بال اسکرو Ball Screw

تعریف بال اسکرو ball screw  چیست؟

بال اسکرو (Ball Screw) یک مکانیزم تبدیل حرکت خطی به چرخشی یا برعکس است که با استفاده از ساچمه (توپ‌های فلزی کوچک)، که به عنوان بلبرینگ عمل می‌کنند، حرکت را با کمترین اصطکاک ممکن انتقال می‌دهد. این مکانیزم عمدتاً در ماشین‌آلات صنعتی، ابزارهای دقیق، و تجهیزات اتوماسیون به کار می‌رود.

بال اسکرو چیست؟

بال اسکرو Ball Screw یک وسیله ی مکانیکی می باشد که از آن در انواع صنایع به خصوص در دستگاه های CNC و دیگر ماشین آلات صنعتی برای تبدیل حرکت چرخشی و دورانی به حرکت خطی استفاده می شود. این وسیله علاوه بر این که می تواند در مقابل اعمال انواع بارهای فشاری مقاومت داشته باشد، با کمترین اصطکاک داخلی هم می تواند کار کند. ویژگی اصلی این ابزار در اتلاف انرژی بسیار کم آن در مقایسه با دیگر عملگرهای خطی است. با در نظر گرفتن این موضوع که این ابزار موجب ایجاد تلرانس های دقیق می شود، برای موقعیت هایی که دقت های بالایی لازم است، گزینه ی بسیار مناسبی است.

این ابزارها (انواع بال اسکرو) در عین کاهش اصطکاک می توانند با مقداری کمی بار کار کنند و همین امر موجب حذف لقی بین ورودی چرخش و خروجی حرکت خطی می شود. بال اسکروها وظیفه ی انتقال نیروها و حرکت اشیا را بر عهده دارند. این ابزارها نیروهای چرخشی کوچک را  می توانند به نیروهای پرتابی و یا فشاری تبدیل کنند. زمانی که یک مهره در حول محور خود می چرخد، حرکت آن در جهت محوری اش می باشد، چون شیارهای پیچ، مسیر مارپیچی و یا حلزونی شکل را به صورت پیوسته و مداوم طی می کنند. به دلیل این که ساچمه های فولادی بال اسکرو در کاربردهای متفاوت همواره تحت فشارهای زیادی قرار می گیرند، یکی از اصلی ترین و مهم ترین مواردی که باید در انتخاب به آن دقت کرد، تعیین یک مرز ایمن برای بار و طول عمر یک بال اسکرو و محفظه های پشتیبانی آن است.

اصطکاک پایین بال اسکرو موجب شد تا جایگزین بسیار کم مصرف و پر دقتی برای لید اسکرو ها باشند و توسط سیستم غلتشی خود، در مواقعی که دقت ابعادی بسیار دقیقی لازم است، کارایی گسترده داشته باشد.

ادامه

سیستم کارکرد بال اسکرو دقیقا مشابه سیستم پیچ و مهره می‌باشد که در آن گوی یا بال نات به عنوان مهره و شافت رزوه شده شده یا اسکرو به عنوان پیچ می باشد. شفت رزوه شد، مسیر حرکت پیچ را مشخص کرده و در آن، ساچمه ها در قسمت گوی در حال چرخش می باشند. وجود ساچمه باعث عدم تماس بین مهره و پیچ می گردد که کاهش اصطکاک و افزایش عمر را به همراه دارد. به دليل وجود سيستم بازگشت ساچمه درون مهره بال اسکرو، بال اسكرو از ليد اسكرو بزرگتر مي باشد.

Ball Screw علاوه بر اینکه در برابر اعمال بارهای فشاری مقاومت می کنند، می توانند با کمترین اصطکاک داخلی کار کنند. با توجه به اینکه این ابزار باعث ایجاد تلرانس های دقیق می شود، در موقعیت هایی که دقت های بالایی لازم است مناسب هستند. همین کاهش اصطکاک در بال اسکروها، سبب حرکت با مقدار کمی پیش بار است که باعث حذف لقی بین ورودی (چرخش) و خروجی (حرکت خطی) می شود.

 

ساختار بال اسکرو

بال اسکرو از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

1. محور پیچ (Screw Shaft): یک شفت مارپیچ که دارای رزوه‌های مارپیچی است.
2. مهره (Nut): مهره‌ای که روی محور پیچ حرکت می‌کند و دارای شیارهای داخلی همسان با رزوه‌های شفت است.
3. توپ‌ها (Balls): توپ‌های فلزی کوچک که در بین رزوه‌های مهره و محور پیچ قرار می‌گیرند و باعث کاهش اصطکاک در حین حرکت می‌شوند.

بررسی ساختار انواع بال اسکرو:

ساختار بال اسکرو در حالت کلی به دو قسمت زیر دسته بندی می شود:

• مهره Ball Nut
• پیچ Screw

به صورت کلی بال اسکرو از یک پیچ هرز دایره ای شکل و مهره و ساچمه ها تشکیل شده است. ساچمه ها موجب می شوند که هیچ گونه تماسی بین پیچ و مهره ها ایجاد نشود.

در ادامه به بررسی ساختار ظاهری و عملکردی سیستم بال اسکرو خواهیم پرداخت.

ساختار ظاهری بال اسکرو

از لحاظ ساختاری بال اسکرو شباهت زیادی به پیچ و مهره ها دارد. به این صورت که شفت رزوه شده ی این ابزار به عنوان پیچ و گوی آن هم به عنوان مهره عمل می کند. شفت رزوه دار مارپیچی این ابزار وظیفه ی ایجاد مسیری برای حرکت ساچمه هایی را دارد که در قسمت لغزنده، بال اسکرو بر روی آن ها به حرکت در می آیند.

ساختار ایجاد گوی هم در Ball Screw به این صورت است که چرخش ساچمه ها را در داخل خود ممکن می سازد. به طوری که در داخل گوی، در مدت زمان حرکت، گوی بر روی شفت ساچمه ها به گردش در می آیند.  به خاطر وجود سیستم بازگشت ساچمه درون مهره بال اسکرو، بال اسکرو از لید اسکرو بزرگتر می باشد. Ball Screw علاوه بر اینکه در برابر اعمال بارهای فشاری مقاومت می کنند، می توانند با کمترین اصطکاک داخلی کار کنند. با توجه به اینکه این ابزار باعث ایجاد تلرانس های دقیق می شود، در موقعیت هایی که دقت های بالایی لازم است مناسب هستند. همین کاهش اصطکاک در بال اسکروها، سبب حرکت با مقدار کمی پیش بار است که باعث حذف لقی بین ورودی (چرخش) و خروجی (حرکت خطی) می شود.

عملکرد بال اسکرو

زمانی که محور پیچ می‌چرخد، توپ‌های فلزی درون شیارهای مارپیچی محور و مهره می‌غلطند و این حرکت چرخشی را به حرکت خطی تبدیل می‌کنند. به دلیل استفاده از بلبرینگ‌های توپ، اصطکاک در این سیستم بسیار کم است، که باعث افزایش دقت و کارایی در انتقال نیرو می‌شود.

