볼 스크류와 랙-및-피니언 시스템은 모두 모터 회전을 선형 운동으로 변환할 수 있지만 이동 길이, 속도 및 절삭력 증가에 따라 동일하게 동작하지는 않습니다. 볼스크류는 정확한 이송 동작, 낮은 마찰 및 제어된 백래시를 위해 일반적으로 선택됩니다. 랙{4}}및-피니언 드라이브는 높은 이동 속도가 요구되고 회전 나사를 제어하기 어려운 긴 CNC 라우터 축에 사용되는 경우가 많습니다.
두 전송 시스템 모두 기계 테이블을 자체적으로 운반하지 않습니다. 선형 가이드웨이는 이동하는 하중을 지지하고 이동 방향을 제어하는 반면, 볼 스크류 또는 랙-및-피니언 드라이브는 축을 이동시키는 추력을 제공합니다. 따라서 둘 중 하나를 선택하려면 나사와 랙만 비교하기보다는 전체 축을 평가해야 합니다.
많은 소형 및 중형 CNC 기계의 경우 적절하게 선택된 볼 스크류가 여전히 효과적인 솔루션입니다. 그러나 수 미터에 달하는 긴 갠트리 축의 경우 임계 속도, 나사 휩 및 지지대 배열을 통해 랙 및 피니언을 더욱 실용적으로 만들 수 있습니다. 올바른 선택은 스트로크, 빠른-이송 속도, 절단 정확도, 이동 질량, 설치 조건 및 유지 관리 능력에 따라 달라집니다.
두 개의 CNC 드라이브 시스템 작동 방식
기존의 볼 스크류 축에서는 모터가 커플링이나 벨트 전동 장치를 통해 스크류 샤프트를 회전시킵니다. 재순환 볼은 나사와 너트 궤도 사이를 굴러가며 너트와 부착된 기계 테이블이 선형으로 움직입니다. 롤링 접촉은 높은 기계적 효율성을 제공하고 시스템이 상대적으로 낮은 마찰로 상당한 축 추력을 전달할 수 있도록 합니다.
랙-및-피니언 축에서 랙은 기계 프레임을 따라 고정되고 모터는 랙 톱니와 맞물리는 피니언 기어를 회전시킵니다. 피니언과 모터는 일반적으로 움직이는 갠트리나 캐리지와 함께 이동합니다. 랙은 프레임을 따라 지속적으로 지지되기 때문에 시스템에는 고유 진동수로 휘핑할 수 있는 긴 회전 샤프트가 없습니다.
이러한 구조적 차이는 축이 길어질수록 더욱 중요해집니다. 볼 스크류는 주로 엔드 베어링을 통해 지지되며 해당 지지대 사이에서 처지거나 진동할 수 있습니다. 랙은 길이를 따라 장착되지만 정확도는 톱니 품질, 기어 맞물림, 조인트 정렬, 윤활 및 백래시-제어 방법에 따라 달라집니다.
볼 스크류와 랙 앤 피니언: 주요 차이점
| 선택 요소 | 볼나사 | 랙 앤 피니언 |
|---|---|---|
| 일반적인 강도 | 정확한 이송 동작, 높은 추력 및 제어된 백래시 | 스크류 휩 없이 긴 이동 거리와 높은 선형 속도 |
| 뇌졸중 | 일반적으로 단기 및 중거리 여행에 실용적입니다. 장거리 여행에는 세심한 속도 확인이 필요합니다 | 랙 섹션을 결합할 수 있으므로 긴 기계 축에 매우 적합합니다. |
| 속도 제한 | 스크류 임계 속도, 너트 속도 제한 및 지지 배열의 영향을 받음 | 긴 회전 나사의 임계 속도에 의해 제한되지 않음 |
| 백래시 | 예압 또는 적절한 너트 구조를 통해 감소 가능 | 톱니 품질, 피니언 맞물림 및 예압 메커니즘에 따라 다름 |
| 포지셔닝 정확도 | 정의된 리드-정확도 등급에서 사용 가능 | 랙 피치 정확도, 랙 조인트, 기어 품질 및 피드백 제어에 따라 다름 |
| 오염 | 레이스웨이와 볼 순환은 칩과 먼지로부터 보호되어야 합니다. | 노출된 치아는 특히 연마성 먼지 주변을 청소하고 윤활해야 합니다. |
| 유지 | 윤활, 씰, 정렬, 지지 베어링 및 너트 상태 | 톱니 윤활, 기어 맞물림, 랙 조인트, 마모 및 백래시 조정 |
| 일반적인 애플리케이션 | CNC 피드 축, Z 축, 머시닝 센터 및 정밀 자동화 | 대형 CNC 라우터, 플라즈마 기계 및 긴 갠트리 시스템 |
볼나사에 이동 길이가 중요한 이유
볼스크류는 직경과 리드만으로는 선택할 수 없습니다. 베어링 사이의 비지지 거리가 증가함에 따라 임계 회전 속도는 급격히 감소합니다. 임계 속도 근처에서는 샤프트가 흔들리기 시작하여 진동, 소음, 베어링 하중, 불안정한 위치 지정 및 너트 순환 시스템 손상이 발생할 수 있습니다.
