ボールねじは垂直荷重に耐えられますか?安全ガイド

垂直機械軸は、モーターに電力が供給されている間は正確に停止する可能性がありますが、電力が除去されると安全ではなくなります。理由は簡単です。ボールねじは、適切なサイズであれば垂直方向の荷重を支えて移動させることができますが、通常はその効率的な転がり接触により、荷重がねじを逆方向に駆動することができます。

縦型の場合ボールねじしたがって、軸、負荷容量、耐荷重は 2 つの異なる設計問題となります。ネジ、ナット、サポートベアリング、およびモーターは操作力を支える必要があり、一方、ブレーキまたは別の独立した装置は、停電、緊急停止、または駆動障害時の意図しない下方への動きを制御する必要があります。

この区別は、CNC Z 軸、昇降テーブル、垂直包装ステーション、検査装置、組立機械、および移動質量に重力が継続的に作用するその他のシステムにおいて重要です。

垂直耐荷重

ボールねじは、軸方向荷重、寿命、速度、剛性の制限内で垂直荷重を担持し、位置決めすることができます。ただし、通常は自動ロック装置として扱うべきではありません。-駆動トルクがなくなると、重力によりナットに軸力がかかります。転がり接触は摩擦が少ないため、その軸力によって逆トルクが発生し、ねじを回転させることができます。

実際的な答えは次のとおりです。ボールねじは垂直荷重に耐えることができますが、制御されていない下降により機械が損傷したり、人が負傷したりする可能性がある場合は、軸全体に検証済みの荷重保持方法が必要です。{0}}

モーター保持トルクにより、ドライブに通電したままでも位置を維持できます。電力損失後は、同様の保護は提供されません。同様に、予圧ナットは軸方向の剛性を向上させ、バックラッシュを軽減しますが、ボールねじを確実にセルフロックするわけではありません。-

バックドライブはなぜ起こるのか

ボールねじは、モーターの回転を効率的な直線運動に変換するように設計されています。同じメカニズムが逆に作用することもあり、ナットにかかる軸方向の力によってねじシャフトに回転が生じます。これはバックドライブとして知られています。

バックドライブの傾向は、いくつかの要因によって影響されます。

鉛：通常、リードが大きいほど、同じアキシアル荷重に対してより多くの逆トルクが発生します。
逆効率:効率的な転がり接触により、高摩擦の滑りネジを使用する場合よりも逆方向への動きが容易になります。-
移動質量:テーブル、ツール、ワークピース、および付属の機構はすべて重力負荷に寄与します。
加速と減速:動的力は、重力のみによって引き起こされる力を超えることがあります。
外部プロセス力:切断、押し付け、または操作する力は、重力に応じて、または重力に逆らって作用する可能性があります。
ドライブ-の損失:シール、ベアリング、ガイド、モーターは抵抗を追加しますが、この可変抵抗を安全ブレーキとして使用すべきではありません。

ねじの方向だけでは問題は解決しません。左ねじでは、ねじの回転とナットの移動の関係が逆転しますが、重力により対応する回転方向に逆方向に駆動される可能性があります。

重力と逆トルク

最初の推定値は、移動質量の合計によって生成される下向きの力です。

F_g = m × g

ここでF_gは重力 (ニュートン単位)、m は総移動質量 (キログラム単位)、g は約 9.81 m/s² です。

ねじ軸のおおよその逆トルクは次のように表すことができます。

T_戻る ≈ F × P × η_r ÷ (2π)

ここで、T_戻る逆トルク（N・m）、F は軸力（ニュートン）、P はネジのリード（1 回転あたりのメートル）、η_r逆効率です。

たとえば、120 kg の移動アセンブリは約 1,177 N の重力を生成します。リードが 10 mm、逆効率が 0.85 と仮定すると、重力発生トルクの推定値は約 1.59 N·m になります。{6}:

T_戻る ≈ 1,177 × 0.010 × 0.85 ÷ (2π) ≈ 1.59 N·m

これは重力の推定値にすぎません。ブレーキとモーターのサイズ設定では、加速度、プロセス力、伝達比、コンポーネントの慣性、効率の変動、必要な停止時間、および適切な安全率も考慮する必要があります。選択したブレーキは、メーカーが許可する保持トルク、緊急停止義務、作動時間、耐用年数データを使用してチェックする必要があります。-

