Waarom trilt een kogelomloopspindel op hoge snelheid op CNC-machines?

Invoering

Hoge-trillingen van kogelomloopspindels zijn een veelvoorkomend probleem bij CNC-machines. In sommige situaties verhoogt de trilling alleen maar het bedrijfsgeluid. In ernstiger gevallen beïnvloedt dit de nauwkeurigheid van de bewerking, verkort het de levensduur van lagers, beschadigt het ondersteunende eenheden en veroorzaakt het zelfs servo-alarmen.

Veel gebruikers gaan ervan uit dat de trillingen rechtstreeks van de kogelomloopspindel zelf komen. Trillingen zijn echter meestal het resultaat van meerdere factoren die samenwerken, waaronder rotatiesnelheid, stijfheid, installatiekwaliteit, voorspanning, smering en machinestructuur.

Om te begrijpen waarom een ​​kogelomloopspindel op hoge snelheid trilt, moeten we eerst de belangrijkste mechanische beperking van een roterend schroefsysteem begrijpen: de kritische snelheid.

1. Kritieke snelheid

Elke roterende as heeft zijn eigen natuurlijke frequentie. Wanneer de rotatiesnelheid deze frequentie nadert, treedt er resonantie op en begint de as aanzienlijk te trillen.

Dit fenomeen wordt kritische snelheid genoemd.

Bij kogelomloopspindelsystemen geldt: hoe langer de schroefas is, hoe gemakkelijker deze de kritische snelheid bereikt bij werking op hoge- snelheden.

Typische symptomen zijn onder meer:

• Zichtbaar trillen van de schroef
• Toenemende trillingen bij hogere toerentallen
• Luid bedrijfsgeluid
• Verminderde positioneringsstabiliteit

De ondersteuningsmethode heeft rechtstreeks invloed op de kritische snelheid.

Zelfs als de schroef onder de theoretische kritische snelheid draait, kunnen er nog steeds trillingen optreden als de installatienauwkeurigheid slecht is.

2. Installatie-uitlijning

Een slechte uitlijning van de installatie is een andere belangrijke bron van trillingen.

Als de motoras, koppeling, steuneenheid en kogelomloopspindel niet correct zijn uitgelijnd, ondervindt het roterende systeem tijdens bedrijf een voortdurende radiale kracht.

Bij lage snelheid is het probleem mogelijk niet duidelijk. Bij hoge snelheid worden echter zelfs kleine uitlijningsfouten versterkt.

Veel voorkomende installatieproblemen zijn onder meer:

• Niet goed uitgelijnde steunblokken
• Oneffen montageoppervlakken
• Gebogen machineconstructies
• Verkeerde montage van de koppeling
• Te-te strak aangedraaide steunlagers

Deze problemen creëren een cyclische kracht tijdens de rotatie, die zich uiteindelijk in trillingen ontwikkelt.

Installatienauwkeurigheid alleen is echter niet voldoende. De stijfheid van de kogelomloopspindel zelf speelt ook een belangrijke rol.

3. Stijfheid van de kogelomloopspindel

De stijfheid van de kogelomloopspindel hangt voornamelijk af van de asdiameter en de niet-ondersteunde lengte.

Een schroef met een kleine-diameter buigt gemakkelijker onder belasting en acceleratie.

Bijvoorbeeld:

• Een 1204 kogelomloopspindel is geschikt voor kleine machines
• Een 2505 of 3210 kogelomloopspindel heeft een veel hogere stijfheid

Wanneer de stijfheid onvoldoende is, wordt de asdoorbuiging groter tijdens bewegingen met hoge- snelheid, waardoor de trillingen heviger worden.

Vooral CNC-machines met lange reizen zijn gevoelig voor dit probleem.

Naast de schroefas zelf kan nog een ander belangrijk onderdeel trillingen rechtstreeks op het transmissiesysteem overbrengen: de koppeling.

4. Koppelingsproblemen

De koppeling verbindt de servomotor en de kogelomloopspindel.

Als de koppelingskwaliteit slecht is of verkeerd is geïnstalleerd, kunnen trillingen zich door het gehele aandrijfsysteem verspreiden.

Typische koppelingsproblemen zijn onder meer:

• Excentrische rotatie
• Slechte balans
• Overmatige terugslag
• Lage torsiestijfheid

Goedkope flexibele koppelingen compenseren soms tijdelijk uitlijnfouten, maar kunnen de stabiliteit bij hoge snelheden verminderen.

