Dispositivos: tornillos de avance y tornillos de bolas

Traducir el movimiento de rotación a movimiento lineal es una parte básica del diseño mecatrónico. Eche un vistazo a la impresora 3D o enrutador CNC más cercano, al menos la variedad cartesiana, y verá algún mecanismo que convierte la rotación de los ejes del motor en el movimiento lineal suave necesario para cada eje.

Es muy probable que las máquinas de aficionado no utilicen poleas y corredores para realizar esta traducción, y esto generalmente satisface las necesidades de la máquina. Pero en algunas máquinas, la tensión de un cinturón no lo cortará, y el diseñador puede recurrir a algún tipo de destornillador ancho para hacer el trabajo.

Tornillos de plomo

Todos hemos visto proyectos de CNC en los que el constructor construyó un acelerador lineal a partir de la longitud de una varilla roscada. Cortados a medida con una sierra para metales, mantenidos en su lugar con un par de cojinetes y unidos a un paso a paso con algún tipo de embrague, estos destornilladores hacen un trabajo decente al producir un movimiento lineal. Pero está lejos de ser una solución perfecta, meramente hablando.

El principal problema con este diseño es el perfil del hilo. Como mencionamos en nuestra publicación sobre roscas de tornillo, el perfil de rosca en V en los sujetadores de rosca está optimizado para proporcionar una alta resistencia a la compresión axial y "no reacondicionamiento", o la tendencia del sujetador a deslizarse. Esto requiere una configuración de alta fricción que no es óptima para el accionamiento por tornillo.

Tornillo y tuerca de avance. Tenga en cuenta el perfil de la rosca Acme y el dibujo. Las tuercas de bronce sobre tornillos de acero al carbono son una disposición común. Fuente: ABSSAC
Limitado.

Un tornillo de avance, por otro lado, tiene una rosca optimizada para reducir la fricción. Los tornillos de avance suelen utilizar un perfil de rosca diferente al perfil trapezoidal Acme. Además, el avance de la rosca, o la distancia a lo largo de la longitud del tornillo que cubre una vuelta completa de la rosca, tiende a variar más en términos de tornillos de avance que con sujetadores de rosca. Se puede obtener un posicionamiento preciso y no revisión con un cable más corto; las longitudes de paso largas permitirán que el tornillo de avance traduzca menos rotaciones en un recorrido lineal más largo. Los tornillos de avance también se diferencian de los sujetadores de rosca en que a menudo tienen múltiples inicios. Cada rosca individual se denomina iniciador, y los tornillos de avance a menudo tienen dos o más roscas anidadas juntas a lo largo de la superficie del tornillo.

Cada tornillo necesita una tuerca y los tornillos de avance no son una excepción. La tuerca de avance es una pieza con una rosca interior que se empareja con la rosca exterior del tornillo de avance y proporciona alguna forma de unir la tuerca a la máquina y transmitir la fuerza producida por la rotación del tornillo de avance. Debido a que la superficie de acoplamiento del tornillo de avance y la tuerca tiende a ser mucho más larga de lo que sería el caso de un sello roscado, una tuerca de avance tiende a estar hecha de materiales que reducirán la fricción tanto como sea posible. El bronce se elige a menudo por su lubricidad natural; El bronce sinterizado también se utiliza a menudo porque se puede impregnar con lubricantes. Los plásticos no son infrecuentes, aunque pueden limitar las cargas que puede soportar el tornillo de avance.

Husillos de bolas

Si bien los tornillos de avance ofrecen un rendimiento excelente para muchas aplicaciones, no están exentos de inconvenientes. Su principal desventaja es la ineficiencia mecánica. Un tornillo de avance típicamente convierte del 20% al 80% del torque aplicado en un empuje lineal, y el resto se desperdicia como calentamiento por fricción. Este calentamiento puede conllevar otra desventaja: un ciclo de encuadernación limitado. Si alguna vez ha colocado una tuerca a lo largo de una varilla roscada al convertir la varilla en un taladro, tendrá una idea de cuánto calor se puede generar con un tornillo de avance. El calor puede dañar fácilmente una tuerca de plomo, especialmente plástico o compuesto. Por lo tanto, la mayoría de los tornillos de avance tienen un ciclo de funcionamiento limitado para permitir que se disipe el tiempo caliente.

Tornillo de bolas y tuerca. Observe un perfil de rosca circular y un retorno de bola interior. Fuente: SKF USA Inc.