負荷-保持方法

方法	主な機能	重要な制限事項
サーボ保持トルク	ドライブに電力が供給され、モーターが制御されている間、指令された位置を維持します。	独立した電源オフ保持デバイスではありません。-
モーター保持ブレーキ	モーターが停止するか電源が遮断された後、軸を保持します。	多くの保持ブレーキは、全速度での停止の繰り返しを吸収することを目的としていません。-
軸ブレーキまたはクランプ	移動軸またはレールに直接作用し、独立した拘束を提供できます。	取り付け、リリースの監視、および許容停止エネルギーを検証する必要があります。
カウンターウェイトまたはカウンターバランス	正味の重力負荷、モーターのトルク、ブレーキ保持の要求を軽減します。	不均衡を軽減しますが、完全な安全機能が自動的に提供されるわけではありません。
二次安全装置	プライマリドライブまたはブレーキが故障した場合に、負荷をキャッチまたは拘束します。	その適合性は、機械のリスク評価と必要な安全性能によって異なります。

一般的な制御シーケンスは、ブレーキが解除されている間サーボに通電状態を維持し、軸を移動し、サーボ制御下で停止し、ブレーキを適用してからモータートルクを除去することです。モーターが保持トルクを確立する前にブレーキを解除すると、短時間ではありますが、重大な落下が発生する可能性があります。タイミングとフィードバックロジックは、予想される最大負荷での試運転中に検証する必要があります。

垂直軸力の条件

垂直軸を正しく計算すると、静的な重量のみをチェックするのではなく、さまざまな動作条件が分離されます。{0}}

状態	力の考慮	デザインチェック
静止	重力および持続的なプロセス力	ブレーキ保持能力と静アキシアル荷重
上向きに加速中	重力に加速力と摩擦を加えたもの	モーターの最大トルクとネジの最大負荷
一定の速度で移動する	重力、摩擦、加工力	連続モータートルクと熱負荷
制御された下向きの動き	重力が軸を駆動し、モーターが降下を制御します	回生運転、駆動能力、過速度制御
電力損失または障害	拘束がかかるまで重力が制御されない	ブレーキ応答、停止距離、二次保護

デューティサイクルにわたる平均アキシアル荷重はボールねじの寿命計算に使用されますが、最大動作荷重は適用される静的および動的制限内にとどまる必要があります。これらは保持ブレーキの計算とは別のものです。-

ネジの向きとエンドサポート

機械のレイアウトが許せば、固定ベアリングと駆動端を可動ナットの上に配置すると、重力によるねじの張力をより多く保つことができます。主に引張力がかかったネジは、圧縮力で押された長いネジとは異なり、コラムの座屈が発生しません。

垂直荷重によってシャフトが圧縮される場合は、ルート直径、非サポート長、エンドサポート状態をチェックする必要があります。-これについては、「」で別途説明します。ボールねじの座屈計算。スクリューの臨界速度、サポート支持力、アライメントもチェックする必要があります。-

一般的な回転ネジの配置では、駆動端の固定ベアリングユニットを使用して軸方向と半径方向の位置を制御し、反対側の端にサポートベアリングを使用して安定した回転を実現します。実際のサポート配置は、シャフト端の加工、速度、軸方向荷重、必要な剛性に適合する必要があります。{2}}

よくある設計エラー

固定サーボが電源オフブレーキであると仮定します。-ドライブが電力を供給できなくなると、制御トルクが消失します。
安全機能としてプリロードを使用する:プリロードは剛性とバックラッシュ性能を向上させますが、信頼性の高い荷重保持ではありません。
重力トルクのみからブレーキを選択する:非常停止エネルギー、作動遅延、および最大動的負荷が選択を決定する場合があります。
総移動質量を無視する場合:工具、治具、ワークピース、ケーブル、補助機構が含まれている必要があります。
ねじ定格荷重のみを確認する:ナットの寿命、シャフトの座屈、サポートベアリング、モーターのトルク、カップリング容量、ブレーキ性能などの制限は異なります。
通常の高速停止時にブレーキを踏む場合:{0}}保持ブレーキは、その用途に特に定格されていない限り、常用ブレーキとして使用するとすぐに摩耗する可能性があります。

結論

ボールねじは垂直方向の荷重を移動して支えることができますが、伝達効率が高いためバックドライブも可能です。したがって、信頼性の高い垂直-軸設計により、モーション制御と荷重保持が分離されます。ネジとモーターは通常の動きを制御します。トルクが利用できない場合は、ブレーキ、クランプ、またはその他の拘束装置が負荷を制御します。

設計では、総移動質量、リード、逆トルク、加速度、プロセス力、ブレーキ応答、エンドサポートの配置を考慮する必要があります。-プリロードとねじの方向を、検証済みのブレーキの代替品として扱ってはなりません。意図しない降下が重大な危険を引き起こす場合、機械の正式なリスク評価を通じて独立した二次装置を選択する必要があります。