کاربردها

1. ماشین‌افزارها: برای کنترل دقیق حرکت میز یا اسپیندل.
2. رباتیک: برای ایجاد حرکت دقیق در بازوهای رباتیک.
3. صنایع خودروسازی: در سیستم‌های فرمان و انتقال قدرت.
4. تجهیزات پزشکی: در دستگاه‌های تصویر‌برداری و تجهیزات جراحی دقیق.

بال اسکروها به دلیل دقت بالا، توانایی تحمل بار زیاد، و کارایی انرژی، در کاربردهای مختلف صنعتی و علمی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

دسته بندی و انواع بال اسکرو

بله، بال اسکروها بسته به طراحی و کاربرد، به چند نوع اصلی تقسیم می‌شوند:

1. بال اسکرو گردشی (Rotary Ball Screw)

شرح: این نوع بال اسکرو برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی استفاده می‌شود. محور پیچ می‌چرخد و مهره به صورت خطی حرکت می‌کند.

کاربردها: در ماشین‌افزارها، تجهیزات CNC و روبات‌ها.

 

2. بال اسکرو برگشتی (Recirculating Ball Screw)

شرح: در این نوع، توپ‌ها پس از حرکت در یک مسیر مارپیچ به جای خود برمی‌گردند و به حرکت ادامه می‌دهند. این نوع بال اسکرو معمولاً برای کارهای سنگین و با دقت بالا استفاده می‌شود.

کاربردها: در ماشین‌آلات دقیق و سیستم‌های انتقال قدرت.

 

3. بال اسکرو محصور (Enclosed Ball Screw)

شرح: در این نوع، یک محفظه محافظ دور محور پیچ و مهره قرار دارد که از ورود گرد و غبار و آلودگی به سیستم جلوگیری می‌کند.

کاربردها: در محیط‌های آلوده و سخت صنعتی.

 

4. بال اسکرو مینیاتوری (Miniature Ball Screw)

شرح: این نوع بال اسکرو در ابعاد کوچک‌تر تولید می‌شود و برای کاربردهایی که نیاز به دقت بالا در فضای محدود دارند، استفاده می‌شود.

کاربردها: در دستگاه‌های پزشکی، ابزارهای دقیق، و روبات‌های کوچک.

 

5. بال اسکرو با سرعت بالا (High-Speed Ball Screw)

شرح: این نوع بال اسکرو برای حرکت‌های سریع طراحی شده و برای کاربردهایی که نیاز به سرعت و دقت بالا دارند، مناسب است.

کاربردها: در ماشین‌های CNC و سیستم‌های اتوماسیون صنعتی با سرعت بالا.

 

6. بال اسکرو با پیش بار (Preloaded Ball Screw)

شرح: این نوع بال اسکرو با قرار دادن یک پیش بار در سیستم، بازی و لقی را به حداقل می‌رساند. این ویژگی باعث افزایش دقت و سختی سیستم می‌شود.

کاربردها: در کاربردهای دقیق مانند تجهیزات اندازه‌گیری و دستگاه‌های نیمه‌هادی.

 

این انواع مختلف بال اسکرو بر اساس نیازهای متفاوت صنعتی و کاربردهای گوناگون طراحی شده‌اند و هر کدام ویژگی‌ها و مزایای خاص خود را دارند.

---

---

عوامل مهم در انتخاب بال اسکرو:

برای انتخاب بال اسکرو مناسب جهت طراحی یک قطعه ی صنعتی نیاز به شناخت صحیح از پارامتر ها و عوامل مهم آن ها می باشد. از این ابزار به دلیل این که می توان در طیف گسترده ای از برنامه ها و کاربردهای کنترل حرکت زیادی استفاده کرد. برای همین خاطر انتخاب صحیح این پیچ و مهره ی ساچمه ای می تواند منجر به ارائه ی سیستمی شود که با عملکرد طولانی مدتش بتواند تمامی نیازهای عملکردی دستگاه مورد نظر را برآورده کند.

برخی بررسی الزامات اولیه ی سیستم برای انتخاب بال اسکرو وجود دارد که باید به عنوان راهنمای کمک در فرایند انتخاب استفاده شوند. از جمله‌ی این بررسی های اولیه می توان به دقت قرارگیری و مکان یابی، وزن کل بار، حداکثر سرعت سیستم و طول سفر مورد نظر و تکرار پذیری سیستم و .. اشاره کرد. دقت به این موارد در هنگام حرکت به مراحل بعدی بسیار ضروری می باشد.

به طور خلاصه در زمان انتخاب بال اسکرو مناسب می بایست موارد زیر را لحاظ قرار داد:

• میزان بار مکانیکی
• دقت مورد نیاز حرکت
• شرایط محیطی
• محل نصب

در موارد ذیل به صورت تفضیلی به عوامل تاثیر گذار در انتخاب بال اسکرو می‌پردازیم:

مشخص کردن طول عمر مفید گردش:

یکی از ملزومات اولیه‌ی سیستم، تعیین طول عمر مفید گردش می باشد. طول عمر گردش شامل تعداد مترها یا اینچ هایی است که به وسیله ی مهره بال اسکرو در مقابل بار اعمال شده طی خواهد شد. نقطه‌ی شروع، جهت انتخاب صحیح این پیچ و مهره ی ساچمه ای یا بال اسکرو در انجام یک محاسبه ی ساده برای تعیین طول عمر ضروری آن است.

مشخص کردن حداکثر سرعت ایمن:

از دیگر مواردی که باید قبل از انتخاب پیچ و مهره ی ساچمه ای به آن دقت کرد، تعیین حداکثر سرعت ایمن آن است. به دلیل این که یک محدودیت مکانیکی می باشد می تواند موجب ایجاد لرزش بیش از اندازه و آسیب به پیچ های پشتیبانی شود.

مشخص کردن اثر بار:

بار اعمالی به مهره‌ی بال اسکرو (بال نات) و محدوده‌ی پشتیبانی باید در ابتدای کار تعیین شود. بعد از آن چگونگی نصب این مجموعه که در یک راستای افقی باشد یا عمودی، مورد بررسی قرار می گیرد. اگر بال اسکرو در یک راستای افقی نصب شود. در یک کاربرد افقی، بال اسکرو تنها بار ضریب اصطکاک را برای ساختار بیرینگ خطی حس می کند. محاسبه ی ضریب اصطکاک برای سطوح مختلف بیرینگ خطی متفاوت می باشد. به طور معمول برای یک بیرینگ از نوع بلبرینگ چرخشی از مقدار یک صدم استفاده می کنند.  در صورتی هم که بال اسکرو به صورت عمودی نصب شود، مهره ی آن و محفظه ی پشتیبانی کل بار را به عنوان نیروی محوری می بیند. در این حالت توصیه می شود که بال اسکرو را در وضعیت بارگیری تنشی  در برابر بارگیری فشاری نصب شود.