일반적으로 사용되는 예비 측정 관계는 다음과 같습니다.
ncr = K × dr × 107 ÷ L2
여기서 ncr는 추정된 임계 속도(rpm, d)입니다.r는 나사 루트 직경(밀리미터), L은 베어링 지지부 사이의 지지되지 않는 길이(밀리미터), K는 최종{0}}지지 계수입니다.
정확한 계수와 안전 한계는 선택한 제조업체의 계산 방법에서 가져와야 합니다. 대표적인 예비 요소는 고정-무료의 경우 약 3.9, 지원-지원의 경우 12.1, 고정-지원의 경우 18.7, 고정-고정 배열의 경우 27.2입니다. 이러한 요소는 볼 스크류 제조업체의 최종 검증을 대체할 수 없습니다.
중요한 관계는 제곱 길이 항입니다. 직경과 지지 배열이 변하지 않고 지지되지 않는 길이가 증가하면 임계 속도는 1/L²에 비례하여 감소합니다. 이동 거리를 1미터에서 2미터로 늘리는 것은 단지 허용 속도를 절반으로 줄이는 것이 아닙니다. 예상 임계 속도는 약 1-/4로 떨어집니다.
이 제한 사항에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하세요.볼 스크류 임계 속도를 피하는 방법.
장거리-이동 계산 예
다음과 같은 가정 값으로 볼 스크류를 사용하는 예비 CNC 축을 고려하십시오.
- 뿌리 직경: 25mm
- 리드: 10mm/회전
- 지원 종료: 수정됨-지원됨
- 예비 계산에 사용된 지원 요소: 18.7
예 A: 2,000mm 비지지 길이
ncr = 18.7 × 25 × 107 ÷ 2,000²
ncr≒ 1,169rpm
이론적인 선형 속도=1,169 × 10 ≒ 11.69 m/min
기계는 일반적으로 계산된 임계 속도에서 지속적으로 작동해서는 안 됩니다. 80%의 예비 안전 한계를 사용하는 경우 스크류 속도는 약 935rpm이 되고 해당 선형 속도는 약 9.35m/min이 됩니다.
예 B: 3,000mm 비지지 길이
ncr = 18.7 × 25 × 107 ÷ 3,000²
ncr≒ 519rpm
이론적인 선형 속도=519 × 10 ≒ 5.19 m/min
이 예비 값의 80%에서 해당 선형 속도는 약 4.15m/min에 불과합니다. 이 예는 2-미터 축에 적합한 나사가 지원되지 않는 길이가 3미터로 늘어난 후에 필요한 급 이송 속도를 충족하지 못할 수 있는 이유를 보여줍니다.
이는 보편적인 2-미터 또는 3-미터 구분선을 설정하지 않습니다. 더 큰 루트 직경, 더 높은 리드, 고정 고정 지지대, 회전 너트 설계 또는 중간 지지 전략으로 인해 결과가 바뀔 수 있습니다. 최종 선택에서는 DN 값, 너트 속도, 축 하중, 좌굴, 가속 토크, 열팽창 및 지지력도 확인해야 합니다.
