볼 스크류 강성은 축 방향 하중을 받는 위치 정확도, 가공 안정성 및 선형 모션 시스템의 반응에 영향을 미칩니다. 그러나 조립된 축에서 측정된 값은 볼 너트만으로는 결정되지 않습니다. 나사 샤프트, 지지 베어링, 베어링 하우징, 너트 브래킷 및 테스트 장치는 모두 측정된 변위에 영향을 줄 수 있습니다.
이러한 이유로 볼 스크류 축 강성을 측정하려면 힘을 가하고 단일 변위 값을 기록하는 것 이상이 필요합니다. 하중 방향, 예압, 장착 조건, 온도 및 테스트 장비의 변형도 제어되어야 합니다.
볼나사 축강성이란?
축 강성은 축 하중 하에서 탄성 변위에 대한 볼 스크류 어셈블리의 저항을 나타냅니다. 지정된 하중 범위 내에서는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
k = ΔF / Δδ
어디케이축 강성,ΔF는 축방향 하중의 변화이고,Δδ축 변위의 해당 변화입니다.
볼스크류 강성은 일반적으로 N/μm 또는 N/mm로 표시됩니다. 값이 높을수록 동일한 축 하중 하에서 탄성 변위가 덜 발생함을 의미합니다.
볼-홈 접촉의 하중-변위 관계는 완벽하게 선형이 아닙니다. 따라서 강성은 일반적으로 하나의 보편적인 값이 아닌 정의된 하중 범위에 대해 보고되어야 합니다. 테스트 목적에 따라 엔지니어는 다음 중 하나를 사용할 수 있습니다.
- 시컨트 강성:지정된 간격에 걸쳐 하중 변화를 전체 변위 변화로 나눈 것입니다.
- 접선 강성:특정 작동 하중에서 하중-변위 곡선의 국지적 기울기.
측정된 강성에 영향을 미치는 구성 요소
전체 볼 스크류 축을 테스트할 때 측정된 결과는 여러 구성 요소의 결합된 강성을 나타냅니다.
- 볼 스크류 너트와 볼-레이스웨이 접점
- 나사축의 축방향 확장 또는 압축
- 고정측 및 지지측 베어링 배열
- 너트 하우징 및 장착 브래킷
- 베어링 하우징 및 기계 구조
- 테스트 픽스처, 로드셀 및 센서 장착 배열
이러한 요소는 직렬로 연결된 스프링처럼 동작합니다. 결합된 축 강성은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
1 / 케이총= 1 / k너트+ 1 / 케이샤프트+ 1 / 케이베어링+ 1 / k까치발+ …
이는 조립된 축이 볼 너트 단독에 대해 나열된 이론적 강성 값보다 실질적으로 낮은 강성을 가질 수 있는 이유를 설명합니다.
정적 부하 테스트
정적 축 하중은 볼 스크류 강성을 측정하는 가장 직접적인 방법입니다. 볼 스크류는 테스트 장치나 실제 기계 배열에 장착되며 결과 변위가 기록되는 동안 제어된 축 방향 힘이 가해집니다.
필요한 장비
- 견고한 테스트 프레임
- 유압식, 공압식, 나사 구동식 또는 전기 기계식 로딩 장치
- 교정된 로드 셀
- LVDT, 레이저 변위 센서 또는 고해상도 다이얼 표시기
- 열 효과가 결과에 영향을 미칠 수 있는 온도 센서
권장 테스트 절차
- 원하는 지지대 배열에 볼 스크류를 장착합니다.고정-고정, 고정-지지 또는 고정-자유 장착을 사용하는지 기록합니다.
- 로딩 축을 정렬합니다.굽힘이 변위 판독값에 포함되는 것을 방지하려면 적용된 힘이 나사 축과 동심이어야 합니다.
- 측정 인터페이스에 가까운 변위 센서를 설치합니다.불필요한 고정 장치 구성 요소를 측정하면 결과에 변형이 추가됩니다.
- 작은 좌석 하중을 적용하십시오.이는 접점을 고정하는 데 도움이 되며 불완전한 장착 또는 장착 간격으로 인해 발생하는 오류를 줄여줍니다.
- 제어된 증분으로 어셈블리를 로드합니다.지정된 작동 하중이나 허용 축 하중을 초과하지 않고 각 단계의 힘과 변위를 기록합니다.
- 동일한 증분으로 어셈블리를 언로드합니다.로딩 및 언로딩 곡선을 비교하면 백래시, 히스테리시스, 마찰 또는 설비의 움직임을 확인할 수 있습니다.
- 반대 축 방향으로 테스트를 반복합니다.예압과 축방향 클리어런스를 평가하려면 양방향 결과가 중요합니다.
- 관련 하중 범위에 대한 강성을 계산합니다.선택한 범위는 기계의 실제 작업 부하와 일치해야 합니다.
하중-변위 곡선을 해석하는 방법
예압이 적용된 볼 스크류는 일반적으로 하중 반전 지점 근처에서 상대적으로 작은 변위를 갖는 부드러운 하중-변위 곡선을 생성해야 합니다. 무부하 주변의 눈에 띄는 데드존은 축방향 틈새, 느슨한 장착 부품 또는 너트와 브래킷 사이의 움직임을 나타낼 수 있습니다.
로딩 및 언로딩 곡선이 동일한 경로를 따르지 않는 경우 차이점은 히스테리시스입니다. 가능한 원인으로는 씰 마찰, 윤활제 저항, 약간의 정렬 불량, 접점 고정 또는 장착 구조 내 변형 등이 있습니다.
강성은 하중에 따라 변하기 때문에 시험 보고서에는 가능할 때마다 완전한 하중-변위 곡선이 포함되어야 합니다. 최소한 다음과 같이 명시되어야 합니다.