مشخص کردن بار فشرده سازی ایمن و مجاز:

تعیین بار فشاری نیاز به فشرده سازی و یا خم کردن شفت بال اسکرو دارد. در صورتی که یک بار کاملا سنگین بر روی مهره ی این ابزار در حالت کاربردی افقی اعمال شود، امکان خم شدن بال اسکرو وجود دارد. ولی اگر در کاربرد عمودی  محفظه ی پشتیبانی موتور بر روی با اسکرو نصب شود، تمامی اجزای آن در حالت تنشی قرار می گیرند و نیازی به نگرانی در مورد فشرده سازی نمی باشد.

بررسی پیکربندی پشتیبانی:

تمامی محفظه های پشتیبانی که در پیچ و مهره های ساچمه ای وجود دارند، از یک طول عمر مشخصی با توجه به بار فشاری که در مقابل تعداد چرخش های پیچ بر روی آن ها اعمال می شوند، برخوردار هستند. اصولا محفظه  و پشتیبان محرک واقع در مونتاژ بال اسکرو بیشترین بار فشاری اعمال شده را تجربه می کند.

پارامترهای مهم در انتخاب بال اسکرو

• نرخ بار استاتیکی پایه
• نزخ بار دینامیگی پایه
• محاسبه مقدار سرعت بال اسکرو
• محاسبه مقدار نیروی ماکزیمم برای بال اسکرو
• محاسبه ظرایب اطمینان برای بال اسکرو
• محاسبه بار کششی مجاز
• محاسبه گشتاور پیچشی و خمشی به انتهای بال اسکرو
• محاسبه سرعت دورانی مجاز بال اسکرو
• محاسبه بار بحرانی بال اسکرو
• محاسبه عمر بال اسکرو

---

---

در نظر گرفتن پارامتر های ایمن به هنگام انتخاب بال اسکرو:

از دیگر مواردی که باید در مورد ایمنی این ابزار در نظر گرفت به صورت زیر است:

• بارهای استاتیک: این بارها می توانند فشار شدیدی را در شرایط غیر فعال بر روی پیچ و مهره ها اعمال کنند. در صورتی که میزان بار استاتیک یک بال اسکرو از حد مجاز آن زیادتر شود، موجب انحراف بین ساچمه های فولادی آن می شود. این کار هم می تواند منجر به روان کار نکردن سیستم شده و باعث شود که سیستم عملکرد صحیحی را از خود نشان ندهد.
• افزایش طول عمر: برای افزایش طول عمر و کسب اطمینان از آن، نیروهای خارجی نباید به هیچ عنوان به بیشینه ی مقادیر نزدیک شوند. این کار می تواند منجر به شکست زودرس آنها شود. البته برخی از نیروهایی که استاتیک می باشند را می توان محاسبه کرد.
• نیروهای غیر منتظره: تعیین نیروهای غیر منتظره کمی دشوار می باشد. این نیروها می توانند به دلیل لرزش ها و ضربه ها و یا نیروهای اینرسی باشند. برای همین خاطر به صورت کلی یک عامل ایمنی در نظر گرفته می شوند که تمامی این نیروها را به خود اختصاص می دهند. این عامل تعیین کننده‌ی قابلیت بارگذاری قطعات در برابر بار اعمال شده می باشد.
• نوع بارگیری: نوع بارگیری در دو صورت عدم وجود بار لرزشی و ضربه ای با شدت اثر بالا و وجود بار لرزشی و یا فشاری می باشد.
• بارهای دینامیک: در زمان حرکت پیچ این بارها به پیچ و مهره فشار می آورند.
• حداقل ضریب ایمنی: حداقل ضریب ایمنی برای شرایط بدون ضربه و هیچ گونه لرزشی برابر را با فرمول 2x-1 حساب می کنند. برای شرایطی که بال اسکرو تحت ضربه و لرزش می باشد، بار فشاری را با فرمول 6X-2 محاسبه می کنند.

 

کاربردهای بال اسکرو:

بال اسکرو به خاطر مکانیزم عملکرد خاصی که دارد از کاربردهای گوناگونی مانند استفاده از آن در صنایع هوافضا، هواپیما و موشک برای كنترل حركت سطوح؛ برای انتقال حرکت چرخشی از یک موتور الکتریکی به حرکت محوری رینگ فرمان، ربات های صنعتی، ماشین آلات صنعتی و سیستم های کنترل CNC ، انواع ماشین آلات صنعتی و صنایع نظامی برخوردار است. از جمله کاربردهای این وسیله به صورت زیر است:

تحمل بارهای سنگین:

این وسیله به دلیل ساچمه های فلزی چرخنده ای که جهت تحمل بار دارد، از ظرفیت حمل بارهای سنگین تری در مقایسه با سایر پیچ و مهره های ساچمه ای برخوردار است.  سایر پیچ مهره های ساچمه ای که ساچمه ی آن ها از جنس برنز هستند می توانند بارهای سنگین تری را تحمل کنند ولی با افزایش بار در آن ها اصطکاک ایجاد می شود. اصطکاک بیشتر هم چرخه ی کاربرد و عمر آن را کمتر می کند.

بهره وری بیشتر:

بهره وری بال اسکرو اکثرا 90 درصد و بیشتر می باشد.  نقطه ی تماس اصطکاک کمتری را ایجاد می کند که موجب بهره وری بیشتری می شود. ( اصطکاک کم در بال اسکروها بازده مکانیکی بالایی را در مقایسه با دیگر ابزارها فراهم میکند. یک نمونه بال اسکرو در مقابل بازده 50 درصدی یک لید اسکرو (پیچ انتقال قدرت ساده) با همان ابعاد، می تواند 90 درصد بازدهی داشته باشد.)

میزان دقت بالاتر:

پیچ و مهره های ساچمه ای دارای واکنش شدیدی برای پس زدن و عقب گرد دارند و هدف اصلی از نصب آن ها برای از بین بردن واکنش ها می باشد. این کار با استفاده از ساچمه هایی که دارای قطرهای بزرگتری هستند، انجام می شوند.

چرخه وظیفه مورد تقاضا:

حداکثر سرعت بال اسکرو به وسیله ی سرعت بحرانی پیچ محدود می شود. به دلیل ویژگی اصطکاک کمتری این ابزار دارد، موجب تولید گرمای خیلی کمتری می شود. برای همین خاطر دارای ایستادگی و مقاومت بالاتری بوده و از طول عمر بالاتری برخوردار است.

 

معایب و مزایا استفاده از بال اسکرو چیست؟

بال اسکروها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه، مزایا و معایب استفاده از بال اسکروها را بررسی می‌کنیم:

مزایا:

راندمان بالا:

بال اسکروها به دلیل استفاده از بلبرینگ‌های توپ‌دار، اصطکاک بسیار کمی دارند که منجر به راندمان بالای انتقال نیرو (تا 90% یا بیشتر) می‌شود.

دقت بالا:

به دلیل طراحی خاص و استفاده از پیش‌بار (Preload) در برخی مدل‌ها، بال اسکروها دقت و تکرارپذیری بالایی دارند که برای کاربردهای دقیق و حساس بسیار مناسب است.

عمر طولانی:

به دلیل کم بودن اصطکاک و سایش در سیستم، بال اسکروها عمر طولانی‌تری نسبت به بسیاری از سیستم‌های انتقال حرکت دارند.