볼 스크류의 장점
CNC 축에 제어된 피드, 높은 추력 및 짧은 또는 중간 스트로크에 대한 안정적인 반전 정확도가 필요한 경우 볼 스크류가 더 강력한 선택인 경우가 많습니다. 스크류 리드는 정확도 등급에 따라 제조되므로 기계 설계자는 명령된 회전을 예상되는 선형 이동과 연관시킬 수 있습니다.
예압된 볼 너트 구조는 운동 방향이 바뀔 때 축방향 틈새를 줄이고 강성을 향상시킬 수 있습니다. 이는 백래시가 구멍 위치, 윤곽 정확도 및 표면 조도에 영향을 미칠 수 있는 가공 축에 특히 유용합니다. 롤링-접점 설계는 또한 높은 전달 효율을 제공하므로 모터는 상대적으로 낮은 마찰로 토크를 축력으로 변환할 수 있습니다.
볼스크류는 일반적으로 스트로크가 메인 갠트리 이동보다 짧고 축에 정확한 깊이 제어가 필요하기 때문에 CNC Z축에 자주 사용됩니다. 수직 볼 스크류 축에는 적절한 모터 브레이크, 평형추 또는 기타 안전 조치가 포함되어야 합니다. 볼 스크류가 자체 잠금 기능을 한다고 가정해서는 안 되기 때문입니다.-
볼 스크류는 긴 이동 거리보다 추력과 위치 안정성이 더 중요한 소형 X 및 Y 축, 금속 절단 이송 시스템, 드릴링 머신, 정밀 위치 지정 테이블 및 자동화 장비에도 선호될 수 있습니다.
랙 앤 피니언의 장점
랙-및-피니언 시스템은 기계에 장축이 있고 매우 빠른-이동 속도를 유지해야 할 때 매력적입니다. 랙은 기계 프레임에 지속적으로 고정되어 있으므로 길이를 늘려도 기존 볼 스크류에서 발견되는 회전-샤프트 임계-속도 문제가 발생하지 않습니다.
매우 긴 회전 나사 하나를 제조 및 운반하지 않고도 랙 섹션을 결합하여 긴 이동 거리를 만들 수도 있습니다. 이는 이동 거리가 수 미터에 달하는 대형 목공 라우터, 패널{1}}가공 기계, 플라즈마 테이블 및 기타 갠트리 장비에 유용합니다.
그러나 랙 앤 피니언이 자동으로 부정확한 것으로 설명되어서는 안 됩니다. 적절하게 제조 및 설치된 정밀 랙 시스템은 우수한 포지셔닝 성능을 제공할 수 있습니다. 그 결과는 랙 피치 정확도, 피니언 품질, 톱니 맞물림, 예압 또는 분할{2}}피니언 배열, 감속기 백래시, 랙-조인트 정렬 및 피드백 제어에 따라 달라집니다.
반대로, 품질이 낮거나-잘못 설치된 랙에서는 백래시가 고르지 않고 축을 따라 위치 변동이 발생할 수 있습니다. 기계 설계자는 단순히 모든 랙 시스템이 길고 정확한 이동에 적합하다고 가정하는 것이 아니라 전체 드라이브를 평가해야 합니다.
정확성, 반복성 및 백래시는 동일하지 않습니다.
정확도는 실제 축 위치가 명령된 위치와 얼마나 가깝게 일치하는지를 나타냅니다. 반복성은 동일한 조건에서 축이 동일한 위치로 얼마나 일관되게 복귀하는지를 나타냅니다. 백래시는 드라이브 방향이 바뀔 때 나타날 수 있는 손실 동작입니다.
볼 스크류는 리드 정확도가 높지만 너트에 여유 공간이 있거나 지지 베어링에 축방향 유격이 있거나 커플링이 느슨한 경우 역전 오류가 계속 나타납니다. 랙-및-피니언 시스템은 위치를 일관되게 반복할 수 있지만 여전히 전체 이동에 걸쳐 체계적인 피치 오류를 포함합니다.
최종 CNC 정확도는 다음의 영향도 받습니다.
