تاریخچه
از دیر باز حتی از زمان ساخت اهرام مصرتا الان از تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی برای جا به جایی اجسام استفاده می شود.
در واقع حرکت خطی شامل جا به جایی یک جسم از یک نقطه به نقطه ی دیگر است.
واما در دهه های اخیر زمانی که تکنولوژی بال اسکرو و لید اسکرو کشف نشده بود، جهت حرکت ، جلو و عقب بردن میز ها و محور ها از سیستم پیچ و مهره های معمول استفاده می شد. این نوع پیچ و مهره ها دارای دندانه های مثلثی و تیز هستند.
از آنجایی که در اثر حرکتهای لغزشی موجود بین دو سطح پیچ و مهره، سایش و خوردگی ایجاد شده و در نتیجه مکانیزم حرکتی لق می شود، تغییراتی در نوع دنده های پیچ و مهره ایجاد شد و به جای استفاده از پیچ و مهره با مقطع مثلثی، از پیچ و مهره با مقطع ذوزنقه و تا حدی مستطیلی استفاده شد که به آن لیداسکرو(Threaded Rod ) گفته می شود. این مدل پیچ و مهره ها هم اکنون نیز در میز دستگاههای فرز و تراش معمولی به وفور به چشم می خورد که اصطلاحا به دنده کبریتی معروف است.
لیداسکرو یا Threaded Rod :
لید اسکرو یا Threaded Rod یک میله ی فولادی است که به همراه یک مهره یا قطعه ی قلاویز شده برای تبدیل حرکت چرخشی موتورها به حرکت خطی به کار می رود.
لیداسکروها دارای رزوه‌های مارپیچ عمیقی هستند و مهره به کار برده شده برای آن از جنس کامپوزیت پلیمری یا برنز ساخته می‌شود.
رزوه هایی که برای پیچ های معمولی ایجاد می شوند، از نوع رزوه تیز هستند که برای ایجاد اصطکاک بیشتر و قفل شدن مهره در پیچ مناسب می باشند. اما رزوه های لیداسکرو از نوع مربعی یا قله ای (اصطلاحا کبریتی) باشد تا اصطکاک تا حد ممکن پایین بیاید.
بیشتر پرینتر های سه بعدی ازپیچ و مهره لیداسکرو برای ایجاد حرکت عمودی محور Z استفاده می کنند. حرکت در محور Z نیاز به سرعت بالا ندارد، گرچه بهتر است قابلیت حرکت سریع را داشته باشد، اما به طور کلی هر بار فقط به اندازه کسری از میلیمتر حرکت می کند. البته برای پرینتر هایی با ابعاد کوچک مانند مدل های پرینتر پروسا در تمامی محور ها میتوانید از لید اسکرو استفاده کنید. لیداسکروها از نظر فراهم کردن قدرت و دقت مناسب هستند. پرینترهای سه بعدی برعکس ماشین های سی ان سی، به نیروی چندانی احتیاج ندارند، اما با توجه به این که لیداسکرو محور Z وزن میز را تحمل می کند، بهتر است از میله های با کیفیت از فولاد ضد زنگ استفاده شود، وگرنه عمر پیچ کاهش پیدا می کند.
انواع لیداسکروها:
- لیداسکرو با رزوه پروانه ای Buttress thread
- لیداسکرو با رزوه قله ای Acme thread
- لیداسکرو با رزوه مربعی Square thread
بال اسکرو Ball Screw
با به وجود آمدن لید اسکرو ها مواردی از مشکلات سیستم حرکت خطی برطرف شدند ولی نه به طور کامل.و همین معایب موجود در لیداسکروها منجر به اختراع پیچ و مهره بال اسکرو شد.
اختراع بال اسکرو مشکل لغزش سطوح موجود در لیداسکرو را حل کرده و دنیایی جدید را در برابر صنعت گشوده است. مکانیزم حرکت بال اسکرو همانند حرکت بلبرینگ ها می باشد و در بین سطوح هیچ لغزشی نیست و مبنای حرکت غلتش کامل است.