ظرفیت تحمل بار بالا:

بال اسکروها می‌توانند بارهای محوری و شعاعی زیادی را تحمل کنند که باعث می‌شود در کاربردهای سنگین صنعتی نیز قابل استفاده باشند.

حرکت نرم و یکنواخت:

حرکت در بال اسکروها به صورت یکنواخت و بدون لرزش انجام می‌شود، که این ویژگی در کاربردهایی که نیاز به حرکت آرام و دقیق دارند، بسیار مهم است.

 

معایب:

هزینه بالا:

تولید بال اسکروها به دلیل دقت بالای مورد نیاز در ساخت، هزینه‌بر است و قیمت آن‌ها نسبت به روش‌های ساده‌تر انتقال حرکت بیشتر است.

حساسیت به آلودگی:

بال اسکروها به آلودگی‌های محیطی مانند گرد و غبار و رطوبت حساس هستند و در صورت ورود این آلودگی‌ها به داخل سیستم، عملکرد و عمر مفید آن‌ها کاهش می‌یابد.

نیاز به نگهداری:

به دلیل وجود بلبرینگ‌ها و قطعات متحرک، بال اسکروها نیاز به نگهداری منظم مانند روان‌کاری و تمیز کردن دارند تا به درستی کار کنند.

سرعت محدود:

با وجود وجود مدل‌های سرعت بالا، در کاربردهایی که نیاز به سرعت بسیار زیاد دارند، بال اسکروها ممکن است محدودیت داشته باشند و ممکن است به گزینه‌های دیگری مانند سیستم‌های تسمه‌ای نیاز باشد.

حساسیت به خطای نصب:

نصب نادرست بال اسکرو می‌تواند منجر به کاهش دقت و افزایش سایش شود، بنابراین نصب دقیق و صحیح آن‌ها بسیار حائز اهمیت است.

 

بال اسکروها با وجود مزایای قابل توجه، در برخی شرایط ممکن است بهترین گزینه نباشند و باید با در نظر گرفتن تمامی جوانب و نیازهای خاص هر کاربرد، انتخاب شوند.

بال اسکرو چگونه کار می کند؟

برای فهمیدن عملکرد صحیح بال اسکرو بایستی اجزای آن را به صورت کامل بشناسید. پیچ رزوه شده و یک مهره که دارای شیارهای مارپیچی است، اجزای اصلی بال اسکرو می باشند. حرکت خطی این ابزار به وسیله ی جا به جایی مهره بر روی پیچ صورت می گیرد. اساس کار این سیستم هم در ایجاد حرکت خطی و حرکت جلو و عقب بردن میزها و محورها می باشد. از این پیچ و مهره ی ساچمه ای بیشتر در صنعت و ماشین آلات صنعتی استفاده می شود. البته اصل حرکت این ابزار به وسیله ی جا به جایی مهره بر روی پیچ نمی باشد چون ساختار بال اسکرو به گونه ای است که بین مهره و پیچ و در داخل شیارهای مارپیچی تعدادی ساچمه های فلزی وجود دارد که تماس بین پیچ و مهره به وسیله ی آن ها صورت می پذیرد.

وجود ساچمه های فلزی باعث کاهش اصطکاک در Ball Screw و افزایش عمر مفید آن شده است. در پاسخ به این سوال که بال اسکرو چگونه کار می کند؟ می توان گفت که، مهره های این وسیله دارای ساختار هندسی است که از مکانیزم خاصی برخوردار می باشد. همین مکانیزم امکان حرکت ساچمه های فلزی را در داخل شیارهای مارپیچ ممکن می سازد. ساچمه ها بعد از جا به جایی در داخل فضای مارپیچ میان مهره و پیچ، از انتهای دیگر مهره وارد مکانیزم بازگرداننده شده و از سمت  دیگر آن خارج می شود و به وسیله ی یک لوله مجدد وارد فضای مارپیچ می گردد. این گردش ادامه پیدا می کند و جا به جایی پیوسته ی ساچمه ها و به دنبال آن حرکت مهره ها را ممکن می کند. در پیچ و مهره های ساچمه ای از انواع متفاوت مکانیزم های بازگرداننده استفاده می شود.

مزایا و معایب استفاده از بال اسکرو:

بال اسکرو به عنوان یک وسیله ی مکانیکی وظیفه ی تبدیل حرکت چرخشی را به حرکت خطی دارد. در واقع این محصول وسیله ای جهت تبدیل نیروهای چرخشی کوچک به نیروهای پرتابی می باشد. ساختار ظاهری این وسیله شبیه به یک مجموعه ی پیچ و مهره است که گوی به عنوان مهره و شفت های آن به عنوان پیچ عمل می کند. گوی موجود در این محصول به گونه ای طراحی شده است که امکان چرخش ساچمه ها را در داخل خود فراهم می آورد. به این صورت که در مدت زمان حرکت گوی بر روی شفت ، ساچمه های موجود در داخل گوی را به گردش در می آیند. همچنین این محصول متشکل از یک پیچ هرز گرد، مهره و ساچمه می باشد که وجود همین ساچمه ها موجب می شود که هیچ گونه تماسی بین پیچ و مهره ها ایجاد نشود.

مزایا:

• عملکرد و کارایی بهتر
• تحمل بارهای سنگین‌تر
• دقت بالاتر
• اصطکاک کم به دلیل قرار گرفتن ساچمه‌ها در بین پیچ و مهره

یکی از مزیت های این محصول در ایجاد اصطکاک خیلی کمتر می باشد. نیاز کمتر به تعویض هم از دیگر مزیت های پیچ و مهره های ساچمه ای می باشد. سومین مزیت این محصول هم در داشتن سرعت و دقت بالا و قابل پیش بینی بودن آن است. این محصول بسیار کارآمد بوده و نیاز به گشتاور خیلی کمتری دارد. از جمله معایب و ایرادات این وسیله ی مکانیکی هم می توان به مشکل داشتن با کاربردهای عملیاتی عمودی و گران بودن آن در مقایسه با سایر اسکروها و نیاز به گریس و روغن کاری آن ها و مستلزم داشتن سیستم ترمز اشاره کرد.