- 선형 가이드 정렬 및 장착-표면 정확도
- 기계-프레임 강성
- 모터 및 엔코더 분해능
- 기어박스 또는 커플링 백래시
- 열팽창
- 갠트리 직각도
- 컨트롤러 보상 및 튜닝
- 절삭력-변형
이러한 이유로 랙 앤 피니언에서 볼 스크류로 변경하면 약한 프레임이나 잘못 정렬된 가이드웨이를 자동으로 수정할 수 없습니다. 전송 시스템은 전체 정확도 체인의 한 부분일 뿐입니다.
하중과 강성: 각 드라이브가 실제로 운반하는 것
선형 가이드웨이는 갠트리, 스핀들, 캐리지 또는 테이블의 무게를 지탱해야 합니다. 볼 스크류 너트는 기본적으로 지속적인 반경 방향 또는 전복 하중이 아닌 스크류 축을 따라 축 추력을 전달하도록 설계되었습니다. 나사, 너트 하우징 및 선형 가이드 사이의 정렬 불량으로 인해 측면 하중이 발생하고 서비스 수명이 단축될 수 있습니다.
랙-및-피니언 드라이브에도 별도의 가이드 시스템이 필요합니다. 피니언은 랙 톱니를 통해 힘을 공급하고 가이드 레일은 움직이는 갠트리의 위치와 방향을 제어합니다. 잘못된 랙 높이 또는 피니언 맞물림으로 인해 톱니 하중이 고르지 않게 될 수 있지만 랙을 선형 가이드 시스템 대신 사용해서는 안 됩니다.
구동능력을 평가할 때에는 가속도, 절삭저항, 마찰, 중력, 외력 등을 고려하여 필요한 추력을 확인합니다. 볼 스크류의 경우 기둥 좌굴에 대해 압축 하중도 확인해야 합니다. 따라서 기계가 무거워서 큰 직경을 선택하기보다는 하중, 길이 및 속도를 함께 고려하여 나사 직경을 선택해야 합니다. DLY 가이드를 참조하세요.올바른 볼 스크류 직경을 선택하는 방법.
유지보수 및 작업 환경
CNC 라우터는 나무 먼지, 복합 입자, 알루미늄 칩 또는 마모성 잔해를 생성할 수 있습니다. 볼 스크류 궤도는 오염물이 너트에 유입되어 볼 순환을 방해하고 궤도 마모를 가속화할 수 있으므로 효과적인 보호가 필요합니다. 기계 환경에 따라 벨로우즈, 커버, 씰, 와이퍼 및 정기적인 윤활이 필요할 수 있습니다.
랙 톱니는 더 많이 노출되어 검사하기가 더 쉬울 수 있지만 유지 관리가 필요하지 않습니다-. 그리스와 먼지가 혼합되면 연마 페이스트가 형성될 수 있습니다. 톱니 표면, 피니언 맞물림, 랙 조인트 및 백래시{3}}조정 메커니즘을 정기적으로 점검해야 합니다.
따라서 더 나은 선택은 기계를 보호하고 유지 관리하는 방법에 따라 달라집니다. 이론적으로 정확한 드라이브라도 실제 작업 환경을 무시하면 성능을 유지하지 못할 수 있습니다.
하나의 CNC 라우터가 두 시스템을 모두 사용할 수 있습니까?
예. 기계는 모든 축에서 동일한 드라이브 유형을 사용할 필요가 없습니다. 대형 CNC 라우터는 긴 X축과 Y축에 랙과 피니언을 사용하고 짧은 Z축에는 볼 스크류를 사용할 수 있습니다. 이 배열은 고속-장거리 이동과 정확한 수직 깊이 제어를 결합합니다.
일부 기계는 평행한 갠트리 측면에서도 다른 사양을 사용합니다. 두 개의 모터가 하나의 갠트리를 구동하는 경우 컨트롤러는 랙킹을 방지하기 위해 양쪽을 동기화해야 합니다. 기계적 정렬, 원점 복귀 센서 및 갠트리{2}}스퀘어링 절차는 선택한 드라이브에 관계없이 여전히 필수적입니다.
