Введение

Низкофрикационный линейный приводной привод Крутящийся винт (или шаровой винт) - это механический линейный приводной привод, который преобразует вращательное движение в линейное движение с небольшим трением. Ветровой вал обеспечивает спиральную трассу для шаровых подшипников, которые действуют как точный винт. Они не только могут применять или выдерживать высокие тяговые нагрузки, но и могут делать это с минимальным внутренним трением. Они сделаны с близкими допусками и поэтому подходят для высокоточности. Шаровое устройство выступает в качестве гайки, а резьбовая ось - в качестве винта. В отличие от обычных винтов, шариковые винты имеют тенденцию быть довольно громоздкими, из-за необходимости иметь механизм для рециркуляции шариков.

История

Шаровой винт был изобретен независимо друг от друга Х. М. Стивенсоном и Д. Гленном, которым в 1898 году были выданы патенты 601,451 и 610 044, соответственно. Ранние точные винтовые валы производились, начиная с малоточного винтового вала, а затем обмотка вала несколькими обмотками гайки с пружиной. Переставляя и переворачивая круги гайки, в среднем были получены ошибки в длине гайки и вала. Затем, очень повторяемый шаг вала измеряется по стандарту расстояния. Подобный процесс иногда используется сегодня для производства стандартных ссылочных винтовых валов и для производства мастер-винтовых валов.

Дизайн

Низкое трение в шаровых винтах дает высокую механическую эффективность по сравнению с альтернативными вариантами. Типичный шаровой винт может быть эффективным на 90 процентов, по сравнению с 20 - 25 процентами эффективности свинцового винта Acme такого же размера. Отсутствие скользящего трения между гайкой и винтом способствует увеличению срока службы винтовой сборки (особенно в системах без обратной реакции), сокращая время простоя для технического обслуживания и замены деталей, а также уменьшая потребность в смазке. Это, в сочетании с их общими преимуществами в области производительности и снижением требований к мощности, может компенсировать первоначальные затраты на использование шариковых винтов. Шаровые винты также могут уменьшить или устранить обратную реакцию, обычную в сочетаниях свинцового винта и гайки. Шары могут быть заряжены таким образом, чтобы между шаровым винтом и шаровой гайкой не было "подвига". Это особенно желательно в применениях, где нагрузка на винт быстро меняется, например, в станках. Из-за их очень высокой механической эффективности, особенно по сравнению с традиционными свинцовыми винтами, шариковые винты могут потенциально быть отброшены назад (то есть линейная сила, применяемая непосредственно к гайке, может вызвать вращение вала, эффект, контрпродуктивный для большинства применений). Хотя это обычно имеет ограниченное значение для моторных применений и в некоторых случаях может даже обеспечивать легкий защитный эффект, это делает их, как правило, непригодными для применения в системах с ручным приводом, таких как ручные станки. Статический крутящий момент и цифровое управление соответствующим сервомотором могут быть сделаны для сопротивления и компенсации, но механизмы ручного привода потребуют дополнительных механизмов для предотвращения нежелательного поведения. Такое нежелательное поведение может варьироваться от простой потери контроля над машиной, например, самостоятельного питания (инструмент машины, вызывающий движение осей без ввода управления оператором), до потенциально опасных случаев, когда неожиданная сила может быть передана вплоть до конечностей оператора и представлять риск травмы. Поскольку обычный свинцовый винт сопротивляется или даже запрещает такое обратное действие, они по своей сути безопаснее и надежнее для ручного использования. Величина силы, необходимой для обратного привода свинцового винта Acme, обычно будет достаточной для разрушения механизма, обездвиживания машины и поглощения любой опасной силы, прежде чем она может представлять опасность для оператора. Циркулирующие шары перемещаются внутри нитей винтовки и гайки, а шары перемещаются через различные типы механизмов возврата. Если шаровой орешек не имел механизма возврата, то шары выпадали бы из конца шарового ореха, когда они достигали конца ореха. По этой причине было разработано несколько различных методов рециркуляции. Внешний шаровой орех использует штампованную трубку, которая подбирает шары с трассы с помощью маленького пальца. Шары проходят внутри трубки, а затем возвращаются обратно в нить. Внутренний пуговичный шаровой орешек использует механизированный или литый стиль кнопки, который позволяет шарам выходить из трассы и перемещать одну нить, а затем входить в трассу. На концах шаровых орехов используется крышка. Крышка приспособлена для того, чтобы подбирать шары, выходящие из конца гайки, и направлять их вниз через отверстия, которые пробиты поперечно вниз по гайке. Защитная крышка с другой стороны гайки направляет шары обратно в трассу. Возвращающиеся шары не подвергаются значительной механической нагрузке, и путь возвращения может включать в себя инъекционно-формованные детали из пластмассы с низким уровнем трения. Шаровой винт включает в себя значительно больше частей и поверхностных взаимодействий, чем многие аналогичные системы. В то время как основной свинцовый винт состоит только из твердого вала и твердой гайки с простыми геометрическими соединениями, шаровой винт требует точно сформированных изогнутых контуров и многочастичных сборок для облегчения действия подшипниковых шаров. Это делает их более дорогими в производстве и иногда в обслуживании, и предоставляет больше потенциальных возможностей для сбоев, если аппарат не обслуживается должным образом.