معایب:

• سبت به لید اسکرو از نظر قیمت و هزینه بسیار بالاتر می‌باشد.
• برای ترمز به یک سیستم جداگانه به منظور توقف نیاز است.
• نیاز به روغن‌کاری مداوم و منظم برای حفظ دقت بالا و روان‌سازی دارد.
• بال اسکرو‌ها دارای مکانیزم قفل خودکار نیستند.
• بال اسکروها سیستم دستی برای اپراتور یا مکانیک ندارند.
• خرابی یکی از قطعات بال اسکرو در عملکرد کلی سیستم خلل ایجاد می‌کند.
• عدم کارکرد مناسب در حالت عمودی دارند.
• محافظت در برابر ذرات گرد و غبار نیاز شدید دارند

---

---

بررسی اجمالی مزایای بال اسکرو:

• اندازه ی بار مکانیکی که قرار است بر روی این مجموعه وارد شود، باید تحمل میزان فشار بالای بار را داشته باشد. برای همین خاطر تا حد امکان این سیستم می تواند با ایجاد اصطکاک کم بیشترین طول عمر و تحمل را داشته باشد.
• دقت بالای مورد نیاز در Ball Screw یکی دیگر از مزیت های آن می باشد. در بال اسکرو واکنش شدیدی بین پیچ و مهره نمی توان مشاهده کرد، چون در این مواقع از ساچمه های با قطر کمی بزرگتر از فضای بین پیچ و مهره استفاده می شود.
• لوازم و تجهیزات مورد استفاده برای نصب
• وضعیت و شرایط محیطی محل استفاده
• عملکرد و کارایی مناسب: بال اسکروها به دلیل تماس نقطه ای که دارند در مقایسه با تماس خطی موجب تولید اصطکاک کمتری می شوند. این امر هم موجب ایجاد راندمان بالاتری می شود.
• اصطکاک بسیار کم به دلیل قرار گرفتن ساچمه ها در بین پیچ و مهره
• دقت بالاتر، در پیچ و مهره های ساچمه ای برای از بین بردن واکنش های شدید از توپ هایی که قطر بزرگتری در مقایسه با فضای بین مسیر پیچ و مهره دارند، استفاده می شود. این کار موجب افزایش دقت عملکرد سیستم این مجموعه می شود.

بررسی اجمالی معایب بال اسکرو:

• به علت اصطکاک پایینی که در میان پیچ و مهره وجود دارد، این سیستم از مکانیزم خود قفل برخوردار نمی باشد. برای همین خاطر می توان با حرکت دادن خطی مهره ها بر روی پیچ، پیچ را به گردش وادار نمود.
• از دیگر معایب و ایرادات پیچ و مهره های ساچمه ای می توان به اصطکاک کم در میان پیچ و مهره ها اشاره کرد، به این صورت که اپراتور نمی تواند با روش دستی چرخشی را ایجاد کند که منجر به حرکت مهره ها با سرعت ثابت شود. از آن جایی که از این مجموعه در ماشین هایی استفاده می شود که گردش شفت به کمک موتور با سرعت گردش ثابت تامین می شود.
• هزینه های بالای خرید این وسیله از دیگر ایرادات این سیستم به حساب می آید. البته با یک بار هزینه به هنگام خرید می توان با مصرف انرژی کمتری به هنگام انجام کار، آن را جبران کرد.
• بال اسکرو نیاز به روغن کاری دائم و محافظت در برابر گرد و غبار و ذرات خارجی دارد.
• آسیب دیدن یکی از قطعات این سیستم موجب ایجاد اختلال در عملکرد آن می شود. در صورتی که پیچ انتقال قدرت ساده دارای انعطاف پذیری بالایی در مقابل آسیب دیدگی های فیزیکی می باشد.
• صدای نسبتا زیاد در حین عملکرد. این سیستم دارای صدای زیادی می باشد.

مشخصات متریالی بال اسكرو

جنس پيچ بال اسكرو از فلزات مقاوم ضد سایش تهيه مي شود تا در برابر سایش مقاوم باشد.

براي شناخت مشخصات فني بال اسكرو بايد به مدل و مد شناسايي آن توجه شود. از جمله اين مشخصات مي توان به قطر بال اسكرو، سختي، مقدار بار پايه ديناميكي و استاتيكي، تعداد دوران، دقت و سرعت حركت خطي اشاره كرد.

 

انواع برند تولید کننده بال اسکرو

چندین برند معتبر در سطح جهان به تولید بال اسکروها می‌پردازند. این برندها به دلیل کیفیت بالا، دقت در تولید، و دوام محصولاتشان شناخته شده‌اند. برخی از برندهای مطرح در زمینه تولید بال اسکرو عبارتند از:

 

THK

ژاپن

یکی از پیشروان جهانی در تولید بال اسکرو و سایر تجهیزات حرکت خطی. این شرکت محصولات بسیار دقیقی ارائه می‌دهد که در صنایع مختلف کاربرد دارند.

 

NSK

ژاپن

شرکت NSK یکی از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان بلبرینگ و بال اسکرو در جهان است و به دلیل کیفیت و تکنولوژی پیشرفته محصولاتش شهرت دارد.

 

HIWIN

تایوان

HIWIN یکی از برندهای معتبر و معروف در تولید بال اسکرو و ریل‌های خطی است که محصولات با کیفیت و اقتصادی را ارائه می‌دهد.

 

Bosch Rexroth

آلمان

یکی از برندهای معتبر در حوزه اتوماسیون صنعتی و تکنولوژی‌های حرکت خطی، بال اسکروهای با کیفیت بالا تولید می‌کند.

 

SKF

سوئد

SKF یکی از شرکت‌های بزرگ جهانی در تولید بلبرینگ‌ها، بال اسکروها و سیستم‌های حرکت خطی است. این برند به دلیل پایداری و عملکرد عالی محصولاتش معروف است.

 

Kuroda

ژاپن

Kuroda یک برند ژاپنی است که بال اسکروهای با دقت بالا تولید می‌کند. محصولات این شرکت بیشتر در کاربردهای دقیق و حساس به کار می‌روند.

 

TBI Motion

تایوان

TBI Motion یکی از تولیدکنندگان معتبر تایوانی در زمینه تولید بال اسکرو، ریل‌های خطی، و سایر قطعات حرکتی است که محصولات اقتصادی و با کیفیت را عرضه می‌کند.

 

Schneeberger

سوئیس

برند سوئیسی Schneeberger در تولید محصولات حرکت خطی مانند بال اسکروها تخصص دارد و به دلیل دقت و کیفیت بالا شناخته می‌شود.

 

این برندها هر کدام به دلیل تخصص و تکنولوژی منحصر به فرد خود، در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند و بسته به نیازهای کاربردی، انتخاب می‌شوند.

 

کاتالوگ و شرکت های تولید کننده بال اسکرو:

شرکت های زیادی اقدام به تولید این محصول می کنند. در ادامه به معرفی چند شرکت معروف و معتبر که در زمینه ی تولید و طراحی انواع بال اسکروها فعالیت می کنند خواهیم پرداخت:

• شرکت هایوین HIWIN: این شرکت یکی از شرکت های بزرگ تایوانی می باشد که اقدام به تولید انواع قطعات ماشینی و اتوماسیون های صنعتی می نماید. برای دانلود کاتالوگ هایوین کلیلک کنید.
• شرکت THK: این شرکت در توکیو ژاپن تاسیس و شروع به فعالیت نموده است. همکاری و تعامل بین المللی این شرکت موجب شده است که به برندی منحصر به فرد در کل دنیا تبدیل شود. نام شرکت THK از کلمات «Toughness «استحکام، «Quality High«کیفیت باال و «how-Know«دانش در انجام کار گرفته شده است. هدف این شرکت آن است که با تکیه بر این سه اصل در توسعه تکنولوژی و ساخت محصوالت خود، به بهبود کیفیت زندگی در جامعه و توسعه صنعت کمک کند. برای دانلود کاتالوگ THK کلیلک کنید.

