CNC 工作機械用ボールねじリニア スライド: X、Y、Z 軸の要件の違い

CNC 機械製造業者が新しい機械用のボールねじとリニア ガイドを調達する場合、デフォルトのアプローチは、すべての軸に同じ仕様を適用することです - 同じ直径、同じリード、同じナット タイプです。調達が簡素化され、管理する部品番号の数が減り、保守的な印象になります。

実際には、それは間違ったアプローチであることがよくあります。

CNC 機械の X、Y、Z 軸は、根本的に異なる条件下で動作します。 X 軸は、最高速度での最長ストロークをカバーします。 Y 軸はスピンドル アセンブリの合計重量を支え、連続的な横断荷重を受けて動きます。-。 Z 軸は重力に逆らって垂直に動作し、電力が遮断されたときに位置を保持する必要があり、水平軸よりも短くて硬いネジが必要です。 3 つすべてに同じボールねじ仕様を使用することは、3 番目の軸を保護するために 2 つの軸を過剰に指定するか、-他の軸のコストを節約するために最も要求の厳しい軸を過少に指定することを意味します。

この記事では、ボールねじリニア スライドに各軸が実際に何を要求するのか、ねじシリーズを一致させて各条件を導く方法、および OEM 機械メーカーが仕様を最も間違えやすい箇所について説明します。

各 CNC 軸に異なるボールねじ要件がある理由

ボールねじリニアスライドは単なる駆動機構ではありません。これは、軸の位置の正確さ、軸の移動速度、生成できる推力、および機械のデューティ サイクルでの持続時間に影響を与える重要なコンポーネントの 1 つです。これらの各パラメータは、単一の汎用仕様ではなく、軸の形状と負荷条件 - によって設定されます。

3 つの要素は CNC 軸間で大きく異なり、ボールねじの仕様に直接影響します。

X軸：ロングストローク、高速、最高の移動効率

ほとんどの CNC ルーター、ガントリー機械、マシニング センターでは、X 軸が主移動軸 - であり、カット間の早送り移動で機械の全作業幅をカバーする役割を果たします。通常、ストロークが最も長く、最高速度で動作し、高速移動時には比較的軽い負荷で動作します。

X軸がボールねじリニアスライドに求めるもの

まずはスピード。X 軸の早送り速度によって最小リードが決まります。 3,000 RPM で動作するサーボ モーターの場合、30 m/min、つまり 500 mm/s を達成するために必要なリードは、500 mm/s × 60 ÷ 3,000 RPM=10mm となります。同じモーターで 60 m/min を達成するには、20 mm のリードが必要です。ほとんどの CNC ルーター X 軸のリードは、機械のサイズと速度要件に応じて 10 mm ～ 20 mm です。速度要件が、20 mm リードの SFU がモーターの最大 RPM で供給できる速度を超える場合は、25 mm、32 mm、40 mm、およびそれ以上のリードを備えた SFE 大型リード シリーズ - - が適切なステップアップです。

臨界速度のためのシャフト直径。ストローク 2,000mm の X 軸では、サポート ベアリング間のスクリュー シャフトの非支持長は 2,200 ～ 2,400mm に達する場合があります。この長さでは、サポート構成、安全率、スクリュー構造に応じて、直径 20 mm のシャフトは必要な早送り RPM に達するかなり前に臨界速度によって制限される可能性があります。多くのロングストローク CNC 軸では、直径 32mm または 40mm のネジが主に動作範囲を超えて臨界速度を維持するために選択されます。- は、負荷が必要だからではありません。

通常、圧延 C7 が正しい精度グレードです。木工ルーターや一般的な工作機械の場合、要求される位置決め精度が中程度であれば、転造 C7 ボールねじで十分なことがよくあります。最終的な機械の精度は、取り付け、バックラッシュ、熱膨張、ガイドの剛性、制御補正にも依存します - ネジのグレードはいくつかの要素のうちの 1 つです。

Y軸：中ストローク、複合荷重、構造剛性

多くの CNC ルーターやガントリー{0}} スタイルの機械では、Y 軸にスピンドル モーター、Z- 軸アセンブリ、そして多くの場合、ガントリー クロスビームまたはサドルが取り付けられています。 Y キャリッジに取り付けられているすべての質量により加速および減速中に必要な軸力が増加するため、通常は X 軸よりも低速ですが、大幅に高い負荷がかかり、X 軸に垂直に移動します -。

ボールねじリニアスライドにY軸が求めるもの

Xよりも高い推力が必要です。Z- 軸アセンブリと主軸の合計重量が 80kg で、機械が 0.3g で加速する場合、Y 軸は切削力が追加される前に、加速のためだけに 80 × 9.8 × 0.3=235N の推力 - を生成する必要があります。ボールねじは、加速力とねじ方向の切削力成分を含む等価アキシアル荷重に対して、十分な Ca 安全マージンを持ったサイズにする必要があります。

瞬間負荷管理。主軸が Y 軸中心線からオフセットした点で切削すると、反力によって Y キャリッジにモーメント負荷が生じます。このモーメントはボールねじではなくリニアガイドによって伝えられます。オフセット切削力によるモーメント荷重は、リニア ガイドとキャリッジ ブロックに対して個別に計算する必要があります。- レール幅、ブロックの数、予圧クラスを含むガイド仕様は、Y 軸ジオメトリが生成できる最大モーメントに一致する必要があります。ボールねじを正しく指定しながら、-Y 軸ガイドの指定が不十分である-ことは、ガイドの早期摩耗や精度の低下を引き起こす一般的な設計エラーです。

