Универсальный поставщик решений и продуктов линейного перемещения.
Шаг шарикового винта 5 мм или 10 мм? Вопрос, который я всегда задаю в первую очередь.
Во-первых, перестаньте воспринимать режим "свинец" как настройку скорости.
Да, шаг винта — это линейное расстояние, на которое перемещается гайка за один оборот. Шаг 5 мм означает 5 мм за оборот. Шаг 10 мм означает 10 мм за оборот. Таким образом, при одинаковой частоте вращения двигателя винт диаметром 10 мм перемещает ось в два раза дальше.
Но винт не вращается сам по себе. Двигатель должен проталкивать нагрузку через этот провод. И чем больше провод, тем меньше механическое преимущество.
Представьте себе шестерни на велосипеде. Большая шестерня позволяет ехать быстрее при той же скорости вращения педалей, но подниматься в гору становится сложнее. Меньшая шестерня дает большую силу, но требует более быстрого вращения педалей для поддержания той же скорости.
В шариковинтовой передаче принцип работы аналогичен. Шаг 5 мм соответствует меньшей шестерне, а шаг 10 мм — большей.
Поэтому, прежде чем спрашивать: «Какой из них быстрее?», спросите себя: «Что именно я пытаюсь сделать?»
Наибольший удивление вызывает именно крутящий момент.
Вот простой способ это объяснить. Если сохранить крутящий момент двигателя неизменным, то увеличение длины провода с 5 мм до 10 мм примерно вдвое уменьшит осевую силу.
Это означает, что для перемещения той же нагрузки 10-миллиметровому винту нужен более мощный двигатель. Или же он разгоняет ту же нагрузку медленнее. Или же ему трудно перемещаться по вертикальной оси, где постоянно действует сила тяжести.
Я видел, как мастера устанавливали 10-миллиметровый провод на ось Z со шпинделем мощностью 2,2 кВт, а потом удивлялись, почему ось пропускает шаги или выдает ошибку во время быстрых перемещений. У двигателя просто не хватало крутящего момента, чтобы удерживать и перемещать груз через такой толстый провод.
На лёгкой горизонтальной оси 10 мм могут быть отличным вариантом. Нагрузка невелика, скорость полезна, а требуемый крутящий момент остаётся приемлемым. Но на тяжёлом столе или вертикальной головке 5-миллиметровый провод внезапно оказывается гораздо более практичным.
Поэтому первым делом я проверяю требуемую тягу, а не требуемую скорость.
Начните с той скорости, которая вам действительно необходима.
Многим станкам не нужно двигаться так быстро, как думает производитель. Если длина вашего портала всего 400 мм, имеет ли значение скорость перемещения 10 м/мин вместо 6 м/мин? В любом случае ось достигает конца за доли секунды.
Но на длинном фрезерном столе скорость имеет значение. Если вы распиливаете целые листы фанеры, и ось должна перемещаться на 2500 мм между распилами, удвоение скорости может сэкономить реальное время в течение восьмичасового рабочего дня.
Поэтому, прежде чем выбрать потенциального клиента, я прошу его указать реалистичную скорость работы. Не "максимально быструю", а число, которое он действительно сможет использовать.
Затем я вычисляю частоту вращения винта для обоих проводов.
При скорости 10 м/мин:
Шнур 5 мм: 10 000 / 5 = 2000 об/мин
Шнур 10 мм: 10 000 / 10 = 1000 об/мин
При скорости 15 м/мин:
Шнур 5 мм: 3000 об/мин
Шнур 10 мм: 1500 об/мин
При скорости 20 м/мин:
Свинцовый стержень 5 мм: 4000 об/мин
Шнур 10 мм: 2000 об/мин
Число оборотов в минуту имеет большее значение, чем кажется, особенно по мере увеличения длины винта. Винт длиной 1500 мм, вращающийся со скоростью 4000 об/мин, будет сильно вибрировать и раскачиваться, если его не закрепить достаточно прочно. Это создаст серьезные механические проблемы.