در سیستم پیچ و مهره، با اضافه شدن نیرو مثلا وزن، طبق فرمول اصطکاک، نیرو در ضریب اصطکاک ضرب می شد و نسبتی خطی را به دست می داد یعنی هرچه نیرو بیشتر، اصطکاک بیشتر و نیروی مورد نیاز جهت چرخش هم بیشتر می شود ولی در سیستم بال اسکرو هیچ لغزشی نیست و حرکت پیچ و مهره بر مبنای غلتش می باشد. ساختار ظاهری بال اسکرو شبیه یک مجموعه پیچ و مهره است که مهره بال اسکرو به عنوان مهره و شفت رزوه شده به عنوان پیچ عمل می کند. شفت رزوه دار مارپیچی، مسیر حرکت ساچمه هایی را فراهم می سازد که قسمت لغزنده بال اسکرو (مهره) بر روی آنها به حرکت در می آید. مهره در بال اسکرو به گونه ای ساخته شده است که امکان چرخش ساچمه ها را در داخل خود فراهم می سازد. به طوری که در مدت حرکت مهره بر روی شفت، ساچمه ها در داخل مهره به گردش در می آیند.
بال اسکرو ها از یک پیچ هرز گرد و مهره ای که شامل ساچمه ها است تشکیل شده اند که وجود ساچمه ها باعث می شود هیچ تماسی بین پیچ و مهره ایجاد نشود. وقتی که مهره را در حول محور خودش می چرخانید آن وقت تا زمانیکه شیارهای پیچ به طور مداوم در شکل حلزونی خود هستند مهره در جهت محوری خود حرکت می کند. به عبارت دیگر اسکرو یک عضو مکانیکی است که حرکت چرخشی را به حرکت خطی تبدیل می کند. اسکرو ها چیزی را حرکت می دهند یا نیرویی را انتقال می دهند و این یعنی نیروی چرخشی کوچکی را به نیروی رانشی قوی تبدیل میکنند.
اجزای تشکیل دهنده سیستم بال اسکرو چه هستند؟
- پیچ Screw
- مهرهNut
- ساختار بال اسکرو Structure of a ball screw
- بلبرینگBall bearing
- سیستم گردشCirculation system
آنها عناصر انتقال با اصطکاک کم برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی هستند.
انواع بال اسکرو:
بال اسکرو ها در سه نوع زیر موجود هستند که تفاوت آنها در نحوه ی چرخش بلبرینگ است.
- بال اسکرو گردش خارجی External circulation ball screw
- بال اسکرو گردش داخلی Internal circulation ball screw
- بال اسکرو با درپوش انتهایی End cap circulation ball screw
بال اسکرو گردش خارجی External circulation ball screw شامل قطعات زیر است:
- بلبرینگBall bearing
- مهرهNut
- پیچ Screw
- Wiper
- لوله بازگشتReturn tube
- بلوک ثابتFixture block
- پیچ های بلوک ثابتFixture block screws
بال اسکرو گردش داخلی Internal circulation ball screw شامل قطعات زیر:
- بلبرینگBall bearing
- مهرهNut
- پیچ Screw
- Wiper
- در پوش بازگشت Return cap
بال اسکرو با درپوش انتهایی End cap circulation ball screw که از قطعات زیر تشکیل شده است:
- بلبرینگBall bearing
- مهرهNut
- پیچ Screw
- درپوش انتهایی End cap
- پیچ های نصب شده در درپوش انتهایی End cap mounting screws
6 موردی که در انتخاب بال اسکروی مناسب باید مد نظر قرار دهید:
- قطر دایره ی پیچ Pitch circle diameter
- Lead: مسیری که به هنگام چرخش یک دور پیچ، مهره حرکت می کند.
- ابعاد بلبرینگ Bearing ball diameter
- قطر پایه Root diameter
- قطر خارجی Outer diameter
- دندان قوس گوتیک Gothic arch tooth
حال که به طور دقیق به کاربرد های هر کدام از این سیستم های حرکت خطی پرداختیم به سراغ بر شمردن معایب و مزایای هر کدام میرویم.
9مورد از مزایای لیداسکرو:
- قابلیت حمل بار بزرگ
- فشرده - جمع و جور
- ساده برای طراحی(تعداد حداقل قطعات)
- آسان برای ساخت؛ هیچ گونه ماشین آلات تخصصی مورد نیاز نیست
- حرکت خطی دقیق دارند بنابراین در کاربردهای حرکتهای انتقالی ساده که نیازمند سرعت، دقت و استحکام بالا هستند مناسب‌تر از بال‌اسکروها هستند.
- قیمت پایین‌تر
- دارای حالت خودقفلی که نیاز به ترمز یا سیستم نگه‌دارنده را منتفی می‌کند.
- برای کاربردهای عمودی مناسب‌تر از گروه دیگر است.
- بعضی از لیداسکروها نیازی به روغن‌کاری ندارند.
معایب لیداسکرو:
- راندمان بسیار ضعیفی دارنددر واقع به طور معمول بهره‌وری کمتری دارند، نیاز به گشتاور بزرگتری دارند و به همین سبب ممکن است موتور و درایور بزرگتری نیاز داشته‌باشند.