---

---

ادامه

• شرکت TBI: شرکت TBI یکی دیگر از تولید کننده های تخصصی ساخت محصولات بال اسکرو در تایوان می باشد. این شرکت با در اختیار داشتن تکنولوژی و تمرکز بر توسعه ی محصولات دارای طراحی های نوآورانه می باشد. این شرکت حمایت فنی و تجزیه و تحلیل مورد نیاز را با توجه به خواسته های مشتری انجام می دهد. شرکت TBIیک تولید کننده تخصصی ساخت محصوالت حرکت خطی در تایوان میباشد، که با در اختیار داشتن تکنولوژی و تمرکز بر توسعه محصول دارای طراحی نوآورانه است. محصوالت این شرکت تحت ثبت اختراع ISO 2008:9001 میباشد. محصوالت MOTION TBI در زمینه های صنعتی برجسته هستند، و این شرکت حمایت فنی و تجزیه و تحلیل مورد نیاز را بنا بر خواسته مشتری انجام میدهد. برای دانلود کاتالوگ کلیلک کنید
• شرکت KURODA: این شرکت در ژاپن تاسیس  گردید. از مزایای این شرکت میتوان به این مورد اشاره کرد که تمامی محصولات در ژاپن تولید و توسط نمایندگی های مختلف در سراسر جهان عرضه میگردد. محصولات در سه گرید مختلف تولید میگردند. استاندارد کاری این شرکت نیز JIS بوده که کاملا مشابه با DIN آلمان است. برای دانلود کاتالوگ KURODA کلیلک کنید.
• شرکت صنایع ساچمه ای ایرانیان: این شرکت با سه دهه سابقه ی درخشان و دریافت انواع تاییدیه ها، یکی از شرکت های تولید کننده بال اسکروی ایرانی است.

محاسبات انتخاب بال اسکرو:

برای انتخاب بال اسکرو متناسب با کاربری که نیاز دارید، بایستی برخی مراحل را طی نمایید. این مراحل  به شرح زیر هستند:

• شرایط عملیاتی را بررسی کنید: شرایط عملیاتی مانند موقعیت یابی، ضربه، سرعت سفر، سرعت موتور درایو، وزن قطعه کار و میز، جهت نصب (افقی یا عمودی)، مدت زمان استفاده ، الگوی حرکت(نمودار خط چرخه وظیفه)
• انتخاب موقت بال اسکرو: در این مرحله باید اول دقت سرب بال اسکرو را برآورد شود. دوم انتخاب طول شفت بال اسکرو می باشد و سوم موقعیت موقت سرب و چهارم انتخاب موقت قطر شفت و پنجم، وزن کار و میز و موقعیت نصب و سرب تعیین شده ی موقت است.
• بررسی بار محوری مجاز: بار محوری مجاز نشان دهنده ی حداکثر بار مجاز از جمله حاشیه ایمنی، برای جلوگیری از شفت است. کمانش از وقوع، هر اندازه شفت کوچکتر یا بلندترباشد، کمانش راحت تر اتفاق می افتد.
• بررسی سرعت چرخشی مجاز:سرعت چرخشی مجاز به سرعتی گفته می شود که هشتاد درصد یا کمتر از سرعت بحرانی باشد. برای تعیین سرعت چرخش مجاز، بایستی دو عنصر (سرعت بحرانی برای شفت دوار و سرعت چرخش توپ های در حال گردش در داخل مهره را محدود کنید) را در نظر بگیرید.
• ساعات کار بال اسکروها: این مدت زمان به کل چرخش ها و مدت زمانی که ساچمه در داخل مهره می چرخد، اشاره می کند.

بررسی 6 مرحله محاسبات موجود  برای انتخاب  بال اسکرو:

• سرعت چرخش: سرعت چرخش نباید بیش از 3000 دور در دقیقه باشد.
• سرعت بحرانی: حداکثر سرعت مجاز همه ی اسکروها به قطر پیچ، نوع اتصال انتهایی و طول پیچ آزاد بستگی دارد.
• بار کمانش: حداکثر بار محوری قابل حمل بستگی به قطر بال اسکرو، اتصال انتهایی و طول آزاد دارد.
• سرعت متوسط و بار متوسط: تعیین جاهایی که سرعت در چرخه ی ماشین تغییر می کند.
• عمر سرویس: عمر مفید اولیه با تعداد دورهایی بیان می شود که قبل از مشاهده ی اولین نشانه از مشکلات سیستم به دست می آید. عمر بر حسب ساعت را می توان با استفاده از سرعت متوسط محاسبه کرد.
• محاسبه گشتاور: گشتاور ورودی برای تبدیل حرکت دورانی به حرکت خطی

محاسبات بال اسکرو (نحوه انتخاب بال اسکرو)

‫انتخاب بال اسکرو

‫بال اسکرو وسیله ای مکانیکی است برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی با کمترین اصطکاک ممکن. ساختار ظاهری بال اسکرو شبیه یک مجموعه پیچ و مهره است که گوی به عنوان مهره و شافت رزوه شده به عنوان پیچ عمل ‫می‌کند. شفت رزوه دار مارپیچی‪ ،مسیر حرکت ساچمه هایی را فراهم می‌سازد که قسمت لغزنده بال اسکرو (مهره) بر روی ‫آنها به حرکت در می آید. گوی در بال اسکرو به گونه ای ساخته شده است که امکان چرخش ساچمه ها را در داخل خود ‫فراهم می‌سازد. به طوری که در مدت حرکت گوی بر روی شفت، ساچمه ها در داخل گوی به گردش در می آیند. بال ‫اسکروها علاوه بر اینکه در برابر اعمال بارهای فشاری مقاومت میکنند‪ ،میتوانند با کمترین اصطکاک داخلی کار کنند. با توجه به اینکه این ابزار باعث ایجاد تلرانسهای دقیق میشود‪ ،در موقعیت هایی که دقت های بالایی لازم است مناسب هستند.

بال اسکروها در عین کاهش اصطکاک‪ ،میتوانند با مقداری پیش بار کار کنند که باعث حذف لقی بین ورودی (چرخش) و خروجی (حرکت خطی) است. این ویژگی زمانی لازم است که از آنها در سیستمهای کنترل حرکت کامپیوتری نظیر ماشین ابزار CNC و کاربردهای حرکت بسیار دقیق استفاده می‌شود.

‫مقدمه

‫در ماشین آلات صنعتی با استفاده از تجهیزات کنترل مکانیکی می‌توان جابجایی های دقیق و با سرعتهای بالا ایجاد کرد. در این ماشین‌‌ها برای تبدیل حرکت دورانی به خطی باید از یک مکانیزم تبدیل استفاده کرد. لذا برای این منظور از مکانیزمهای انتقال حرکت قابل تنظیم که با آنها میتوان جهت و سرعت دوران را به طور مکانیکی کنترل کرد استفاده می‌شود. این مکانیزمها بال اسکرو نامیده میشوند. به طور خالصه میتوان گفت بال اسکرو وسیله ای مکانیکی است برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی با کمترین اصطکاک ممکن. در  شکل زیر نمونه‌ای از بال اسکرو را مشاهده می‌کنید‪.

