L'asse verticale di una macchina può arrestarsi con precisione mentre il motore è alimentato e diventare comunque pericoloso nel momento in cui viene interrotta l'alimentazione. Il motivo è semplice: una vite a ricircolo di sfere può sostenere e spostare un carico verticale quando è correttamente dimensionata, ma il suo efficiente contatto volvente normalmente consente al carico di azionare la vite all'indietro.
Per una verticalevite a ricircolo di sfereasse, capacità di carico e tenuta del carico sono quindi due diverse questioni di progettazione. La vite, il dado, i cuscinetti di supporto e il motore devono sostenere la forza operativa, mentre un freno o un altro dispositivo indipendente deve controllare il movimento verso il basso involontario durante una perdita di potenza, un arresto di emergenza o un guasto dell'azionamento.
Questa distinzione è importante negli assi Z CNC, nelle tavole elevatrici, nelle stazioni di imballaggio verticali, nelle apparecchiature di ispezione, nelle macchine di assemblaggio e in altri sistemi in cui la gravità agisce continuamente sulla massa in movimento.
Capacità di carico verticale
Una vite a ricircolo di sfere può trasportare e posizionare un carico verticale entro i limiti di carico assiale, durata, velocità e rigidità. Tuttavia, normalmente non dovrebbe essere trattato come un dispositivo-autobloccante. Quando la coppia motrice scompare, la gravità applica una forza assiale al dado. Poiché il contatto volvente produce un basso attrito, la forza assiale può generare una coppia inversa e far ruotare la vite.
La risposta pratica:una vite a ricircolo di sfere può sostenere un carico verticale, ma l'asse completo necessita di un metodo di tenuta del carico verificato-se la discesa incontrollata potrebbe danneggiare la macchina o ferire una persona.
La coppia di mantenimento del motore può mantenere la posizione mentre l'azionamento rimane energizzato. Non fornisce la stessa protezione dopo la perdita di energia elettrica. Allo stesso modo, una chiocciola precaricata migliora la rigidità assiale e riduce il gioco, ma non rende la vite a ricircolo di sfere autobloccante in modo affidabile.
Perché si verifica il backdriving
Una vite a ricircolo di sfere è progettata per convertire la rotazione del motore in un movimento lineare efficiente. Lo stesso meccanismo può funzionare al contrario: la forza assiale sulla chiocciola può produrre la rotazione dell'albero della vite. Questo è noto come backdriving.
La tendenza al backdrive è influenzata da diversi fattori:
- Guida:un passo maggiore generalmente produce una coppia inversa maggiore per lo stesso carico assiale.
- Efficienza inversa:l'efficiente contatto volvente rende il movimento in retromarcia più semplice di quanto sarebbe con una vite scorrevole ad alto-attrito.
- Massa in movimento:la tavola, gli utensili, il pezzo in lavorazione e i meccanismi collegati contribuiscono tutti al carico di gravità.
- Accelerazione e decelerazione:la forza dinamica può superare la forza causata dalla sola gravità.
- Forza del processo esterno:le forze di taglio, pressione o manipolazione possono agire con o contro la gravità.
- Provoca-perdite di treni:guarnizioni, cuscinetti, guide e il motore aggiungono resistenza, ma questa resistenza variabile non deve essere utilizzata come freno di sicurezza.
La direzione del filo non risolve il problema. Una vite-sinistra inverte la relazione tra la rotazione della vite e la corsa del dado, ma la gravità può comunque spingerla all'indietro nella direzione di rotazione corrispondente.
Forza di gravità e coppia inversa
La prima stima è la forza verso il basso creata dalla massa totale in movimento:
dove Fgè la forza di gravità in newton, m è la massa totale in movimento in chilogrammi e g è circa 9,81 m/s².
Una coppia inversa approssimativa sull’albero della vite può quindi essere espressa come:
dove tIndietroè la coppia inversa in N·m, F è la forza assiale in newton, P è il passo della vite in metri per giro e ηrè l'efficienza inversa.
Ad esempio, un insieme in movimento di 120 kg produce circa 1.177 N di forza di gravità. Con un anticipo di 10 mm e un'efficienza inversa presunta di 0,85, la coppia generata dalla gravità- stimata è di circa 1,59 N·m:
Questa è solo una stima della gravità. Il dimensionamento del freno e del motore deve considerare anche l'accelerazione, la forza di processo, il rapporto di trasmissione, l'inerzia dei componenti, la variazione di efficienza, il tempo di arresto richiesto e un fattore di sicurezza adeguato. Il freno selezionato deve essere controllato utilizzando la coppia di tenuta, il servizio di arresto di emergenza, il tempo di innesto e i dati sulla durata di servizio consentiti dal produttore.
