Využití lineárního pohonu v některých nových nebo stávajících lékařských a laboratorních aplikacích představuje náročný úkol ze dvou důvodů. Jednak v případě lékařských a laboratorních zařízení musí být zpravidla splněna celá řada požadavků od spolehlivosti a přesnosti a opakovatelnosti polohování po omezené rozměry a nízkou hlučnost a také proto, že existuje velké množství různých systémů zajišťujících lineární pohyb.
Bližší posouzení stávajících řešení lineárního pohybu, která jsou používána v lékařských a laboratorních zařízeních, ukazuje, že jeden typ zařízení pro lineární pohon – kuličkový šroub – dokáže splnit nejrůznější nároky přístrojů, jak dokazuje i seznam úspěšných aplikací. Kuličkové šrouby umožnily realizovat tolik efektivních řešení, že je mnozí konstruktéři zařadili „na první místo svého žebříčku“ dílů, které používají při navrhování přístrojů pro lineární pohyb, určených pro lékařské využití a výzkum.
Využití kuličkového šroubu při operacích
Vzhledem k nepřetržitému vývoji si kuličkové šrouby nadále udržují pevné postavení. Např. přesné válcované kuličkové šrouby, které jsou ideální pro laboratorní použití, jsou nyní nabízeny ve standardizovaných průměrech od 6 mm do 16 mm a se stoupáním od 2 mm do 12,7 mm. Tyto univerzální kuličkové šrouby se vyznačují optimalizovanou geometrií válcové matice, která zaručuje výrazné snížení hlučnosti. Matice mají menší stoupání, takže dosahují neobyčejně vysoké přesnosti polohování. Jsou vybaveny kuličkami, které přispívají k delší provozní trvanlivosti a odstraňují riziko případného přehřívání a zadření (které hrozí u kluzných šroubů). Také jejich schopnost přenášet vyšší dynamická zatížení (ačkoli mají menší rozměry) umožňuje konstruktérům navrhovat menší sestavy s kuličkovým šroubem, které splňují i nároky přístrojů s menšími rozměry.
Příkladem úspěšného využití kuličkových šroubů v lékařských přístrojích z nedávné doby je čerpadlo krevního separátoru, které se používá při operacích srdce, dále posuv nosiče vzorků automatického laboratorního analyzátoru a axiální čerpadlo, které udržuje v dialyzačním přístroji krev v oběhu. Tak co, dokáže kuličkový šroub splnit veškeré nároky vaší aplikace?
V dalších řádcích budete seznámeni se základními informacemi o kuličkových šroubech a dále se zaměříme na volitelná provedení a poslední vývoj v této oblasti. Uvedeme rovněž některé všeobecné zásady pro volbu kuličkového šroubu pro aplikace a článek doplníme kontrolním seznamem kritických faktorů a klíčových ukazatelů, jejichž splnění je zárukou dosažení optimálního výkonu. Také bychom vám měli usnadnit najít odpověď na otázky a ulehčit projednávání požadavků s možným dodavatelem.
Základní informace o kuličkových šroubech
Základní sestava kuličkového šroubu se skládá ze šroubu poháněného motorem, matice a zařízení zajišťujícího oběh kuliček. Na rozdíl od kluzných šroubů, které se vyznačují vyšším součinitelem tření a nižší účinností, přemění kuličkový šroub zpravidla cca 90 % točivého momentu motoru na axiální posuvnou sílu.
K této vysoké účinnosti přispívá hřídel s přesnou válcovanou nebo broušenou šroubovou drážkou, která je vyrobena po celé délce hřídele, a matice s odpovídajícím vnitřní drážkou. Drážka na hřídeli má v podstatě funkci vnitřní oběžné dráhy a drážka v matici odpovídá vnější oběžné dráze, po níž se odvalují přesné ocelové kuličky. Kuličky, které se pohybují v drážce mezi hřídelí a maticí, vyvolávají lineární pohyb hřídele nebo matice v závislosti na požadavcích aplikace. Takové řešení zajišťuje minimální mechanické opotřebení a spolehlivou funkci po celou dobu trvanlivosti šroubu.