Zelfs met de juiste transmissiecomponenten kan overmatige interne weerstand nog steeds een onstabiele werking veroorzaken.

5. Voorspanning en smering

Voorbelasting wordt gebruikt om de speling te verminderen en de positioneringsnauwkeurigheid te verbeteren.

Overmatige voorspanning verhoogt echter de wrijving in het kogelomloopspindelsysteem.

Bij hoge snelheid kan overmatige wrijving leiden tot:

• Warmteopwekking
• Verhoogde motorbelasting
• Verminderde bewegingszachtheid
• Trillingen tijdens acceleratie

Smering heeft ook een sterke invloed op de soepelheid van de balcirculatie.

Slechte smering verhoogt de rolweerstand en veroorzaakt een onstabiele werking.

Vervuild vet kan trillingen en geluid verder verergeren.

Op dit punt vervangen veel gebruikers de kogelomloopspindel zelf. De feitelijke trillingsbron kan echter afkomstig zijn van de machineconstructie.

6. Machinestructuur

Machinestijfheid beïnvloedt het gehele trillingsgedrag van het CNC-systeem.

Zwakke machineframes kunnen de trillingen versterken die worden gegenereerd door normale transmissiebewegingen.

Dit probleem komt vaak voor bij:

• DIY-CNC-machines
• Lichtgewicht aluminium constructies
• Lange, niet-ondersteunde machinebedden
• Dunne montageplaten

In veel gevallen is de kogelomloopspindel niet de oorspronkelijke trillingsbron. Het zendt alleen trillingen uit die elders in de machine worden gegenereerd.

Omdat trillingen meestal ontstaan ​​door meerdere factoren samen, vereist het oplossen van het probleem een ​​volledige anti-trillingsstrategie.

7. Anti-trillingsoplossingen

Verschillende praktische methoden kunnen trillingen van kogelomloopspindels bij hoge- snelheden verminderen.

8. Het kiezen van de juiste kogelomloopspindel

Bij het selecteren van een kogelomloopspindel voor hoge-CNC-toepassingen moeten gebruikers rekening houden met het gehele bewegingssysteem en niet alleen met de spoed en de diameter.

Belangrijke factoren zijn onder meer:

• Stijfheid van de as
• Ondersteuningsmethode
• Rotatiesnelheid
• Servo-versnelling
• Stijfheid van de machinestructuur
• Vereisten voor voorladen
• Staat van smering

Een goed afgestemd kogelomloopsysteem zorgt voor een soepelere beweging, betere nauwkeurigheid en een langere levensduur.

Conclusie

Trillingen van kogelomloopspindels bij hoge snelheid zijn meestal een probleem op systeem-niveau en niet een defect in één onderdeel.

Kritische snelheid is het uitgangspunt, maar de uitlijning van de installatie, stijfheid, voorspanning, smering, koppelingskwaliteit en machinestructuur hebben allemaal invloed op het trillingsgedrag.

In plaats van simpelweg de snelheid te verlagen, moeten CNC-fabrikanten het volledige transmissiesysteem optimaliseren.

Met het juiste ontwerp en de juiste montage kunnen hoge-kogelomloopspindelsystemen een stabiele, soepele en nauwkeurige beweging realiseren voor langdurig gebruik-.

Referenties

• Mechanisch ontwerp van machine-elementen en machines: een mislukking-Preventieperspectief door Jack A. Collins, Henry R. Busby en George H. Staab
• Theorie van machines en mechanismen door John J. Uicker Jr., Gordon R.Pennock en Joseph E. Shigley

Vraag een aangepaste kogelomloopspindel aan

Heeft u stabiele, hoge- kogelomloopspindeloplossingen nodig?

DLY zorgt voor precisiekogelomloopspindelsvoor CNC-machines, automatiseringsapparatuur en industriële bewegingssystemen.

Wij ondersteunen:

• Standaard en op maat gemaakte kogelomloopspindels
• Meerdere voorlaadopties
• CNC-eindbewerking
• OEM- en bulkbestellingen
• Technische ondersteuning voor toepassingen met hoge-snelheid

Neem contact op met DLY voor professionele kogelomloopspindeloplossingen.