---

---

‫انتخاب بال اسکرو‪Ball Screws

‫از عوامل مهم در انتخاب بال اسکرو میتوان به موارد زیر اشاره کرد‪:

• میزان بار مکانیکی که قرار است بر سیستم اعمال شود‪.
• ‫دقت مورد نیاز
• ‫تجهیزات مورد نیاز برای جاسازی و نصب
• ‫شرایط محیطی محل استفاده

‫

از معایب بال اسکرو نیز میتوان به موارد زیر اشاره کرد‪:

• ‫به دلیل اصطکاک کم بین پیچ و مهره‪ ،مکانیزم خود قفل نیست. به این معنا که می توان با حرکت دادن خطی مهره بر روی پیچ‪ ،پیچ را به گردش وادار کرد. در حالی که در پیچ انتقال قدرت ساده (لید اسکرو) فقط چرخش شفت می تواند باعث حرکت خطی مهره شود و حرکت معکوس آن ممکن نیست
• از معایب دیگر بال اسکرو که آن نیز به دلیل اصطکاک کم بین پیچ و مهره است‪ ،آن است که اپراتور به صورت دستی نمی تواند به راحتی چرخشی را ایجاد کند که باعث حرکت مهره با سرعت ثابت بشود. لذا معمولا از بال ‫اسکرو در ماشین هایی استفاده می شود که گردش شفت به کمک موتور با سرعت گردش ثابت تأمین شود
• ‫هزینه بالای بال اسکرو نسبت به پیچ ساده نیز از معایب بال اسکرو است، هرچند که این هزینه با نیاز به انرژی ‫کمتر برای انجام کار جبران می شود.
• بال اسکرو نیازمند به روغن کاری دائم و همچنین محافظت در برابر گرد و خاک و ذرات خارجی است.
• ‫آسیب دیدن قطعات آن باعث ایجاد اشکال در عملکرد می شود. در حالی که پیچ انتقال قدرت ساده‪ ،انعطاف عملکردی بیشتری در برابر آسیب دیدگی فیزیکی دارد

‫شناخت مشخصات فنی یک بال اسکرو از طریق نام مدل و کد شناسایی آن صورت می‌گیرد. از جمله این مشخصات میتوان به قطر بال اسکرو، سختی، مقدار بار پایه دینامیکی و استاتیکی، تعداد دوران، دقت و سرعت حرکت خطی اشاره کرد.

‫گامهای اجرایی در انتخاب Ball screw

‫در زیر قدم به قدم گام های اجرایی در انتخاب Ball screw با جزییات کامل توضیح داده میشود‪.

 

‫انتخاب موتور

در ابتدا باید مشخصات موتور را به صورت تقریبی متناسب با نوع کاری که نیاز داریم مشخص کنیم. (شتاب، سرعت ماکزیمم، گشتاور بررسی شده)
‫به عنوان مثال این مشخصات از کاتالوگ مربوط به موتورهای مکاپیون آمده است. در شکل زیر مشخصات یک موتور یک کیلووات از کاتالوگ مکاپیون مشاهده می‌شود

‫گام اول : اطلاعات بال اسکروی انتخابی

‫در این قسمت مشخصات بال اسکروی انتخابی آورده می شود. در شکل زیر نمونه هایی از بال اسکروهای انتخابی از شرکت هایوین آورده شده است

‫که در عکس از کاتالوگ مشخصات HIWIN Ball screw :

‫‪d:قطر بال اسکرو

‫‪lead:گام بال اسکرو

‫‪PCD (Pitch Circle Diameter):قطر دایره گام

‫‪RD (Root Diameter):قطر کوچک بال اسکرو

‫‪Ca:مقدار بار پایه دینامیکی

‫‪C0a:مقدار بار پایه استاتیکی

‫‪L:طول‪Nut

‫‪d_end:کمترین قطر شافت اسکرو که وارد پولی میشود‪.

 

‫بعنوان مثال مشخصات ردیف اول از شرکت ‪ های وین به شکل زیر آمده است‪:

 

‫

حال در اینجا به تعریف بعضی از پارامترهای ذکر شده برای انتخاب Ball screw میپردازیم‪:

 

‫مقدار بار پایه استاتیکی ‪   C0_a (Basic Static Load Rating) :

‫این پارامتر در واقع مقدار بار محوری استاتیکی است که باعث میشود تغییر شکل دائمی در نقطه ی اتصال بین ساچمه ها ‫و شیار اسکرو رخ دهد که این تغییر شکل برابر یک‌صدم ‪ قطر ساچمه میباشد. لذا الزامی است که بال اسکرویی انتخاب شود که C0_a آن 1 الی 3 مرتبه‌ی بزرگترین نیروی اعمالی محوری وارد بر شفت بال اسکرو باشد

‫مقدار fs بر اساس شرایط کارکرد ماشین میتواند متغیر باشد. در جدول زیر

بر اساس شرایط کارکرد ماشین آورده شده است.

 

‫مقدار ضریب اطمینان بر اساس شرایط کارکرد ماشین

 

‫مقدار بار پایه دینامیکی‪C_a (Basic Dynamic Load Rating):

‫یک بار محوری به اندازه ی مقدار این پارامتر اجازه میدهد که ‪ ۹۰%بال اسکروها از یک گروه برای مدت یک میلیون ‫دور بچرخند بدون آنکه اتفاقی برایشان بیفتد.

مقدار بار پایه دینامیکی با توجه به رابطه ی زیر بدست می آید‪:

‫بار متوسط یا همان Pe بستگی دارد که نیروی دینامیکی وارد بر Ball screw به چه صورت باشد. اگر‪:

‫الف :هنگامیکه نیروی محوری لحظه به لحظه به صورت زیر تغییر کند‪:

‫ب :هنگامیکه نیرو به صورت منحنی سینوسی تغییر کند‪:

 

گام دوم : محاسبه ی مقادیر سرعت و نیروی ماکزیمم برای بال اسکروی انتخابی

به عنوان مثال ما مشخصات Ball screw را وارد اسکل کردیم حال باید سرعت زاویه ای‪ ،سرعت خطی و نیروی ماکزیمم ‫وارد بر Ball screw را بدست آوریم. در شکل زیر مقادیری که برای بال اسکرو لازم است مشخص شده است‪.

بدست آوردن سرعت زاویه ای‪ ،سرعت خطی و نیروی ماکزیمم بال اسکرو

‫‪R:نسبت پولیها

‫‪η:بازده موتور

‫‪w_max:سرعت زاویهای ماکزیمم بال اسکرو

‫‪F_max:مقدار نیروی ماکزیمم وارد بر بال اسکرو

‫‪V_max:سرعت خطی ماکزیمم بال اسکرو

 

‫هر یک از مقادیر بالا به صورت زیر بدست می آیند‪:

‫با استفاده از روابط 1 و 3 خواهیم داشت‪:

‫و همچنین با استفاده از روابط 2 و 4 خواهیم داشت‪:

‫‪

‫گام سوم: محاسبه ی ضرایب اطمینان برای بال اسکروی انتخابی

در این گام ضریب ایمنی های مربوط به Ball screw را بدست می آوریم. بال اسکرویی که بتواند تمامی این ضریب ایمنی ها ‫را ارضا کند، میتواند بعنوان بال اسکروی انتخابی ما باشد. حال در این مرحله به جزییات میپردازیم‪.