Таким образом, если вам нужна скорость 20 м/мин по длинной оси, 10-миллиметровый провод может быть единственным практичным вариантом — не потому, что он «лучше», а потому, что он ограничивает скорость вращения шнека диапазоном, который может обработать станок.
Длина винта — это скрытый фактор.
Короткие винты допускают ошибки. Ходовой винт длиной 300 мм и диаметром 5 мм может вращаться быстро без особых проблем. Критическая скорость высока, и колебания практически не представляют проблемы.
Но с длинными винтами дело обстоит иначе. После 800 мм критическая скорость винта начинает быстро падать. Важна конструкция опоры. Важна обработка торца. Важен диаметр. И шаг винта важен, потому что он определяет, с какой скоростью нужно вращать винт, чтобы достичь заданной линейной скорости.
У меня были конструкции, где 5-миллиметровый провод идеально подходил для создания тяги, но требуемая частота вращения винта достигала критического предела. Переход на 10-миллиметровый провод позволил добиться той же линейной скорости при вдвое меньшей частоте вращения, что сделало всю ось более стабильной.
Это не компромисс. Это хорошая инженерная разработка. Иногда больший диаметр штока выбирают не потому, что хотят большей скорости, а потому, что хотят получить ту же скорость при более управляемой частоте вращения винта.
А как насчет разрешения позиционирования?
Именно здесь я вижу наибольшую путаницу.
Считается, что провод длиной 5 мм обеспечивает лучшее разрешение, потому что гайка перемещается вдвое меньше за один оборот. И в самом упрощенном смысле это правда. Если вы используете шаговый двигатель с 200 шагами на оборот и без микрошага, то провод длиной 5 мм обеспечит вам 0,025 мм на полный шаг, а провод длиной 10 мм — 0,05 мм.
Однако в большинстве современных систем используются микрошаговые или серводвигатели с высокоточными энкодерами. А фактическая ошибка позиционирования возникает из-за целого ряда факторов: точность шага, люфт, зазор в подшипниках, соосность направляющих, тепловое расширение, настройка сервопривода. Размер шага — это лишь одна из небольших составляющих.
Я видел, как строители настаивали на использовании 5-миллиметрового направляющего провода «для точности», а затем устанавливали его на станок с перекошенным основанием и ненадежным соединением. 5-миллиметровый провод им не помог. Станок все равно выходил за пределы допустимых отклонений, потому что конструкция прогибалась.
Итак, если вас беспокоит точность, сначала определите необходимый допуск. Если он составляет ±0,02 мм, мы можем обсудить, имеет ли значение шаг стержня. Если он составляет ±0,1 мм, шаг стержня, вероятно, не является вашей главной проблемой.
Ось Z — это частный случай.
Вертикальная ось – вот где 5-миллиметровый провод действительно проявляет себя во всей красе. Двигатель должен выдерживать вес головки, шпинделя и инструмента не только во время резки, но и когда ось остановлена.
Если провод слишком толстый, двигателю приходится работать с большей нагрузкой, чтобы просто удерживать положение. Во время разгона вверх пиковый крутящий момент может быть очень высоким. Провод 10 мм может подойти, если двигатель имеет избыточную мощность, но провод 5 мм дает больший запас для того же двигателя.
Вот почему вы часто видите отступ в 5 мм по оси Z и 10 мм по осям X и Y. Оси X и Y движутся горизонтально, где сила тяжести не постоянно противодействует движению. Для оси Z требуется больше механического преимущества.
Но опять же, это зависит от станка. Легкий 3D-принтер или лазерный гравер могут без проблем использовать 10 мм по оси Z, поскольку движущаяся масса очень мала. Правило не в том, чтобы «всегда использовать 5 мм по оси Z». Правило в том, чтобы «проверить нагрузку и крутящий момент, прежде чем принимать решение».
Ускорение — это то, о чём люди часто забывают.
Все говорят о максимальной скорости. Но машина, которой требуется пять секунд, чтобы достичь этой скорости, на самом деле не быстрая.