CNC 적용에 따른 실용적인 선택
| 애플리케이션 | 가능성 있는 출발점 | 이유 |
|---|---|---|
| 소형 데스크탑 CNC | 볼스크류 | 짧은 스트로크, 컴팩트한 설치 및 제어된 피드 |
| 중간 CNC 밀링 축 | 볼스크류 | 높은 추력, 강성 및 반전 정확도가 중요합니다. |
| 대형 목공 라우터 | 긴 X/Y축의 랙 앤 피니언 평가 | 긴 이동 및 빠른 이동은 실제 나사{0}}속도 범위를 초과할 수 있습니다. |
| 플라즈마 절단 테이블 | 랙 앤 피니언이 종종 고려됩니다. | 긴 이동 거리와 고속 속도는 높은 이송 추력보다 더 중요할 수 있습니다. |
| 짧은 CNC Z축 | 브레이크 또는 안전 장치가 있는 볼 스크류 | 정확한 깊이 이동과 소형의 높은{0}}추력 드라이브 |
| 빠르고 빠른 속도가 필요한 3-미터 갠트리 | 랙 앤 피니언 또는 특별히 설계된 나사 배열 | 기존의 회전 볼 스크류에는 신중하고 중요한{0}}속도 검증이 필요합니다. |
이는 고정된 규칙이 아닌 시작점입니다. 계산된 축 요구 사항과 검증된 구성 요소 데이터를 바탕으로 최종 결정을 내려야 합니다.
드라이브 선택 전 필수 정보
볼 스크류나 랙-및-피니언 시스템을 선택하기 전에 다음 정보를 준비하세요.
- 총 축 이동 거리 및 지지대 간 거리
- 필요한 빠른 속도 및 일반 절단-이송 속도
- 최대 가속 및 감속
- 이동질량, 절삭력 및 설치방향
- 필요한 위치 정확도 및 반복성
- 허용 가능한 백래시 또는 반전 오류
- 모터 정격 속도, 피크 토크 및 엔코더 사양
- 예상 듀티 사이클
- 먼지, 칩, 냉각수 및 작동 온도
- 사용 가능한 설치 공간 및 유지 보수 액세스
볼 스크류를 고려하는 경우 스크류 직경, 루트 직경, 리드, 정도 등급, 지지 배열, 엔드 가공, 너트 유형 및 필요한 레일 길이도 확인하십시오. DLY는 표준 및 사용자 정의를 평가할 수 있습니다.볼 스크류 어셈블리이러한 조건에 따라.
최종 선발
볼 스크류는 일반적으로 높은 추력, 제어된 백래시 및 정확한 피드 모션이 필요한 짧은 또는 중간 CNC 축에 대한 강력한 선택입니다. 랙 앤 피니언은 축이 매우 길 때 매력적이며 긴 회전 나사의 중요한-속도 제한 없이 높은 이동 속도를 달성해야 합니다.
한 시스템이 보편적으로 더 정확하거나 내구성이 더 뛰어나다는 믿음을 바탕으로 결정을 내리면 안 됩니다. 잘 설계된-랙-및-피니언 축은 작은 크기의 긴 볼 스크류보다 성능이 뛰어날 수 있으며, 적절하게 지지되고 사전 로드된 볼 스크류는 잘못 설치된 랙 시스템보다 더 나은 피드 제어를 제공할 수 있습니다.
CNC 라우터 설계의 경우 모든 축을 개별적으로 평가하십시오. 긴 X축과 Y축은 랙과 피니언을 정당화할 수 있는 반면, 더 짧은 Z축은 여전히 볼 나사의 이점을 누릴 수 있습니다. 볼 스크류를 선택한 경우 설계를 마무리하기 전에 임계 속도, 좌굴 하중, 리드, 모터 토크, 지지 베어링, 정렬 및 환경 보호를 확인하십시오.
CNC 볼 스크류 점검에 도움이 필요하십니까?
CNC 축 이동, 이동 하중, 필요한 속도, 정확도, 설치 방향 및 모터 사양을 DLY로 보내십시오. 볼스크류 직경, 리드, 정확도 등급, 지지 배열 및 최종 가공 요구사항을 확인하는 데 도움을 드릴 수 있습니다-.
