Comment faire correspondre une vis à billes et un guide linéaire pour un axe : charge, vitesse, précision et taille

A vis à billesetguide linéaireeffectuer différentes fonctions sur le même axe de mouvement. Ce guide explique comment les dimensionner et les faire correspondre en fonction de la charge, de la vitesse, de la précision, de la course, de la rigidité et des conditions d'installation au lieu de s'appuyer sur des paires de tailles fixes.

1. Que transportent la vis à billes et que transportent les guides linéaires ?

La vis à billes et les guides linéaires fonctionnent ensemble, mais ils ne supportent pas les mêmes charges.

Lela vis à billes transmet principalement la poussée axiale. Selon la machine, cela peut inclure la force d'accélération, la force de processus, la résistance au frottement et, sur un axe vertical, le poids de l'ensemble mobile.

Ledes guides linéaires soutiennent et contraignent la structure en mouvement. Ils supportent les forces verticales et latérales et résistent aux moments de tangage, de lacet et de roulis créés par la charge, les forces externes et le décalage du centre de gravité-de-.

Pour cette raison, une vis à billes ne doit pas être considérée comme l’élément principal de guidage radial de l’axe. Les guides doivent contrôler la trajectoire du mouvement, tandis que la vis fournit principalement la force motrice.

2. Entrées d'application requises avant le dimensionnement

Avant de choisir l'un ou l'autre composant, recueillez les conditions de fonctionnement de l'axe complet.

Masse en mouvement

Incluez tous les composants qui se déplacent avec le chariot, tels que la table, le montage, la pièce à usiner, la broche, l'outillage et tout équipement monté sur l'ensemble mobile.

Forces externes

Identifiez les forces de coupe, de pressage, de serrage ou autres forces de processus. La direction et le point où la force agit sont importants car ils déterminent à la fois la poussée de la vis à billes et les charges de moment de guidage linéaire.

Orientation de montage

Déterminez si l’axe est horizontal, vertical ou incliné. Sur un axe horizontal, la gravité est principalement supportée par les guides. Sur un axe vertical, la gravité devient également une charge axiale continue sur la vis à billes et le système d'entraînement.

Course et longueur d'installation

La course effective n'est pas la même que la longueur totale de la vis. De l'espace est également requis pour l'écrou à bille, les unités de support, l'usinage des extrémités d'arbre et la structure de la machine.

Vitesse et accélération

L'accélération crée une force d'inertie selon :

F = m × a

Un axe lourd peut générer une poussée importante même à vitesse modérée si l'accélération est forte.

Exigences de précision

Définissez la précision du positionnement, la répétabilité, le jeu ou le jeu axial admissible et la rigidité requise. Le niveau de précision des vis doit provenir des exigences de positionnement réelles de la machine plutôt que de simplement sélectionner le niveau disponible le plus élevé.

Cycle de service

Les heures de fonctionnement, les cycles par heure, la distance parcourue par cycle et la variation de charge influencent tous la durée de vie requise de la vis à billes et des guidages linéaires.

3. Dimensionnez les guides linéaires à partir des forces, des moments et de l'espacement des blocs

Le dimensionnement du guide linéaire ne doit pas être basé uniquement sur le poids total de la machine.

Par exemple, un assemblage mobile de 500 kg produit une force gravitationnelle d'environ :

500 × 9.81 = 4,905 N

Si l'axe utilise deux rails et quatre blocs, diviser 4 905 N de manière égale entre quatre blocs ne donne qu'une valeur statique idéalisée. Les vraies machines ont souvent un centre de gravité décalé ou des forces externes qui créent des moments.

La sélection du guide doit donc prendre en compte :

• espacement entre rails-à- ;
• bloquer-pour-bloquer l'espacement ;
• centre-de-hauteur de gravité ;
• position de charge longitudinale et latérale ;
• direction de la force externe ;
• moments de tangage, de lacet et de roulis.

L'augmentation de l'espacement entre les rails améliore généralement la résistance aux moments de roulement, tandis que l'augmentation de l'espacement longitudinal entre les blocs peut améliorer la résistance aux moments de tangage et de lacet.

Après avoir calculé la répartition de la charge, vérifiez la capacité de charge dynamique, la charge statique, les moments admissibles et la durée de vie requise du fabricant du guide.

4. Dimensionner la vis à billes en fonction de la poussée, de la durée de vie, du flambage et de la vitesse critique

Poussée axiale requise

Pour un axe horizontal, la poussée de vis requise peut être estimée à partir de la force d'accélération, de la force de processus externe et de la résistance mécanique.

F_total = F_{accélération} + F_processus + F_résistance

Pour un axe vertical, la gravité doit également être incluse. Une masse en mouvement vertical de 500 kg crée à elle seule environ 4 905 N de charge gravitationnelle avant que les forces d'accélération et de processus ne soient ajoutées.

Durée de vie de la vis à billes

La durée de vie des vis à billes dépend de la relation entre la charge dynamique de la vis et la charge de fonctionnement axiale équivalente. Le spectre de charge réel doit être pris en compte au lieu d'utiliser uniquement la force maximale.

Flambage

Les vis à billes longues soumises à une charge de compression doivent être vérifiées quant au flambage. Les facteurs importants incluent le diamètre de la racine de la vis, la longueur non supportée, la disposition du support et la force de compression.

Vitesse critique

Les vis rotatives longues doivent également rester en dessous de leur vitesse critique autorisée. Le régime de vis requis dépend de la vitesse linéaire et du pas de vis.

Un pas plus grand peut réduire la vitesse de rotation de la vis pour la même vitesse de déplacement linéaire, mais il modifie également le couple moteur, l'avantage mécanique et la résolution de positionnement. Le diamètre et l'avance doivent donc être choisis ensemble.