Los tornillos de bolas son otro animal. Se ven similares a los tornillos de avance, una varilla roscada con una tuerca, pero funcionan de manera bastante diferente. Donde el perfil del husillo de avance es generalmente trapezoidal, las roscas de husillo de bolas son más redondas. La tuerca del husillo de bolas tampoco se empareja directamente con el husillo de bolas. En cambio, los hilos cortados en la tuerca globular forman canales circulares que se llenan con una fila de pequeñas bolas. Las bolas transmiten fuerza entre el husillo de bolas y la tuerca de bola y son forzadas a lo largo del canal roscado hasta un canal de retorno, donde se transmiten de vuelta al canal roscado para otro viaje.

La ruta de retorno de las bolas en recirculación puede ser interna o externa. Las tuercas de retorno exterior tienen un pequeño tubo o tubos que canalizan las bolas hacia el interior de la tuerca, mientras que las tuercas de retorno interior tienen canales que se procesan directamente en el cuerpo de la tuerca. Por lo tanto, las tuercas de retorno interno tienden a ser mayores que los rendimientos externos. Al igual que los tornillos de avance, los tornillos de bolas pueden tener múltiples arranques, en cuyo caso habrá múltiples cadenas de bolas y múltiples canales de retorno.

Este mecanismo de bola circular es la clave para la eficiencia del husillo de bolas sobre el husillo principal. Cuando el tornillo principal tiene un largo camino de fricción de deslizamiento entre la tuerca y el tornillo, los tornillos de bolas solo experimentan fricción de rodadura entre la tuerca y el tornillo. Una mayor eficiencia significa requisitos de potencia reducidos y una fricción reducida significa que los ciclos de trabajo limitados son menos comunes con los tornillos de bolas, algunos incluso clasificados para servicio continuo.

¿Un tornillo para gobernar todo?

En términos de precisión, los tornillos de bolas generalmente tienen el borde sobre los tornillos de avance gracias a la reducción del juego. La tuerca de bola se puede cargar dividiéndola en dos piezas separadas separadas por un resorte; esto obliga a las bolas a bloquearse en el canal y elimina la pendiente del sistema. Se puede adoptar un enfoque similar con un husillo de avance, pero la menor fricción inherente de un husillo de bolas hace que el aumento de la fricción debido a la precarga sea un problema menor que en los husillos de avance.

Si bien los tornillos de bolas tienen rangos de carga más altos, mejor precisión de posicionamiento y mayores eficiencias que los tornillos de avance similares, están lejos de ser perfectos. Los husillos de bolas son mucho más costosos que los husillos de avance, principalmente debido al mecanizado preciso requerido para el tornillo y la tuerca. También tienden a no autobloquearse, sin importar cómo se atornille, lo que podría significar que algunas aplicaciones requerirán un freno mecánico. Los husillos de bolas también están limitados en velocidad de traslación por la rapidez con que las bolas pueden circular a través de la tuerca antes de causar daños. Además, una tuerca de husillo de bolas no se puede soltar del husillo de bolas como un husillo de avance si tiene una tuerca agrietada o media tuerca, lo cual es importante en las operaciones de roscado en tornos.

La elección del diseño entre husillos de bolas y husillos de avance es compleja. Los husillos de bolas cuestan más que antes, pero tienden a ofrecer una mayor precisión y menores costos de mantenimiento a largo plazo. Nuevamente, la precisión de posicionamiento y el aumento de manejo de carga de los husillos de bolas pueden exagerarse para algunas aplicaciones; en tales casos, un tornillo de avance puede estar bien. Nuevamente, la mayor fricción de un tornillo de avance podría significar que el motor que lo impulsa deberá incrementarse, y el ciclo de trabajo más bajo del tornillo de avance podría ser un problema.

[Featured images: ABSSAC, Ltd., and Helix Linear Technologies, Inc.]

  • Tópteros dice:

    ¿Qué pasa con los tornillos de bolas roscados?

    https://www.thingiverse.com/thing:125529

    • Robert Mateja dice:

      Malos sueños: eso es lo que obtienes cuando alguien lo ve como una alternativa.

      Pésima precisión, poco torque antes de deslizarse, buena suerte con un mecanizado barato.

      • Tú quieres dice:

        Quizás los impresos. Los usamos todo el tiempo durante el trabajo para pasar por las operaciones de bobinado de un producto, etc.

        http://www.okcoil.com/

        • Mella dice:

          Claro, pero la reacción es externa y el par no es excelente, ¿verdad?

        • TGT dice:

          Oh, el tono variable es una característica interesante.

          • Jay Lowe dice:

            Parece una CVT lineal ...

