ШВП и линейные двигатели

Конструктивно ШВП представляет собой винт определенной длины с нарезанной резьбой, профиль которой повторяет профиль тела качения, и гайку с ответной резьбой. Между винтом и гайкой находятся тела качения в виде шариков. 

Такая конструкция обеспечивает минимальный люфт и максимальную жесткость. В станкостроении ШВП пришла на смену обычным винтовым передачам. Хотя сегодня всё ещё встречаются станки с таким видом линейной передачи, но, как правило, они не имеют программного управления. Это связанно с одним из недостатков ШВП — обратной передачей. Из-за угла подъема резьбы гайка не блокируется, а преобразует поступательное движение в крутящий момент.

Главное преимущество ШВП — практически полное отсутствие скольжения, что значительно повышает КПД такой передачи. У наиболее распространенных ШВП КПД составляет 90%, для сравнения КПД винта с обычной трапецеидальной резьбой составляет в среднем 50%. Также отсутствие скольжения положительно влияет на износ ШВП. Такой механизм будет служить значительно дольше, чем обычные винтовые передачи. 

Точность ШВП в первую очередь зависит от способа производства. Различают две основные технологии производства: шлифовка и накатка. Самые точные ШВП возможно получить только шлифовкой. Погрешность шага такого изделия может достигать от 1 до 3 микрон на 300 мм длины. 

Шарико-винтовая передача в станках с ЧПУ

В станках с ЧПУ ШВП влияет на следующие параметры:

• точность позиционирования;

• точность повторяемости;

• скорость перемещения;

• плавность хода.

Точность позиционирования — это обобщенная величина, которая показывает, в каких пределах может находиться реальная ось станка после завершения позиционирования. Метод измерения точности позиционирования является статистическим по результатам многократных повторных испытаний. Для выявления этого параметра станка необходимо произвести ряд измерений. 

Точность повторяемости. Если отправлять ось в одну и ту же точку из разных положений, то каждый раз будет получаться немного разный результат из-за механических погрешностей — ось будет останавливаться на каком-то расстоянии от требуемой точки. Повторяемость показывает, насколько велик разброс этого расстояния, а если точнее, повторяемость прямо пропорциональна среднеквадратичному отклонению ошибки позиционирования.  Одним словом, повторяемость характеризует величину «разброса» ошибки позиционирования относительно некоторого среднего значения.

Скорость перемещения. Помимо ШВП на данный параметр так же влияет двигатель, который придает ШВП крутящий момент. 

Скорость перемещения — это отношение расстояния, которое преодолевают подвижные органы станка к единице времени. В характеристиках станка часто можно найти два параметра, связанных со скоростью перемещения. Первый — это ускоренный ход по осям: данный параметр указывает максимальную скорость, которую развивают органы станка не при обработке материала. Второй тип — это рабочий ход по осям: этот параметр указывает максимальную скорость во время обработки материала. Иногда эти два параметра совпадают по значениям, но чаще всего производители станков ограничивают скорость рабочих подач, так как именно на этих подачах происходит максимально точное позиционирование органов станка. Если скорость будет слишком большая, то двигатель не сможет компенсировать силу инерции, что приведет к неточному позиционированию.

Плавность хода. На этот параметр также влияет тип направляющих станка и настройка сервоприводов. Плавность хода подвижных органов станка характеризуется равномерностью движения и реверсированием без толчков, заклиниваний и заеданий. На плавность трогания с места и плавность хода влияют величина и разность коэффициентов трения покоя и движения, а следовательно, сочетание материалов, шероховатость обработки и смазка трущихся поверхностей.

Преимущества и недостатки шарико-винтовой передачи

Подводя итог, ШВП имеет ряд недостатков и достоинств. Первый недостаток это сложность изготовления и, как следствие, высокая стоимость изделия. Ограничения по длине — слишком длинный вал не сможет вращаться без вибраций, если не обеспечить ему поддержку. Некоторые производители устанавливают дополнительную опору для очень длинных ШВП, но это неминуемо приводит к снижению скорости перемещения. 

Из достоинств стоит отметить: 

• высокую точность при позиционировании;

• практически полное отсутствие сил трения; 

• высокий КПД по сравнению с обычными винтовыми передачами;

• большой срок службы;

• бесшумность и плавность хода. 

Эти достоинства нивелировали все недостатки ШВП, и долгое время альтернативы не было. Но не так давно на рынке появились станки с линейными двигателями, которые на данный момент набирают популярность среди производителей.

Линейные двигатели

Лине́йный дви́гатель — электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую магнитное поле, а другой взаимодействует с ним и выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя. 

Сейчас разработано множество разновидностей (типов) линейных электродвигателей, например:

• линейные асинхронные электродвигатели (ЛАД);

• линейные синхронные электродвигатели;

• линейные электромагнитные двигатели;

• линейные магнитоэлектрические двигатели;

• линейные магнитострикционные двигатели;

• линейные пьезоэлектрические (электрострикционные) двигатели и другие.

Основным преимуществом линейных двигателей перед ШВП является отсутствие необходимости преобразования вращательных движений в поступательные. Это значит, что для обеспечения перемещений станка не требуется устанавливать на него электродвигатель и ШВП — достаточно просто установить линейный двигатель. Таким образом из конструкции исключен элемент, требующий обслуживания и своевременной замены. Также линейные двигатели являются более точными по сравнению с ШВП. Так как ШВП является механическим узлом, то в нем неизбежно существуют зазоры, которые вызывают люфт.