5. Précision, précharge et rigidité

La capacité de charge à elle seule ne détermine pas si la vis et les guides sont correctement adaptés. L'axe complet doit également fournir la précision et la rigidité requises.

Précision des vis à billes

Sélectionnez le degré de précision de la vis à billes en fonction de la course de l'axe, de la tolérance de positionnement, de la stratégie de contrôle et du budget total d'erreur de la machine.

Préchargement

La précharge des vis à billes peut réduire le jeu axial et augmenter la rigidité, tandis que la précharge du guide peut réduire le déplacement sous des charges changeantes. Cependant, une précharge excessive augmente la friction, la génération de chaleur et la sensibilité aux erreurs d'installation.

L’objectif n’est pas de spécifier partout une précharge maximale ou une précision maximale. La vis, les guides, les roulements de support, l'accouplement, les surfaces de montage et le châssis de la machine doivent être sélectionnés comme un seul système mécanique.

6. Vérifiez l’alignement vis-guide et la géométrie d’installation

Même des composants correctement dimensionnés peuvent avoir des performances médiocres si la vis et les guides sont installés avec un désalignement excessif.

Les facteurs d'installation importants comprennent :

• montage sur rail-rectitude de la surface ;
• parallélisme entre les rails de guidage ;
• alignement des vis à billes ;
• prendre en charge-l'alignement des roulements ;
• précision de montage des écrous à billes ;
• rigidité du chariot en mouvement.

Un mauvais alignement peut augmenter le couple d'entraînement, la chaleur et l'usure tout en réduisant la durée de vie et les performances de positionnement. Les systèmes préchargés imposent généralement des exigences plus élevées en matière de précision d'installation.

7. Exemple concret : un axe d'automatisation horizontal de 500 kg

Considérons un axe d'automatisation horizontal préliminaire avec les exigences suivantes :

Étape 1 : Calculer la force d'inertie

Pour une accélération de 1,0 m/s² :

F = 500 × 1.0 = 500 N

Il ne s'agit que de la force d'accélération. La force de processus et la résistance mécanique doivent encore être ajoutées.

Étape 2 : Calculer la charge de guidage

Le système de guidage supporte environ 4 905 N de poids statique. Cependant, les charges de blocs individuels ne peuvent pas être confirmées tant que l'espacement des rails, l'espacement des blocs et la position du centre de gravité-de-sont connus.

Étape 3 : Sélectionnez la disposition des guides

Calculez les forces et les moments agissant sur chaque bloc en utilisant la géométrie réelle de la machine, puis sélectionnez une série de guides et une configuration de bloc qui fournissent la capacité de charge, la capacité de moment, la rigidité et la durée de vie requises.

Étape 4 : Sélectionnez la vis à billes

Déterminez la poussée axiale requise, puis vérifiez le diamètre de la vis, le pas, la capacité de charge dynamique, la durée de vie prévue, la vitesse critique et le flambement, le cas échéant.

Cet exemple ne spécifie délibérément pas de taille de vis ou de guide fixe, car les données manquantes sur la géométrie et la force du processus-peuvent modifier considérablement la sélection finale.

8. Erreurs de correspondance courantes

Utilisation d'une vis fixe-pour-guider le tableau des tailles

Il n'existe pas de relation universelle-à-entre le diamètre de la vis à billes et la taille du guide linéaire.

Sélection des guides uniquement à partir du poids de la machine

Le décalage du centre-de-gravité et les moments externes peuvent créer des charges beaucoup plus élevées sur des blocs individuels que ne le suggère un simple calcul de poids.

Sélection d'une vis à billes uniquement à partir de la capacité de charge

Une vis peut avoir une capacité de charge axiale suffisante, mais ne pas répondre aux exigences critiques de l'application en matière de-vitesse de flambage, de pas ou de longueur d'installation-.

Ignorer l'accélération

L'accélération peut créer des charges de poussée et de moment importantes, en particulier sur les axes lourds et à -cycles élevés.

Utiliser la vis à billes comme guide

Les guides linéaires doivent contrôler la trajectoire de mouvement. La vis à billes doit principalement transmettre la force d'entraînement axiale.

Spécification d'une précharge excessive

Plus de précharge n’est pas toujours mieux. Une précharge excessive augmente la friction, la chaleur et la sensibilité aux erreurs de montage.

9. Liste de contrôle RFQ pour un système complet de vis à billes et de guidage linéaire

Pour une sélection préliminaire de vis à billes et de guidage linéaire, veuillez fournir :

• Masse en mouvement et force de processus externe
• Montage horizontal, vertical ou incliné
• AVC efficace
• Vitesse et accélération maximales
• Précision et répétabilité du positionnement
• Heures de fonctionnement quotidiennes et fréquence des cycles
• Longueur d'installation de vis à billes disponible
• Nombre de rails et de blocs
• Espacement des rails et espacement des blocs
• Position du centre-de-gravité, si disponible
• Environnement de travail
• Prototype et quantité de production

Un dessin de machine ou une disposition simple des axes est particulièrement utile lorsque la charge est décalée par rapport à la ligne centrale du guide.

Conclusion

Faire correspondre une vis à billes et un guide linéaire ne consiste pas à associer deux tailles de catalogue.

Les guides linéaires doivent être sélectionnés en fonction des forces, des moments, de la répartition des charges, de la géométrie et de la durée de vie requise. La vis à billes doit être sélectionnée en fonction des exigences de poussée axiale, de durée de vie, de diamètre, d'avance, de vitesse critique, de flambage et de positionnement.

La combinaison finale doit ensuite être vérifiée en tant que système complet en termes de rigidité, de précision, d'alignement et de conditions d'installation.

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