スピードと推力のバランスが取れたミディアムリード。Y 軸は低速での短いストロークをカバーするため、X 軸のような大きなリードを必要としません。 10mm のリードにより、ほとんどの CNC ルーターおよびマシニング センターの Y 軸の速度と推力の間で適切なバランスが得られます。 200kg を超えるサドル重量を移動させる頑丈な機械では、モーターの定格トルクで適切な推力を提供するために、より大きな直径のネジを備えた 5 mm リードが必要になる場合があります。

Z 軸: ショート ストローク、垂直荷重、バックドライブのリスク-

Z 軸は、3 つの軸の中で最も機械的に異なります。垂直方向に移動し、一定の下向きの荷重がかかり、スピンドルの重みは常に短いストロークで動作し、サーボ ドライブの電源が切れたときに確実に位置を保持する必要があります。-これらの要件は、ほぼすべての点で X 軸とは逆のボールねじ仕様を示しています。

ボールねじリニアスライドにZ軸が求めるもの

リードが小さいため、バックドライブの傾向が低く、推力が高くなります。{0}}リードが小さいほどモーターの機械的利点が大きくなり、スピンドルの重量によって Z 軸が逆回転する傾向が軽減されます。{0}}ただし、ボールねじをセルフロック機構として扱うべきではありません。-ボールねじは機械効率が高いため、従来の親ねじよりも逆方向の影響を受けやすい-。特定の Z 軸がバックドライブするかどうかは、リード、負荷、ネジの効率、潤滑状態、およびサーボ ドライブが静止時に保持トルクを維持するかどうかによって決まります。{6}}

CNC Z 軸では 5mm リードが標準です。モータの定格トルクから十分な推力を得ることができ、各回転数におけるDm・N値を使用範囲内に保ちます。ただし、リードだけでは、電源が遮断されたときにスピンドルが下降しないことを保証するものではありません。

多くの場合、モーターブレーキやカウンターバランスが必要になります。垂直 CNC 軸の場合、制御されていない降下が安全性、工具、またはワークピースのリスクを引き起こす可能性がある場合は常に、モーター ブレーキまたはカウンターバランスを考慮する必要があります。実際の参考として、約 15 ～ 20kg 以上の Z- 軸スピンドル アセンブリは、通常、ブレーキまたはカウンターバランス要件をチェックする必要があります - が、実際のしきい値はリード、ネジの効率、摩擦、駆動動作によって異なるため、固定ルールとして適用するのではなく、設計ごとに評価する必要があります。

シャフトが短いということは、臨界速度ではなく剛性を意味します。AZ- 軸のネジシャフトの長さは通常 300 ～ 600 mm です。この長さでは、たとえ直径が小さくても、通常、臨界速度は制限要因になりません。直径の選択は、負荷容量、Ca、およびスピンドル重量によるシャフトのたわみによって決まります。直径 16mm または 20mm のシャフトは、ほとんどの CNC ルーターの Z 軸をカバーします。より重いスピンドルを備えたマシニング センターでは 25mm が必要になる場合があります。

精密加工用のダブルナットです。Z 軸が切り込み深さを制御する CNC マシニング センターでは、Z 軸のバックラッシが表面仕上げと寸法精度に直接影響します。 DFU ダブル-ナット設計により、軸方向のバックラッシュが最小限に抑えられ、剛性が向上します。深さの公差が ±0.1 mm である CNC ルーターでは、標準の SFU シングル ナット Z 軸で十分です。-

スペースの制約に対応したコンパクトなリニアガイド。通常、設置スペースが最も制限されるのは Z 軸です。 DLY の HD シリーズの HDR15 または HDR20 など、2 つのブロックを備えた幅の狭いリニア ガイドが一般的です。ガイドは、スピンドルとキャリッジ、およびスピンドル内の工具の合計重量を適切な動的負荷マージンで支えられるサイズにする必要があります。

軸別のよくある仕様ミス

X、Y、Z 軸仕様の概要

CNC軸用のボールねじとリニアガイドの調達

コンポーネントを大量に調達する OEM CNC マシン ビルダーにとって、仕様の後に実際に考慮すべき点は、バッチ間の一貫性です。 1次でCaとリードの精度を満たすねじは、10次でも同じ仕様を満たす必要があります。バッチ間のボール直径、予圧、またはリード誤差 - のばらつき - により、同じ部品番号を使用しているにもかかわらず機械の動作が異なり、品質管理や販売後の問題が発生します。-

DLYのメーカーSFU シングル-ナットそしてDFU ダブル-ナットボールねじの直径は 12mm ～ 80mm、リードは 4mm ～ 20mm、C7 転造および C5/C3 研磨精度等級です。 20mm 以上のリードを必要とする高速 X 軸アプリケーションの場合、-SFE 大型リード シリーズ-25mm、32mm、40mm、50mm、64mmのリードをカバーします。リニア ガイドウェイは、一般的な CNC アプリケーション向けの HD シリーズ HDR15 ～ HDR65、薄型および高速アプリケーション向けの ED シリーズ EDR15 ～ EDR30、重荷重、高剛性要件向けの RD ローラ シリーズ RDR15 ～ RDR65 で利用可能です。{{10}{10}{11}}全シリーズ標準品と高精度品を用意しており、お問い合わせ段階で納期を確認しながら一括発注にも対応します。

ご注文前にCNC軸の仕様をご確認ください

新しい CNC 機械設計用にボールねじとリニア ガイドを指定する場合、または既存の機械のコンポーネントを交換する場合、DLY のエンジニアリング チームは軸パラメータを確認し、各軸の正しいねじシリーズ、直径、リード、ガイド仕様を確認できます。

バッチ価格とリードタイムは技術仕様と同時に確認されます。