      • Harvie.CZ dice:

        ¿Qué pasa si usa esa tuerca de 3 deslizadores hecha de tornillo de bola inalámbrico con un tornillo de plomada o algún tornillo de plomada con un paso adecuado (y posiblemente un perfil adecuado)? Este nunca se deslizará, no tendrá holgura y será mucho más económico que un husillo de bolas sin dejar de tener poca fricción.

        • Harvie.CZ dice:

          Me gusta esto: https://www.thingiverse.com/thing:3168121

        • Harvie.CZ dice:

          Aquí:

      • Chris dice:

        Estos tipos hacen buenos tornillos y tienen muchas tuercas diferentes: http://www.helixlinear.com

        • Aidan dice:

          Estos tipos también proporcionan buenos tornillos de avance y tornillos de bolas con una amplia variedad de tuercas. Los fabrican según las especificaciones en el Reino Unido, lo que siempre es una ventaja.

          https://www.matara.com/products/linear-motion/ballscrews-and-end-supports/
          https://www.matara.com/products/linear-motion/power-leadscrews/

          También tienen un póster útil, comparando los dos:

          Ball Screws vs Lead Screws

    • TGT dice:

      Si usa esto con una carga considerable, eventualmente se convertirá en una especie de hilo, y muy, muy imprudente: C

      • Harvie.CZ dice:

        Solo aprieta el tornillo de precarga y el velo: has creado una rosca que evitará que este sistema se deslice.
        Tal vez podamos imprimir en 3D algún ensamblaje que muele el hilo de emparejamiento de patinaje en la barra.

        • Steven Naslund dice:

          El problema de agregar tal carga es que agrega fricción al sistema. Esto creará mucho calor mientras es rápido. También puede agregar precarga con una rosca en V estándar para obtener un sistema de juego bajo, pero nuevamente solo agrega fricción y calor.

    • Miguel dice:

      Siempre cuestiono cuando alguien dice que no hay reacción, siempre hay una reacción que solo puedes minimizar. En este caso, el juego vendrá determinado por la tolerancia de desplazamiento axial de los rodamientos 608, que según la fuente de los rodamientos puede ser bastante significativa. Un contragolpe es hermano de la tolerancia, nunca puede deshacerse de ellos, pero puede minimizarlos a un costo y solo por una cierta cantidad de tiempo, ya que aumentarán cuando las piezas disminuyan.

      • F dice:

        Esta máquina fue construida en la década de 1980, probablemente se ha utilizado durante décadas, tiene deslizadores con tornillos de bolas, verifique la tolerancia del eje X, 0.000010 ″

        http://cncnorth.com/ll2.html

        • Harvie.CZ dice:

          Eso suena demasiado exacto para ser verdad. Dicen "resolución", no "tolerancia", "precisión" o "repetibilidad". Esto solo podría significar que un eje se mueve (en promedio) 0.000010 ″ por micropaso. En otras palabras, necesita 100.000 micropasos por pulgada. Pero en ese micropaso, fácilmente podría oscilar en 0.0001 ″ o incluso más.

    • Harvie.CZ dice:

      Este tipo probó la repetibilidad de un husillo de bolas inalámbrico:

      https://www.thingiverse.com/thing:298212

  • ehud42 dice:

    Un punto clave que se ha pasado por alto o se ha encubierto es una reacción violenta. La primavera en la foto teaser de G + sugirió que aprendería un poco sobre las formas de manejar la reacción en las máquinas de mi hogar.

    • TGT dice:

      Mencionan tornillos de resorte como este:
      https://img.staticbg.com/thumb/large/oaupload/banggood/images/DE/0B/193e543e-0536-4672-82fe-1f0ecfc4bebc.jpg

      Pero también aborde cómo aumentan significativamente las pérdidas por fricción en proyectos que utilizan tuercas en lugar de tornillos de bolas. Sheesh, nueces, varillas, bolas y tornillos por todas partes. ¿Por qué es tan falsa la terminología mecánica? Me desvío.

      En una impresora FFF doméstica, funciona bien. El eje Z no se mueve lo suficientemente rápido como para que la fricción sea realmente un problema. Tengo algunas de esas tuercas de tornillo de resorte, y el juego es mínimo para esa aplicación. Por supuesto, el contragolpe tampoco es muy importante en un eje Z, ya que no se mueve hacia adelante y hacia atrás, solo va en una dirección a través de todo el trabajo, y solo se invierte después de que la impresión está terminada y es hora de volver a casa. cama climatizada.

      • Tópteros dice:

        A menos que use un Z-hop durante recuperaciones o cambios de capa.