Операция

Чтобы сохранить их точность и обеспечить долгий срок службы, необходимо тщательно следить за тем, чтобы они не загрязнялись грязью и абразивными частицами. Это может быть достигнуто с помощью резиновых или кожаных меллов для полного или частичного закрытия рабочих поверхностей. Другим решением является использование положительного давления фильтрованного воздуха при использовании в полузапечатанном или открытом корпусе. При снижении трения шаровые винты могут работать с некоторой предварительной нагрузкой, эффективно устраняя обратную реакцию (наклон) между входом (вращением) и выходом (линейным движением). Эта особенность имеет важное значение, когда они используются в системах управления движением под управлением компьютера, таких как станки с ЧПУ и высокоточные приложения движения (такие как сцепление проводов). Для получения правильного действия шариков, как в стандартном шаровом подшипнике, необходимо, чтобы при нагрузке в одном направлении шарик в одной точке соприкасался с гайкой, а в другой - со шнуром. На практике большинство шариковых винтов предназначены для легкой предварительной нагрузки, так что на шаре присутствует по крайней мере небольшая нагрузка в четырех точках, две в контакте с гайкой и две в контакте с винтом. Это достигается с помощью профиля нити, который имеет немного больший радиус, чем шарик, разница в радиусах, сохраняется небольшой (например, простая V- нити с плоскими поверхностями не подходит), так что эластичная деформация вокруг точки контакта позволяет получить небольшую, но не нулевую контактную область, как и любой другой подшипник прокатного элемента. Для этого нитки обычно обрабатываются в виде профиля "готической арки". Если бы использовался простой полукруглой профиль нити, контакт был бы только в двух точках, на внешних и внутренних краях, которые не могли бы противостоять осевой нагрузке. Для устранения обратной реакции и получения оптимальной жесткости и характеристик износа для данного применения обычно применяется контролируемое количество предварительной нагрузки. Это достигается в некоторых случаях путем обработки компонентов таким образом, что шары "тесно" подходят при сборке; однако это дает плохой контроль предварительной нагрузки и не может быть отрегулировано для износ. Более распространено проектирование шариковой гайки как двух отдельных гайк, которые плотно связаны механически, с регулировкой либо путем вращения одной гайки относительно другой, создавая таким образом относительное осевое смещение, либо путем удержания обеих гайк плотно вместе по оси и вращения одной из них относительно другой, так что ее набор шариков смещается по оси для создания предварительной нагрузки.

Производство

Шаровые винтовые валы могут быть изготовлены с помощью прокатки, получая менее точный, но недорогой и механически эффективный продукт. Прокатные шаровые винты имеют точность позиционирования в несколько тысячных дюймов дюйма на фут. Круглые винты классифицируются по "классам точности" от C0 (наиболее точный) до C10. Высокоточные винтовые валы обычно имеют точность до одной тысячной дюйма на фут (830 нанометров на сантиметр) или лучше. Исторически они были обработаны до грубой формы, корпус закален, а затем измельчен. Трехступенчатый процесс необходим, потому что обработка при высокой температуре искажает заготовку. Твердое вращение - это недавний (2008) метод прецизионной обработки, который минимизирует нагрев работы и может производить прецизионные винты из укрепленного стержня. Качественные винтовые валы инструмента обычно имеют точность до 250 нанометров на сантиметр. Они производятся на точных фрезерах с оптическим оборудованием для измерения расстояния и специальным инструментом. Подобные машины используются для производства оптических линз и зеркал. Вентиляционные винтовые валы, как правило, изготавливаются из Invar, чтобы предотвратить слишком большие изменения температуры.

Приложения

Шаровые винты используются в самолетах и ракетах для перемещения поверхностей управления, особенно для электрических муховодов, а также в автомобильном силовом рулевом управлении для перевода вращательного движения от электродвигателя к осевому движению рулевого стекла. Они также используются в станках, роботах и оборудовании для сборки с высокой точностью. Высокоточные шаровые винты используются в шаговых механизмах для производства полупроводников. Шаровой винт используется для расширения конструкции Deployable Tower Assembly (DTA) на космическом телескопе Джеймса Уэбба. В Natrium Reactor TerraPower также планируется использовать шариковый винт в качестве части механизма управления стержнем.

Подобные системы

Другой формой линейного привода, основанного на вращающемся стержне, является бесшовный шаровой винт или "качающийся кольцевой привод". В этой конструкции три или более подшипников с кольцевыми катушками расположены симметрично в корпусе, окружающем гладкий (беспроводный) штанг или вал привода. Подшипники установлены под углом к стержне, и этот угол определяет направление и скорость линейного движения на оборот стержня. Преимуществом этой конструкции перед обычной шаровой винтой или винтом для проводов является практическое устранение обратной реакции и нагрузки, вызванной предварительно загруженными гайками.