- به دلیل اصطکاک بسیار زیاد بین قسمت های نر و ماده ، ساییدگی و پارگی زیاد است همچنین دمای کاری بالاتری را نسبت به بال‌اسکروها تجربه می کنند.
- اصطکاک بیشتری دارند و این امر ممکن است سبب شود اکثر لیداسکروها در کاربردهایی که ترکیبی از گشتاور و سرعت بالا را نیاز دارند یا دارای سیکل‌های زمانی پیوسته یا طولانی‌مدت هستند خوب عمل نمی‌کنند.
- عمر پایین‌تری نسبت به بال‌اسکروها دارند و به همین دلیل نیاز به تعویض در دوره‌های زمانی کوتاه‌تری دارند.
مزایای بال اسکروها
- بهره‌وری بالاتری دارند و به همین علت گشتاور کوچکتری نیاز دارند.
- اصطکاک کمتر سبب می‌شود دمای کاری پایین‌تری را تجربه کنند.
- عمر طولانی‌تر دارند و به همین علت در دوره‌های زمانی طولانی‌تری تعویض می‌شوند.
- بال اسکروها مناسب کاربردهای با سرعت و توان کاری بالا یا کاربردهای دارای سیکل‌های پیوسته یا طولانی‌مدت هستند.
- مهمترین مزیت در انتخاب بال اسکرو این است که می توان آنها را به راحتی کنترل کرد ، بسیار دقیق درمقیاس میکرون
معایب بال اسکرو
- مقدار قابل ملاحظه‌ای گران‌تر از لیداسکروها هستند.
- نیازمند مکانیزم قفلی (ترمزی) برای عدم حرکت در خلاف جهت موردنظر و تضمین ایمنی عملکرد می‌باشند. در واقع به دلیل کم بودن اصطکاک در بال اسکرو ، این دستگاه از قابلیت و مکانیزم خودنگهدار یا خود قفل برخوردار نیست. به این معنا در صورتی که قسمت پیچ ( یا شفت ) را ثابت نگه داریم و شروع به حرکت مهره کنیم ، میتوانیم حرکت خطی را مشاهده کنیم یعنی با حرکت مهره ، پیچ ( یا شفت ) شروع به چرخش می کند. در حالی که در لید اسکرو تنها حرکت پیچ ( یا شفت ) است که باعث حرکت خطی مهره می گردد و عکس آن امکان پذیر نیست.
- همچنین به علت کم بودن اصطکاک بین پیچ و شافت این امکان وجود ندارد که بتوان به راحتی یک حرکت ثابت چرخشی ایجاد کرد. لذا معمولا بال اسکرو در سیستم هایی استفاده می شود که بتوان با استفاده از یک موتور، سرعتی ثابت ایجاد کرد.
- در هنگام عملکرد سر و صدای قابل توجهی ایجاد میکنند.
- بال اسکرو نیازمند بازرسی ها و مراقب های دوره ای است و همچنین در برابر ذرات خارجی باید محافظت گردد.بنابراین برای دست‌یابی به عمر طراحی‌شده نیازمند گریس‌زنی یا روغن‌کاری می‌باشند.
- به طور کلی بال اسکرو باید در برابر آسیب و ضربه های خارجی محافظت گردد چرا که هرگونه صدمه به بال اسکرو باعث عدم کارکرد صحیح و دقیق بال اسکرو می گردد. در حالی که این مورد در لید اسکرو مشاهده نمی شود.
- مقایسه ای کلی میان بال اسکروها و لیداسکروها
- اگر در ابتدا بخواهیم به مکانیک هر دو قطعه توجه کنیم مشخص است که هر دو(بال اسکرو و لیداسکرو) ، محرک خطی مکانیکی بوده به این معنا که برای کاربردهای تبدیل حرکت چرخشی به خطی استفاده می شوند و در شرایط به ظاهر مشابه قابل استفاده هستند اما هر مهندس پروژه می بایست رانش به عقب ، فشار موتور ، سرعت ، دقت هدایت و کارایی لازم برای سازوکار را در نظر بگیرد.( back drive, backlash, thrust, speed, lead accuracy, and efficiency required for the mechanism)
- بال اسکرو نام خود را از بلبرینگ دریافت می کنند که اصطکاک را به حداقل می رساند و بازده را بهینه می کند ، در حالی که لید اسکرو از سطوح کشویی با اصطکاک زیاد استفاده می کنند.
