comunemente utilizzata è:

Il fattore esatto e il limite di sicurezza dovrebbero essere ricavati dal metodo di calcolo del produttore selezionato. I fattori preliminari rappresentativi sono circa 3,9 per fisso-gratuito, 12,1 per supportato-supportato, 18,7 per fisso-supportato e 27,2 per fisso-fisso. Questi fattori non devono essere considerati sostitutivi della verifica finale da parte del produttore della vite a ricircolo di sfere.

 

La relazione importante è il termine di lunghezza al quadrato. Se la lunghezza non supportata aumenta mentre il diametro e la disposizione dei supporti rimangono invariati, la velocità critica diminuisce in proporzione a 1/L². Aumentare la corsa da 1 metro a 2 metri non si limita a dimezzare la velocità consentita; la velocità critica stimata scende a circa un-quarto.

Per maggiori dettagli su questa limitazione, vederecome evitare la velocità critica della vite a ricircolo di sfere.

Esempio di calcolo del viaggio lungo-

Consideriamo un asse CNC preliminare utilizzando una vite a ricircolo di sfere con i seguenti valori assunti:

• Diametro della radice: 25 mm
• Passo: 10 mm/giro
• Fine del supporto: risolto-supportato
• Fattore di supporto utilizzato per il calcolo preliminare: 18,7

Esempio A: lunghezza non supportata di 2.000 mm

Normalmente la macchina non dovrebbe funzionare continuamente alla velocità critica calcolata. Se si utilizza un limite di sicurezza preliminare dell'80%, la velocità della vite diventa di circa 935 giri/min e la corrispondente velocità lineare è di circa 9,35 m/min.

Esempio B: lunghezza non supportata di 3.000 mm

All'80% di questo valore preliminare la velocità lineare corrispondente è solo di circa 4,15 m/min. L'esempio mostra perché una vite adatta per un asse di 2- metri potrebbe non raggiungere la velocità di rapido richiesta dopo che la lunghezza non supportata aumenta a 3 metri.

 

Ciò non stabilisce una linea di demarcazione universale di 2- metri o 3- metri. Un diametro della radice maggiore, un passo più elevato, un supporto fisso-fisso, un design a dado rotante o una strategia di supporto intermedio possono modificare il risultato. La selezione finale deve inoltre verificare il valore DN, la velocità della chiocciola, il carico assiale, la deformazione, la coppia di accelerazione, la dilatazione termica e la capacità portante.

Dove le viti a ricircolo di sfere hanno un vantaggio

Una vite a ricircolo di sfere è spesso la scelta più efficace quando un asse CNC richiede avanzamento controllato, spinta elevata e precisione di inversione stabile su una corsa breve o media. Il passo della vite è prodotto secondo una classe di precisione, che consente ai progettisti di macchine di mettere in relazione la rotazione comandata con il movimento lineare previsto.

Le strutture precaricate delle chiocciole a ricircolo di sfere possono ridurre il gioco assiale e migliorare la rigidità quando la direzione del movimento si inverte. Ciò è particolarmente utile sugli assi di lavorazione in cui il gioco può influenzare la posizione del foro, la precisione del contorno e la finitura superficiale. Il design dei contatti rotanti-fornisce inoltre un'elevata efficienza di trasmissione, pertanto il motore può convertire la coppia in forza assiale con un attrito relativamente basso.

 

Le viti a ricircolo di sfere vengono spesso utilizzate sugli assi Z CNC perché la corsa è normalmente inferiore alla corsa del gantry principale e l'asse richiede un controllo accurato della profondità. Un asse verticale con vite a ricircolo di sfere deve comunque includere un freno motore, un contrappeso o altre misure di sicurezza adeguati poiché non si deve presumere che una vite a ricircolo di sfere sia auto-bloccante.

 

Le viti a ricircolo di sfere possono essere preferite anche per assi X e Y compatti, sistemi di alimentazione per il taglio dei metalli-, trapani, tavoli di posizionamento di precisione e apparecchiature di automazione dove la spinta e la stabilità di posizionamento sono più importanti della corsa estremamente lunga.

Dove cremagliera e pignone hanno un vantaggio

I sistemi a cremagliera-e-pignone diventano interessanti quando la macchina ha un asse lungo e deve mantenere un'elevata velocità di traslazione rapida-. La cremagliera è fissata in modo continuo al telaio della macchina, pertanto l'aumento della sua lunghezza non crea lo stesso problema di velocità critica dell'albero rotante-dell'albero-riscontrato in una vite a ricircolo di sfere convenzionale.