Carica-metodi di attesa
| Metodo | Funzione principale | Limitazione importante |
|---|---|---|
| Coppia di mantenimento del servo | Mantiene la posizione comandata mentre il convertitore è alimentato e controlla il motore. | Non è un dispositivo di mantenimento dello spegnimento- indipendente. |
| Freno di stazionamento motore | Mantiene l'asse dopo l'arresto del motore o l'interruzione dell'alimentazione. | Molti freni di stazionamento non sono progettati per assorbire ripetute frenate a piena velocità-. |
| Freno o morsetto dell'asse | Agisce direttamente sull'asse o sulla rotaia in movimento e può fornire un sistema di ritenuta indipendente. | È necessario verificare l'installazione, il monitoraggio del rilascio e l'energia di arresto consentita. |
| Contrappeso o contrappeso | Riduce il carico di gravità netto, la coppia del motore e la richiesta di mantenimento del freno. | Riduce lo squilibrio ma non fornisce automaticamente una funzione di sicurezza completa. |
| Dispositivo di sicurezza secondario | Cattura o trattiene il carico in caso di guasto della trasmissione primaria o del freno. | La sua idoneità dipende dalla valutazione dei rischi della macchina e dalle prestazioni di sicurezza richieste. |
Una sequenza di controllo comune consiste nel mantenere il servo eccitato mentre il freno si rilascia, spostare l'asse, fermarsi sotto il servocontrollo, applicare il freno e solo allora rimuovere la coppia del motore. Rilasciare il freno prima che il motore abbia stabilito la coppia di mantenimento può provocare una caduta breve ma dannosa. La temporizzazione e la logica del feedback devono essere verificate durante la messa in servizio sotto il carico massimo previsto.
Condizioni di forza dell'asse verticale
Un calcolo corretto dell'asse verticale- separa le diverse condizioni operative invece di controllare solo il peso statico.
| Condizione | Considerazione sulla forza | Verifica della progettazione |
|---|---|---|
| Stazionario | Gravità e qualsiasi forza di processo sostenuta | Capacità di tenuta del freno e carico assiale statico |
| Accelerazione verso l'alto | Gravità più forza di accelerazione e attrito | Coppia di picco del motore e carico massimo della vite |
| Muoversi a velocità costante | Gravità, attrito e forza di processo | Coppia motore continua e servizio termico |
| Movimento verso il basso controllato | La gravità muove l'asse mentre il motore regola la discesa | Funzionamento rigenerativo, capacità di azionamento e controllo della velocità eccessiva |
| Perdita di potenza o guasto | Forza di gravità incontrollata fino all'attivazione del sistema di ritenuta | Risposta del freno, spazio di arresto e protezione secondaria |
Per il calcolo della durata della vite a sfere viene utilizzato il carico assiale medio su un ciclo di lavoro, mentre il carico operativo più elevato deve rimanere entro i limiti statici e dinamici applicabili. Questi sono separati dal calcolo del-freno di stazionamento.
Orientamento delle viti e supporto terminale
Quando la disposizione della macchina lo consente, posizionando il cuscinetto fisso e l'estremità di comando sopra il dado mobile è possibile mantenere una parte maggiore della vite in tensione sotto gravità. Una vite caricata principalmente in tensione non è soggetta all'instabilità della colonna allo stesso modo di una vite lunga spinta in compressione.
Se il carico verticale mette l'albero in compressione, è necessario verificare il diametro della radice, la lunghezza non supportata e le condizioni di supporto-dell'estremità. Questo è trattato separatamente nelCalcolo dell'instabilità delle viti a ricircolo di sfere. È inoltre necessario controllare la velocità critica, la capacità di carico del supporto-e l'allineamento della vite.
Una tipica disposizione a vite- rotante utilizza un'unità cuscinetto fissa all'estremità di comando per controllare la posizione assiale e radiale, con un cuscinetto di supporto all'estremità opposta per consentire una rotazione stabile. La disposizione effettiva del supporto deve corrispondere alla lavorazione dell'estremità dell'albero-, alla velocità, al carico assiale e alla rigidità richiesta.
Errori comuni di progettazione
- Supponendo che un servo stazionario sia un freno di spegnimento-:la coppia di controllo scompare quando il drive non può fornire potenza.
- Utilizzo del precarico come caratteristica di sicurezza:il precarico migliora la rigidità e le prestazioni del gioco, tenuta del carico non affidabile.
- Selezione di un freno dalla sola coppia di gravità:l'energia di arresto di emergenza, il ritardo di inserimento e il carico dinamico massimo possono influenzare la selezione.
- Ignorando la massa totale in movimento:devono essere inclusi utensili, attrezzature, pezzi in lavorazione, cavi e meccanismi ausiliari.
- Controllo solo del coefficiente di carico della vite:la durata della chiocciola, la deformazione dell'albero, i cuscinetti di supporto, la coppia del motore, la capacità del giunto e le prestazioni del freno rappresentano limiti diversi.
- Applicazione del freno durante ogni normale arresto ad alta-velocità:un freno di stazionamento può usurarsi rapidamente se utilizzato come freno di servizio, a meno che non sia specificamente classificato per tale compito.
Conclusione
Una vite a ricircolo di sfere può spostare e supportare un carico verticale, ma l'elevata efficienza di trasmissione rende possibile anche il backdriving. Il design affidabile dell'asse verticale-separa quindi il controllo del movimento dal mantenimento del carico. La vite e il motore controllano il normale movimento; il freno, il morsetto o altro sistema di ritenuta controlla il carico quando la coppia non è disponibile.
Il progetto dovrebbe tenere conto della massa in movimento totale, dell'anticipo, della coppia inversa, dell'accelerazione, della forza di processo, della risposta del freno e della disposizione-del supporto terminale. Il precarico e la direzione della filettatura non devono essere considerati sostituti di un freno verificato. Laddove la discesa involontaria crei un pericolo significativo, è necessario selezionare un dispositivo secondario indipendente attraverso la valutazione formale del rischio della macchina.
Riferimenti
- ISO 3408-1, Viti a ricircolo di sfere: vocabolario e designazione.
- Catalogo tecnico generale delle viti a ricircolo di sfere, sezioni riguardanti le relazioni tra spinta-e-coppia, efficienza inversa, unità di supporto e deformazione dell'albero della vite-.
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