Jedním z nejdůležitějších dílů každého kuličkového šroubu je zařízení, které vrací kuličky, jež dosáhly konce oběžné dráhy uvnitř matice, zpátky na začátek dráhy a zajistí tak jejich oběh. Zpravidla je k tomu účelu určena vnější vratná trubka, která spojuje konec matice s jejím začátkem a tím uzavírá okruh obíhajících kuliček. Vnější vratná trubka však může být poškozena při montáži, a proto jsou v současné době vyvíjena alternativní řešení. Jedno z nejúčinnějších řešení představuje kuličkový šroub s vestavěným systémem „bez vratné trubky“, s takzvanými „vložkami“. Toto řešení využívá vodicí čepy, které rychle odebírají kuličky na konci drážky matice, vracejí je na začátek a tím uzavírají okruh obíhajících kuliček.
Kuličkové šrouby umožňují efektivním způsobem řešit lineární pohyb v nejrůznějších aplikacích, a proto jsou nabízeny z různých materiálů a v různých provedeních. Např. hřídel se šroubovou drážkou, matice, kuličky a systém oběhu kuliček jsou zpravidla vyráběny z uhlíkové nebo nerezové kalené ocele, zatímco v některých případech jsou použity jiné speciální materiály a kompozitní vložky, aby bylo možné splnit zvláštní požadavky aplikace.
Kuličkové šrouby jsou nabízeny v palcových i metrických rozměrech. Metrické kuličkové šrouby jsou vyráběny v průměrech od 6 mm se stoupáním závitu od 2 mm. Kuličkové šrouby palcových rozměrů mají nejmenší průměr ¼" a stoupání od 0,100" do 1 000". Dále lze volit délku šroubu, nestandardní velikosti, předepjaté matice, speciální uspořádání a speciální materiály.
Volba vhodného kuličkového šroubu pro aplikaci
Při přípravě výběru kuličkového šroubu pro navrhovaný systém lze snadno přehlédnout některý požadavek se zásadním významem. Každé takové opomenutí může negativně ovlivnit funkci a dodatečné odstranění chyby bývá velmi nákladné. Je tedy vhodné zvážit všechny kritické faktory související s konkrétní aplikací. Z tohoto důvodu je dále uveden jednoduchý kontrolní seznam, který vám má připomenout, jaká hlediska byste měli v ideálním případě vzít v úvahu při návrhu konstrukce s kuličkovým šroubem.
Kontrolní seznam kritických požadavků aplikace
Zatížení: podrobný zatěžovací profil pro příslušnou aplikaci.
Rychlost: požadovaná lineární rychlost a otáčky.
Zrychlení: požadované zrychlení.
Provozní cyklus: požadovaný provozní cyklus.
Hnací točivý moment: požadované limitní hodnoty hnacího momentu.
Prostředí: požadavky na pracovní prostředí, které musí být splněny.
Přesnost stoupání: požadovaná přesnost stoupání.
Trvanlivost: požadovaná trvanlivost kuličkového šroubu.
Tuhost: požadovaná tuhost systému.
Opakovatelnost: požadovaná opakovatelnost.
Hlučnost: maximální hlučnost.
Další faktory
V této fázi je třeba zvážit i případné další požadavky, jako např. typ maziva a ochranný povlak, jímž musí být z určitého důvodu vodicí šroub opatřen. Tyto nároky však nemají v tomto okamžiku takový význam v porovnání s kritickými požadavky, které jsou uvedeny výše. Zvláštní pozornost je však třeba věnovat dvěma dalším faktorům - první je vůle v závitu a druhý představují ložiska pro uložení kuličkových šroubů.
Vůle v závitu
I když je kuličkový šroub v klidu, dochází vždy k určitému axiálnímu pohybu mezi šroubem a maticí. Tento pohyb se nazývá vůle v závitu a její velikost se zpravidla pohybuje kolem 70 um, avšak podle potřeby může být i menší. Nežádoucí vůle se většinou projeví při změně směru zatížení a výsledné posunutí vyvolá chybu polohy.