        • Jason Doege dice:

          Incluso con un salto en Z se accede a una posición desde la misma dirección cada vez, lo que es necesario para eliminar una contribución errónea de reacción. Al igual que lo haría con un molino de mano, por ejemplo.

      • rubypanther dice:

        O alternativamente, "¿por qué la terminología del falo es tan mecánica?"

        Razones. Razones mecánicas.

  • Ostraco dice:

    Y aquí está el destornillador.

    https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/41/Roller_Screw.gif

    • TGT dice:

      ¡Nunca había visto uno de esos! ¿Cuál es el coeficiente de fricción en comparación con un husillo de bolas?

      • macona dice:

        Probablemente sean igual de buenos y tengan más rigidez axial, pero no son muy comunes. No creo que duren tanto.

      • Mara Ombro dice:

        Me preguntaba si alguien los mencionaría aquí. Los tornillos son el santo grial del movimiento lineal, excepto que cuestan una tonelada aterradora. Me presentaron a un amigo que estaba tirado un poco. Sacamos la hoja de datos y las unidades separadas que tenía estaban valoradas en ~ 50,000 libras.

        Solo citaré a SKF:
        "Los tornillos de rodillo ofrecen un nivel de rendimiento mucho más allá de las capacidades de los tornillos de bolas. Son adecuados para cargas pesadas, alta velocidad, alta velocidad de rotación, alta velocidad lineal, alta aceleración (especialmente tornillos de rodillos planetarios), máxima precisión y rigidez, y para el funcionamiento en ambientes severos ".

    • macona dice:

      Mi pequeño torno CNC los tiene, la primera vez que los veo.

  • Hal dice:

    ¿Podría un motor magnético lineal reemplazar esos sistemas con precisión de rejilla y menos vibración, y más rápido?

    • RW versión 0.0.1 dice:

      Mi pensamiento inicial es que los aceleradores lineales son similares a los motores paso a paso desenrollados, por lo que el movimiento se cuantificaría y no se suavizaría.

      • Douggie dice:

        Los motores lineales pueden tener cualquier forma, al igual que los rotativos. Que yo sepa, la mayoría son inducción, BLDC (o como se llame en forma lineal) o algo similar a un paso. Los dos primeros requieren reacciones, por lo que son tan fluidos y de alta definición como lo permite su codificador. Este último es lo que cabría esperar, con características funcionales que dependen en gran medida de su conductor.

        Los motores lineales no son un reemplazo directo de ningún sistema de movimiento lineal, independientemente del costo. Son eficientes, rápidos y muy mal mantenidos (con algunas variantes inusuales que usan levitación magnética para eliminar completamente las partes desgastadas), pero bastante débiles en términos de carga máxima fuerte en comparación con los mecanismos de tornillo, o mucho más grandes para la misma punta. cargar.

        • Steven Naslund dice:

          En algunos casos se utiliza un motor lineal, siendo la mayor desventaja la resolución. Si está desenrollando un paso o servicio a lo largo de un riel lineal, su resolución está limitada al número de segmentos en el riel, es decir, si desea una resolución de .0001, necesitará una gran cantidad de segmentos y los cables y conexiones asociados para conducirlos.

      • macona dice:

        hay motores paso a paso lineales y luego están los servicios lineales. No creo que jamás haya visto una línea pasar salvajemente. En el trabajo, todas nuestras máquinas que construimos utilizan etapas XY de motor lineal y etapas de husillo de bolas para el eje Z. Los motores lineales son muy suaves y rápidos con velocidades de aceleración increíbles.

    • macona dice:

      Los motores lineales reemplazan a los husillos de bolas en muchas aplicaciones, el problema con ellos es que tienen un poco más de inflado, los husillos de bolas son más rígidos. Además, un tornillo es un perfil mucho más pequeño que una pista de motor completa a lo largo de la máquina.

    • Martín dice:

      He visto máquinas SMD pick and place con aceleradores lineales. El estator principal de PM tenía el ancho de toda la máquina (1,5 - 2 m) y 10 cm de ancho, el secundario en el brazo móvil todavía tenía 50 - 60 cm de largo y 5 cm de ancho. Fueron muy rápidos y estoy seguro de que se alimentaron en un circuito de servicio cerrado.
      Pero ciertamente estas máquinas eran realmente caras.

  • Ren dice:

    ¡buen artículo!

  • CityZen dice:

    Cuando leí por primera vez acerca de los “tornillos de avance”, me pregunté por qué haría un tornillo de avance.

    • TGT dice:

      Ja, inglés.