측정된 강성과 단위
계산에 사용된 하중 범위
로딩 방향
볼 스크류 모델 및 예압 조건
나사 길이와 너트 위치
지지 베어링 배열
시험 온도 및 윤활 조건
볼스크류 강성과 고정구 변형 분리
일반적인 측정 오류는 테스트 프레임의 전체 움직임을 볼 나사의 변형으로 간주하는 것입니다. 단단해 보이는 고정 장치라도 큰 축 하중이 가해지면 휘어질 수 있습니다.
고정 장치의 적합성은 교정을 통해 또는 훨씬 더 높은 강성을 갖는 참조 구성 요소를 테스트하여 확인할 수 있습니다. 그런 다음 각 하중의 고정 변위를 총 측정 변위에서 뺄 수 있습니다.
δ볼 스크류= δ정확히 잰- δ고정물
조립된 기계 축의 경우 센서를 다양한 인터페이스에 배치하여 변위가 발생하는 위치를 식별할 수도 있습니다. 예를 들어, 나사 샤프트와 너트 하우징 사이의 측정은 너트 어셈블리에 보다 밀접하게 초점을 맞추는 반면, 기계 베이스에 대한 테이블 이동 측정에는 전체 피드 구조가 포함됩니다.
동적 강성 테스트
정적 테스트는 천천히 적용되는 하중 하에서 변형을 평가합니다. 동적 테스트는 진동, 공진 및 서보 응답이 중요한 경우에 사용됩니다. 힘, 가속도 또는 변위를 측정하는 동안 충격 해머, 셰이커 또는 제어된 모터 입력을 사용하여 어셈블리를 자극할 수 있습니다.
모달 해석은 고유 진동수, 감쇠 및 모드 형상을 식별할 수 있습니다. 그러나 유효 이동 질량과 경계 조건도 알려져 있지 않으면 고유 진동수만으로는 볼 스크류의 강성을 제공할 수 없습니다. 단순화된 단일 자유도 시스템의 경우:
k = m(2πfN)²
여기,중유효 질량이고에프N자연 주파수입니다. 실제 볼 스크류 이송 시스템에는 일반적으로 여러 가지 진동 모드가 있으므로 적절한 시스템 모델을 사용하여 동적 결과를 해석해야 합니다.
분석적 추정
볼 스크류 강성은 물리적 테스트 전에 추정할 수도 있습니다. 계산에는 볼과 궤도 사이의 헤르츠 접촉 변형, 나사 샤프트의 축 변형, 지지 베어링 강성 및 장착 구조의 변형이 포함될 수 있습니다.
유한 요소 분석은 복잡한 하우징과 브래킷을 평가하는 데 유용할 수 있지만 정확도는 실제 접촉 조건, 재료 특성, 예압 및 경계 조건에 따라 달라집니다. 따라서 위치 정확도가 중요한 경우 분석 값을 테스트 데이터와 비교하여 검증해야 합니다.
테스트 중에 제어해야 하는 요소
예압 및 축방향 클리어런스
예압은 볼과 궤도 사이의 접촉을 유지함으로써 축방향 틈새를 줄이고 너트 강성을 증가시킵니다. 그러나 과도한 예압은 마찰, 발열 및 내부 부하를 증가시켜 수명을 단축시킬 수 있습니다. 테스트 중에 사용되는 예압 조건은 의도된 작동 조건과 일치해야 합니다.
나사 길이 및 너트 위치
나사축은 축방향 하중을 받으면 늘어나거나 압축됩니다. 전체 변위에 대한 기여도는 유효 샤프트 길이에 따라 증가하고 루트 직경이 증가함에 따라 감소합니다. 결과적으로 나사 한쪽 끝 근처의 너트로 측정한 강성은 다른 위치에서 측정한 강성과 다를 수 있습니다.
지지 베어링
지지 베어링의 유형, 배열 및 예압은 시스템 강성에 직접적인 영향을 미칩니다. 고정-고정 배열은 일반적으로 고정-지지 또는 고정-자유 장착과 다르게 동작합니다. 베어링 하우징 강성과 샤프트 끝단 맞춤도 고려해야 합니다.
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온도
온도 변화로 인해 예압, 나사 길이 및 베어링 맞춤이 변경될 수 있습니다. 테스트하기 전에 조립 및 측정 장비가 안정적인 온도에 도달하도록 하십시오. 서로 다른 시간에 측정한 값을 비교할 때도 온도를 기록해야 합니다.
매끄럽게 하기
윤활은 강철 부품의 기본 탄성 강성보다 마찰, 온도 및 히스테리시스에 더 큰 직접적인 영향을 미칩니다. 반복 가능한 결과를 얻으려면 지정된 윤활제를 사용하고 테스트 간에 윤활제 유형, 양 및 분포를 일관되게 유지하십시오.
결론
볼 스크류 축 강성을 측정하는 가장 실용적인 방법은 제어된 축 하중을 적용하고 해당 변위를 양방향으로 기록하는 것입니다. 정확한 결과를 얻으려면 신중한 정렬, 보정된 하중 및 변위 센서, 명확하게 정의된 하중 범위 및 고정 장치 변형에 대한 보상이 필요합니다.
전체 피드 축을 측정하면 결과는 볼 너트, 스크류 샤프트, 지지 베어링, 브래킷 및 기계 구조의 결합된 강성을 나타냅니다. 측정된 강성이 예상보다 낮은 경우 이러한 구성요소를 별도로 평가해야 합니다.
볼 스크류 선택, 예압 옵션 또는 샤프트 끝단 가공 요구 사항에 대해서는 DLY를 참조하세요.볼 스크류 범위또는 나사 직경, 리드, 스트로크, 하중 및 장착 배열을 보내주십시오.