‫بار کمانش مجاز‪(Buckling):

‫هنگامی که بال اسکرو تحت یک بار فشاری قرار گیرد ممکن است تحت کمانش قرار گیرد و تغییر شکل بزرگی برای شافت ‫اسکرو رخ دهد. در شکل زیر فرمول ارائه شده توسط شرکت های‌وین برای بار مجاز کمانش عینا آورده شده است

‫بار کمانش مجاز  (Buckling) بال اسکرو

‫با توجه به پارامترهای تعریف شده در فایل اکسل لذا میتوان گفت بار مجاز کمانش برای Ball screw برابر است با‪:

 

‫فرمول ارائه شده برای Lt در جدول ۴-1کاتالوگ HIWIN آمده است.

‫همچنین توجه شود که:

Kg.f = 9.81N1

 

از طرفی F_nut ماکزیمم را بدست آوردیم. لذا ضریب اطمینان برای بار کمانش مجاز بال اسکرو برابر است با:

‫بار کششی فشاری مجاز‪(Tensile compressive load):

‫هنگامی که یک بار محوری به شافت بال اسکرو وارد می شود علاوه بر چک کردن بار کمانش باید از لحظه رسیدن به تنش ‫مجاز نیز اطمینان حاصل کرد. فرمول ارایه شده برای این بخش در صفحه ‪ 3۰کاتالوگ THK آمده است. در شکل زیر این فرمول عینا آورده شده است‪:

‫بار کششی فشاری مجاز (Tensile compressive load) بال اسکرو

با توجه به پارامترهای تعریف شده در فایل اکسل لذا میتوان گفت بار مجاز اعمالی به شافت بال اسکرو برابر است با:

‫لذا ضریب اطمینان برای بار محوری مجاز به شافت بال اسکرو برابر است با:

‫گشتاور خمشی و پیچشی اعمالی به انتهای ball screw

فرض کنیم Ball screw دارای پولی و تسمه هم باشد قسمت پایین بال اسکرو به دلیل کشش تسمه دچار خمش میشود. مقداری ‫از این نیرو به عنوان پیش کشش برای تسمه الزم است .برای محاسبه ی مقدار گشتاور خمشی میتوان گفت‪:

‫عدد ‪ 1٫2به دلیل آن است که ‪ 2۰%نیرویی که قرار است انتقال یابد بعنوان پیش کشش به تسمه وارد میشود (1.2=1+20%) پارامتر R همان نسبت انتقال پولی میباشد. عدد ‪ ۴۰در صورت معادله فاصله مرکز پولی تا محل یاتاقان ‫و عدد ‪ ۴۰در مخرج در واقع شعاع پولی بال اسکرو میباشد.

 

‫در انتهای Ball screw بار پیچشی و بار خمشی همزمان اعمال میشود. لذا ممان خمشی معادل و ممان پیچشی معادل را میتوان توسط روابط زیر بدست آورد. این روابط از معادلات شرکت  THK صفحه ‪ ۴3۷بدست آمده است

‫گشتاور خمشی و پیچشی اعمالی به انتهای ball screw

‫حال با توجه به پارامترهای تعریف شده در فایل اکسل میتوان گفت‪:

‫حال که گشتاور خمشی و پیچشی معادل و اعمالی به انتهای بال اسکرو بدست آمده است باید ببینیم چقدر میتواند این ‫گشتاور اعمال شود.

‫هنگامی که شافت اسکرو تحت بار خمشی قرار گیرد مطابق فرمولهای ارائه شده در کاتالوگ THK صفحه ‪ ۴3۶داریم:

‫شافت بال اسکرو تحت بار خمشی (انتخاب ball screw)

‫با توجه به فرمولهای بالا میتوان ضریب اطمینان برای بار خمشی را به صورت زیر نوشت‪:

‫M در معادله بالا در واقع همان گشتاور خمشی معادل میباشد. گشتاور خمشی معادل را با Me نمایش دادیم. لذا خواهیم داشت:

 

‫هنگامی که شافت اسکرو تحت بار پیچشی قرار گیرد مطابق فرمولهای ارائه شده در کاتالوگ THK صفحه ‪ ۴3۶داریم‪:

‫شافت ball screw تحت بار پیچشی

‫با توجه به فرمولهای بالا میتوان ضریب اطمینان برای بار پیچشی را به صورت زیر نوشت‪:

‫T در معادله بالا در واقع همان گشتاور پیچشی معادل میباشد. گشتاور خمشی معادل را با Te نمایش دادیم. لذا خواهیم داشت:

‫سرعت دورانی مجاز Ball screw

‫هنگامی که سرعت دورانی بال اسکرو به یک مقدار خاصی برسد‪ ،بال اسکرو ممکن است رزونانس کند چرا که سرعت ‫دورانی آن به فرکانس طبیعی بال اسکرو رسیده است. در زیر فرمول ارائه شده برای فرکانس طبیعی توسط کاتالوگTHK ‫ صفحه ‪ 32ارائه شده است‪.

‫سرعت دورانی مجاز Ball screw

‫با توجه به پارامترهای تعریف شده در فایل اکسل لذا خواهیم داشت‪:

‫مقدار بحرانی‪DN

‫مقدار DN تاثیر بسیار بزرگی بر روی نویز بال اسکرو دارد. برای بال اسکروهای شرکت HIWIN‌ باید به کاتالوگ این شرکت در صفحه ی ‪ 3۰آن نگاه کرد‪.

‫مقدار بحرانی‪DN

‫لذا با توجه به پارامترهای تعریف شده در فایل اکسل میتوان گفت‪:

‫ضریب ایمنی مقدار بار پایه استاتیکی Ball screw

‫با توجه به فرمول ارائه شده برای مقدار بار پایه استاتیکی که در قبل توضیح داده شد میتوان گفت‪:

‫با توجه به پارامترهای تعریف شده در فایل اکسل خواهیم داشت‪:

‫که با توجه به شرایط کارکرد ربات باید این ضریب از عدد ‪ 3بزرگتر باشد‪.

 

‫محاسبه ی عمر Ball screw

‫عمر خستگی برای انتخاب بال اسکرو معموال بر اساس تعداد دور بال اسکرو بیان میشود. مطابق فرمول ارائه شده در کاتالوگ TBI در صفحه ی ‪ 2۹میتوان گفت‪:

‫محاسبه ی عمر Ball screw

‫لذا با توجه به فرمولهای ارائه شده در فایل اکسل داریم‪:

‫عدد 5.3 یک عدد مهندسی است که در واقع بار ماکزیمم برای عمر خستگی در نظر گرفته شده است‪.