      “Querida criatura en la creación,
      Estudia pronunciación en inglés.
      Te enseñaré por mi verso
      Suena como un cadáver, un cadáver, un caballo y cosas peores.
      Te mantendré ocupada, Suzy,
      Marea tu cabeza con calor.
      Lágrima en un ojo, tu vestido se rasgará.
      ¡Yo también tengo que hacerlo! Oh, escucha mi oración.

      Solo compara corazón, barba y oreja,
      Muere y dieta, señor y palabra,
      Espada y césped, retener y Gran Bretaña.
      (Preste atención a este último tal como está escrito).
      Ahora ciertamente no te atormentaré
      Con palabras como placa y fiebre.
      Pero preste atención mientras habla:
      Di descanso y bistec, pero triste y rayado;
      Agrietado, horno, como y debajo,
      Guión, recibo, espectáculo, poema y dedo del pie. "

      Hay varias estrofas más de ese poema y debe ser tan furioso para los hablantes de ESL.

      • Andrés dice:

        Rex Nevarette (sp?) Tiene un trabajo en ESL "El inglés es un idioma estúpido", eso es bastante gracioso, creo que está en Youtube.

    • NiHaoMike dice:

      ¿Podría ser de una época en que el tornillo estaba cubierto de plomo como lubricante sólido?

      • ruido accidental del abismo .... dice:

        Si fuera a llevarte a mi lado (Pb), ¿debería llevarte a casa también?
        Estos tornillos no son de plomo (Pb) sino que llevan la tuerca hacia adelante y hacia atrás.

      • Dan dice:

        No, se pronuncia como la correa de un perro.

  • Pensador dice:

    También hay colgadores de barras lineales globulares. Con cualquiera de estos, tenga mucho cuidado si los desmonta, especialmente los grandes, o pasará una noche entera reemplazando todos los globos pequeños que llevan. No me preguntes cómo sé esto.

    • Allen R Richter dice:

      Esas lecciones siempre son difíciles de aprender. No importa cuántas veces te lo digan.

      • TIERRA Funcional dice:

        Algunos de nosotros aprendemos varias veces ...

  • EngineerDog.com dice:

    Artículo decente. Solo un consejo para las personas que diseñan sistemas de tornillos, creé una hoja de Excel para calcular la velocidad crítica y la carga de estrés aquí: https://engineerdog.com/2015/02/16/free-resource-ball-screw-design calculator /

  • Paul dice:

    Los precios de los escudos de bolas varían mucho en tamaño y precisión.
    Si nos fijamos en Ali / Ebay, entonces el bajo SFU1204 comienza a precios por debajo de USD20.
    Y por ese precio obtienes más de lo que esperabas.
    Hay unidades más pequeñas, pero el 1204 tiende a ser el más económico.

    La compensación de contrarreacción con husillos de bolas (de mayor precisión) también se realiza de forma diferente a la descrita anteriormente.
    Tienen 2 tuercas que simplemente se atornillan entre sí y luego se fijan en una posición relativa entre sí para mantener una precarga precargada. No hay resorte entre las tuercas.

    Estos se pueden encontrar como unidades DFU (D para doble tuerca). Los baratos

    • Maryland dice:

      Con todos los métodos fijos / fijos hay un "resorte".

      El perno de precarga (acero) utiliza el 200GP de "Elasticidad". (~ 20 kg / mm ^ 2 con rendimiento ~ 0,2% de alargamiento)
      Solo estamos hablando en términos de torque (previsto) porque medir la "fuerza del resorte" que actúa sobre las velocidades, o la precarga, es en su mayoría trivial.
      Precargue cualquier bola / rodillo / eje opuesto u otra "tuerca" (sujetadores incluidos) aún usa fuerza de resorte, por supuesto, puede haber una arandela de empuje, placa de lengüeta, conos, varilla, embrague cilíndrico o radial (u otro dispositivo) que proporcione ese resorte fuerza (al contrario, por supuesto, de la tensión o compresión inducida en el propio tornillo de plomada ...

      Hola.

  • Sumon EEEcaree dice:

    OOwwooo, es asombroso. Especialmente el video que dividido. He reunido nuevos conocimientos de su contenido. Gracias.

  • SomeUser dice:

    Lo único que no vi en el artículo o en los comentarios fue una mención de tornillos de bolas enrollados contra un suelo preciso (enrollados, menos precisos, pero mucho más baratos). Oh, tampoco vi nada acerca de apretar la parte del tornillo de un tornillo de bolas (cojinetes de empuje en ambos extremos). Me dijeron que parte del razonamiento es reducir las influencias térmicas.

Matías Jiménez
Matías Jiménez

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