Obvyklá metoda pro odstranění vůle je zavedení předpětí do kuličkového šroubu. Tím se zvýší tuhost, odstraní se axiální vůle a současně se zlepší spolehlivost a přesnost polohování. Předpětí se dosáhne použitím předepjaté matice. Axiální síla může být vyvinuta dělenou/tandemovou maticí nebo použitím matice s kuličkami s kladnou tolerancí.
Je-li šroub umístěn ve svislé poloze, nepředstavuje nežádoucí vůle v závitu problém, protože zatížení stlačuje matici dolů a zajišťuje její stálý kontakt se šroubem. Přesnost je zajištěna bez ohledu na to, zda je závaží šroubem zdvíháno nebo spouštěno. Další výhoda aplikace, která vykonává svislý pohyb, spočívá v menším točivém momentu, který je potřebný pro spouštění závaží dolů a který je nižší než při zdvíhání závaží. To znamená, že v některých případech lze použít menší motor. Vždy je však nutné brzdit šroubový hřídel motorem, aby nedošlo k přeběhu.
Ložiska pro uložení kuličkových šroubů
Pokud je kuličkový šroub používán v lékařském nebo laboratorním zařízení, otáčky hřídele a maximální zatížení závisejí na použitých ložiscích pro uložení kuličkových šroubů. Jednořadá kuličková ložiska se vyznačují dobrou radiální tuhostí, avšak tuhost v axiálním směru je nedostatečná. Tuhost v obou směrech může být dosažena použitím pevných podpěr s dvojicí ložisek s kosoúhlým stykem.
Některé typy pevných podpěr umožňují podepřít hřídel na jednom konci, zatímco druhý zůstane volný (nepodepřený). Aplikace zpravidla určuje, jaký typ podpěry je nutný pro dosažení optimální funkce.
Tři způsoby zajištění přesnosti polohy
I když jste se řídili kontrolním seznamem a zvážili oba výše uvedené faktory, je třeba věnovat pozornost dalším třem hlediskům, pokud chcete dosáhnout přesného a opakovatelného polohování.
Tepelná roztažnost
Systematické chyby polohy vyvolané tepelnou roztažností šroubové hřídele lze odstranit udržováním konstantní provozní teploty šroubu. Udržování konstantní teploty dále umožňuje zvolit mazivo, které zvýší stabilitu a zaručí optimální výkon. Další možnost, jak odstranit takovou chybu, spočívá v úpravě softwaru a změně uložení.
Chyba stoupání
Přesnost stoupání kuličkového šroubu je definována jako rozdíl mezi teoretickou a skutečnou polohou ve stanoveném počtu bodů v celém rozsahu pracovního zdvihu. Tato chyba může být obzvláště problematická v případě, že aplikace využívá dva kuličkové šrouby uložené rovnoběžně. Pokud mohou být oba šrouby řízeny nezávisle řídicí jednotkou lineárního pohybu, lze tento problém odstranit, zatímco v opačném případě je nutné vybrat dva šrouby se shodným stoupáním.
Tuhost systému
Obvyklá cesta pro zvýšení tuhosti nebo odstranění vůle v závitu je použití šroubu s předepjatou maticí. To se však může projevit zvýšením hnacího momentu, pokud výstupní síla je nízká ve srovnání s velikostí předpětí. Z toho důvodu je doporučeno přesně kalibrovat předpětí s přesností, čímž na jedné straně omezíte vedlejší účinky tření vyvolané předpětím a na druhé straně dosáhnete potřebné tuhosti.
Pomocná ruka
Kritické požadavky vaší aplikace a další doporučení uvedená v tomto článku vám poskytnou potřebnou jistotu pro jednání s výrobcem. Ve většině případů se můžete spolehnout, že zvolený kuličkový šroub splní požadavky vaší aplikace. Jestliže si chcete být naprosto jisti, že jste nic nepřehlédli, můžete vždy kontaktovat zkušeného výrobce a získat výrobek s výkonem, který skutečně potřebujete.
Autor: Ing. Josef Thüring, SKF Ložiska, a.s.
www.skf.cz