- لیداسکرو بی صدا ، روان ، مقاوم در برابر خوردگی ، خود روان کننده و اغلب ارزان تر هستند. آنها عموما در شرایطی که به سفارشی سازی درطول بالا نیاز است موفق تر عمل می کنند. از آنجا که لیداسکروها تقریبا بی صدا و بدون لرزش هستند ، آنها اغلب برای تجهیزات پزشکی مانند پمپ های انسولین و در دستگاه های محاسباتی شخصی مانند رایانه های رومیزی استفاده می شوند.بال اسکروها ، هرچند پرسر و صداتر باشند ، می توانند بارهای سنگین تری نسبت به همتای خود(لیداسکرو) داشته باشند ، خودشان قفل نمی شوند ، به اندازه لیداسکروها سفت و سخت نیستند ، و تمایل دارند راندمان ،صحت و دقت بالاتری را ارائه دهند. بال اسکرو ها معمولاً در هواپیما ، فرمان برق ، روبات ها و نیمه هادی ها استفاده می شوند.
- از آنجا که لیداسکروها خود به خود قفل می شوند ، معمولاً نیازی به اعمال ترمزهای اضافی نیست ، حتی در مواقعی که در هنگام قطع برق ، بار عمودی را بالا می برید. با این وجود هرچه اصطکاک روی سطح کشویی بالاتر باشد ، قدرت بیشتری برای رانندگی بار به جلو یا رو به جلو لازم است. بال اسکروها می توانند حرکت مستقیم را به حرکت چرخشی تبدیل کنند و بالعکس. از آنجا که آنها دارای بالبرینگ هستند که اصطکاک را کاهش می دهد ، معمولاً برای راه اندازی آنها به نیروی موتور کمتری نیاز است.
از طرفی لیداسکروهایی که در پرینترهای سه بعدی به کار می روند را نباید با Ball Screw اشتباه گرفت. بال اسکرو درواقع نوعی لیداسکرو است که در قسمت مهره ی آن مانند بلبرینگ ساچمه هایی کار گذاشته شده است تا اصطکاک را بسیار پایین بیاورند. در دستگاه های سی ان سی با توجه به این که عمل برش با اعمال نیرو در جهت محور ها صورت می گیرد، استفاده از بال سکرو می تواند به دقت بیشتر منجر شود، اما با توجه به این که لید سکرو ها در پرینترهای سه بعدی کارتزین معمولا فقط در محور عمود به کار گرفته می شوند، و حرکت این محور بسیار محدود است، استفاده از بال اسکروهای گران قیمت تاثیری در کیفیت پرینتر نخواهد داشت.
بال اسکرو یا لیداسکرو؟
استفاده از هر یک از این دو عملگر(actuator) مزایا و معایبی دارد. قبل از اینکه شما تصمیم بگیرید که از بال‌اسکرو (ball screw) یا لیداسکرو (lead screw) استفاده کنید، می بایست با ویژگی های متفاوت هر یک آشنا شوید و آن موردی که با کاربرد مدنظر شما سازگاری بیشتری دارد برگزینید. در بیشتر موارد، تخمین میزان بار، دقت و پیشروی (گام) در استفاده شما مشخص خواهدکرد که شما بایستی به سراغ استفاده از کدام دسته بروید.
اگرچه بیشتر اوقات لیداسکروها ارزان تر از بال اسکرو ها هستند، انتخاب یکی از دو دسته تنها با تکیه کردن بر قیمت کار اشتباهی است. تفاوت اصلی و ساختاری بین لیداسکروها و بال‌اسکروها در این است که در بال‌اسکروها به منظور کاهش اصطکاک بین پیچ و مهره، بال‌برنیگ (یاتاقان) به‌کار برده‌شده‌است، در حالی که در لیداسکروها بال‌برینگی وجود ندارد.
به نوعی می توان گفت انتخاب بین بال اسکرو و لیداسکرو نسبی است و احتمالاً به کاربرد بستگی دارد. به عنوان مثال ، در یک برنامه عمودی ، استفاده از لیداسکرو نسبت به بال اسکرو می تواند سود بیشتری داشته باشد ، زیرا بال اسکرو نمی تواند خود را به عقب براند. با این وجود ، در یک جهت افقی ، جایی که هیچ نیروی خارجی برای اجرای برنامه اعمال نمی شود ، استفاده از بال اسکرو سودمند خواهد بود زیرا لازم نیست نگران این باشید که توسط نیروی جاذبه رانده شود.
در نهایت طبق کاری که انجام می دهید میتوانید از سیستم حرکتی مناسب آن کار استفاده کنید.