 

Le sezioni della cremagliera possono anche essere unite per creare corse lunghe senza produrre e trasportare una vite rotante estremamente lunga. Ciò è utile per router di grandi dimensioni per la lavorazione del legno, macchine per la lavorazione di pannelli-, tavoli al plasma e altre apparecchiature a portale con corsa misurata in diversi metri.

 

Tuttavia, cremagliera e pignone non dovrebbero essere automaticamente descritti come imprecisi. Un sistema a cremagliera di precisione prodotto e installato correttamente può fornire buone prestazioni di posizionamento. Il risultato dipende dalla precisione del passo della cremagliera, dalla qualità del pignone, dall'innesto dei denti, dalla disposizione del precarico o del pignone diviso, dal gioco del riduttore, dall'allineamento dei giunti della cremagliera e dal controllo del feedback.

 

Al contrario, un rack di bassa-qualità o installato in modo inadeguato può sviluppare un gioco irregolare e variazioni di posizionamento lungo l'asse. Il progettista della macchina deve valutare l'azionamento completo e non semplicemente presumere che ogni sistema a cremagliera sia adatto a movimenti lunghi e precisi.

Precisione, ripetibilità e gioco non sono la stessa cosa

La precisione descrive quanto la posizione effettiva dell'asse corrisponde alla posizione comandata. La ripetibilità descrive la coerenza con cui l'asse ritorna nella stessa posizione nelle stesse condizioni. Il gioco è la perdita di movimento che può verificarsi quando l'azionamento inverte la direzione.

 

Una vite a ricircolo di sfere può avere una buona precisione di passo ma mostrare comunque un errore di inversione se la chiocciola ha gioco, i cuscinetti di supporto hanno gioco assiale o l'accoppiamento è allentato. Un sistema a cremagliera-e-pignone può ripetere una posizione in modo coerente ma contenere comunque un errore di beccheggio sistematico lungo l'intera corsa.

La precisione finale del CNC è influenzata anche da:

• Allineamento della guida lineare e precisione della superficie di montaggio-
• Rigidità del telaio-della macchina
• Risoluzione del motore e dell'encoder
• Gioco del riduttore o del giunto
• Dilatazione termica
• Ortogonalità del portale
• Compensazione e sintonizzazione del controller
• Deformazione della forza di taglio-

Per questo motivo, il passaggio da pignone e cremagliera a una vite a ricircolo di sfere non può correggere automaticamente un telaio debole o una guida mal allineata. Il sistema di trasmissione è solo una parte dell'intera catena di precisione.

Carico e rigidità: cosa trasporta effettivamente ciascuna unità

Le guide lineari devono sostenere il peso del portale, del mandrino, del carrello o della tavola. Una chiocciola a ricircolo di sfere è progettata principalmente per sopportare la spinta assiale lungo l'asse della vite, non un carico radiale continuo o ribaltante. Il disallineamento tra la vite, l'alloggiamento della chiocciola e le guide lineari può introdurre carico laterale e ridurre la durata utile.

 

Una trasmissione-e-pignone richiede inoltre un sistema di guida separato. Il pignone fornisce forza attraverso i denti della cremagliera, mentre i binari di guida controllano la posizione e l'orientamento del portale mobile. Un'altezza della cremagliera o un impegno del pignone errati possono creare un carico non uniforme sui denti, ma la cremagliera non deve essere utilizzata come sostituto del sistema di guida lineare.

 

Quando si valuta la capacità di azionamento, confermare la spinta richiesta da accelerazione, resistenza al taglio, attrito, gravità e forze esterne. Per una vite a ricircolo di sfere, è necessario verificare anche il carico di compressione rispetto all'instabilità della colonna. Il diametro della vite dovrebbe quindi essere selezionato utilizzando insieme carico, lunghezza e velocità anziché scegliere un diametro maggiore solo perché la macchina è pesante. Consulta la guida DLY sucome scegliere il diametro giusto della vite a ricircolo di sfere.