Для ускорения необходим крутящий момент. Двигатель должен раскрутить винт, муфту, ротор и движущуюся нагрузку. Если шаг лопастей большой, то отраженная инерция изменяется, и требуемый крутящий момент может неожиданно возрасти.
Я видел оси, которые могли достигать скорости 15 м/мин, но не могли разгоняться достаточно быстро, чтобы эта скорость была полезна при коротких перемещениях. Станок большую часть времени тратил на нарастание и спад скорости. В этом случае меньшее опережение могло бы ощущаться как более высокая скорость, потому что ось могла быстрее набирать скорость.
Поэтому, сравнивая 5 мм и 10 мм, я смотрю не только на максимальную скорость. Я изучаю профиль движения. Какова длительность перемещения? Как часто ось начинает и останавливается? Насколько сильным должно быть ускорение?
Быстрый пример
Допустим, вы создаёте горизонтальную ось с шагом 600 мм. Масса перемещаемого груза составляет 30 кг. Вам нужна скорость перемещения 15 м/мин. Двигатель — сервопривод мощностью 750 Вт с номинальной скоростью 3000 об/мин.
При использовании провода диаметром 5 мм для достижения скорости 15 м/мин требуется 3000 об/мин. Это как раз номинальная скорость двигателя. Возможно, это и сработает, но запаса по мощности нет.
При использовании провода диаметром 10 мм требуется всего 1500 об/мин. Это оставляет большой запас скорости. Но теперь двигателю необходимо создавать вдвое больший крутящий момент для той же тяги. Если нагрузка небольшая и ускорение умеренное, это нормально. Если нагрузка большая или силы резания высоки, двигатель может испытывать трудности.
Поэтому ответ не очевиден, пока вы не проверите значения тяги и ускорения. В этом-то и вся суть.
Что отправить поставщику
Когда мне поступает запрос на расчет стоимости шариковинтовой передачи, меня не впечатляет номер модели. Меня впечатляет простой список требований.
Наиболее эффективные запросы выглядят следующим образом:
Ось: ось X
Ход подвески: 600 мм
Масса движущегося объекта: 30 кг
Максимальная скорость: 15 м/мин
Ускорение: 0,5G
Ориентация: горизонтальная
Двигатель: сервопривод 750 Вт, 3000 об/мин.
Требуемая точность: ±0,02 мм
Рабочий цикл: 8 часов в день
Этого мне достаточно, чтобы проверить длину провода, диаметр, опору и способность двигателя справиться с задачей. Если цифры не совпадут, я смогу объяснить причину и предложить альтернативный вариант.
Если вы просто скажете: «Мне нужен шариковый винт 1605», я мало чем смогу вам помочь. Вы уже приняли решение, не зная, правильное оно или нет.
Выбор не в том, какой потенциальный клиент лучше.
В конечном итоге, и 5-миллиметровые, и 10-миллиметровые провода полезны. Просто это разные инструменты для разных ситуаций.
Шлиц диаметром 5 мм обеспечивает большую силу тяги и более высокую точность механической обработки. Он отлично подходит для вертикальных осей, тяжелых столов и станков, которым необходимо прилагать значительные усилия на умеренных скоростях.
Шнур длиной 10 мм обеспечивает более высокую линейную скорость при том же числе оборотов винта в минуту. Это отлично подходит для длинных, легких и быстро вращающихся горизонтальных осей, где двигатель может компенсировать уменьшенное механическое преимущество.
Ошибка заключается в выборе одного из вариантов, потому что он «звучит правильно». 5 мм звучит точно. 10 мм звучит быстро. Но звук — это не инженерное дело.
Выполните основные расчеты:
Требуемая скорость → обороты винта в минуту
Требуемая тяга → крутящий момент двигателя
Ускорение → максимальный крутящий момент
Длина винта → критическая скорость
Эти четыре цифры расскажут вам больше, чем любое сравнение по каталогу.
А если вы всё ещё не уверены, отправьте эти цифры своему поставщику. Хороший поставщик поможет вам разобраться в компромиссах, а не просто примет ваш заказ.
Вот что отличает правильный выбор шариковинтовой передачи от предположения.