Manutenzione e ambiente di lavoro

I router CNC possono generare polvere di legno, particelle composite, trucioli di alluminio o detriti abrasivi. Le piste delle viti a ricircolo di sfere richiedono una protezione efficace perché la contaminazione può entrare nella chiocciola, interrompere la circolazione delle sfere e accelerare l'usura delle piste. A seconda dell'ambiente della macchina, potrebbero essere necessari soffietti, coperchi, guarnizioni, raschiatori e una lubrificazione regolare.

 

I denti della cremagliera sono più esposti e possono essere più facili da ispezionare, ma non sono esenti da manutenzione-. La polvere mista al grasso può formare una pasta abrasiva. Le superfici dei denti, l'innesto del pignone, i giunti della cremagliera e i meccanismi di regolazione del gioco-devono essere controllati periodicamente.

 

La scelta migliore è quindi influenzata da come la macchina verrà protetta e mantenuta. Un'unità teoricamente precisa potrebbe non mantenere le proprie prestazioni se si ignora l'ambiente di lavoro reale.

Un router CNC può utilizzare entrambi i sistemi?

SÌ. Non è necessario che una macchina utilizzi lo stesso tipo di azionamento su ogni asse. Un router CNC di grandi dimensioni può utilizzare cremagliera e pignone sugli assi X e Y lunghi mentre utilizza una vite a ricircolo di sfere sull'asse Z più corto. Questa disposizione combina la corsa lunga ad alta-velocità con un accurato controllo della profondità verticale.

 

Alcune macchine utilizzano anche specifiche diverse sui lati del portale parallelo. Quando due motori azionano un portale, il controller deve mantenere i due lati sincronizzati per evitare spostamenti. L'allineamento meccanico, i sensori di homing e le procedure di squadratura del portale-rimangono essenziali indipendentemente dall'azionamento selezionato.

Selezione pratica tramite applicazione CNC

Questi sono punti di partenza piuttosto che regole fisse. La decisione finale dovrebbe essere presa in base ai requisiti degli assi calcolati e ai dati dei componenti verificati.

Informazioni richieste prima di selezionare l'unità

Prima di scegliere un sistema con vite a ricircolo di sfere o pignone-e-, preparare le seguenti informazioni:

• Corsa totale dell'asse e distanza tra i supporti
• Velocità rapida richiesta e velocità di avanzamento-di taglio normale
• Massima accelerazione e decelerazione
• Massa in movimento, forza di taglio e direzione di installazione
• Precisione e ripetibilità di posizionamento richieste
• Gioco accettabile o errore di inversione
• Velocità nominale del motore, coppia di picco e specifiche dell'encoder
• Ciclo di lavoro previsto
• Polvere, trucioli, liquido refrigerante e temperatura di esercizio
• Spazio di installazione disponibile e accesso per la manutenzione

Se si sta prendendo in considerazione una vite a ricircolo di sfere, confermare anche il diametro della vite, il diametro della radice, il passo, il grado di precisione, la disposizione del supporto, la lavorazione finale, il tipo di dado e la lunghezza della rotaia richiesta. DLY può valutare standard e personalizzatigruppi di viti a ricircolo di sferesecondo queste condizioni.

Selezione finale

Una vite a ricircolo di sfere è generalmente una scelta valida per un asse CNC corto o medio che richiede spinta elevata, gioco controllato e movimento di avanzamento accurato. Cremagliera e pignone diventano attraenti quando l'asse è molto lungo e deve raggiungere un'elevata velocità di spostamento senza la limitazione di velocità-critica di una lunga vite rotante.

 

La decisione non dovrebbe basarsi sulla convinzione che un sistema sia universalmente più accurato o più duraturo. Un asse con pignone e-cremagliera--ben progettato può offrire prestazioni migliori di una vite a ricircolo di sfere lunga e sottodimensionata, mentre una vite a ricircolo di sfere adeguatamente supportata e precaricata può fornire un migliore controllo dell'avanzamento rispetto a un sistema a cremagliera installato in modo inadeguato.

 

Per la progettazione del router CNC, valutare ogni asse separatamente. Gli assi X e Y lunghi possono giustificare cremagliera e pignone, mentre un asse Z più corto può comunque trarre vantaggio da una vite a ricircolo di sfere. Se si seleziona una vite a ricircolo di sfere, verificare la velocità critica, il carico di punta, il passo, la coppia del motore, i cuscinetti di supporto, l'allineamento e la protezione ambientale prima di finalizzare il progetto.

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