أنظمة إعادة الكرات، واختيار لولب الكرات، وتزييت لولب الكرات.

إن تحديد برغي الكرة المناسب لتطبيق معين سيضمن دقة الماكينة وقابليتها للتكرار وعمرها الافتراضي مع تقليل التكلفة الإجمالية للملكية.

يحوّل محرك البرغي الكروي الحركة الدورانية إلى حركة خطية أو العكس، ويمكنه تطبيق أو تحمّل أحمال دفع عالية - تصل إلى 750,000 رطل كحد أقصى للقدرة الساكنة باستخدام مجموعة برغي كروي بقطر 6 بوصات - بكفاءة تتجاوز عادةً 90%. تساعد البراغي الكروية في توجيه ودعم وتحديد مواقع المكونات والمنتجات وتحريكها بدقة في مجموعة واسعة من تطبيقات الأتمتة.

يتكون محرك لولبي كروي من لولب كروي وصامولة كروية مزودة بمحامل كروية دوارة. يتم التوصيل بين اللولب والصامولة بواسطة محامل كروية تدور في أماكنها المخصصة داخل اللولب والصامولة. يتوزع الحمل الواقع على اللولب على عدد كبير من المحامل الكروية، مما يقلل الحمل الواقع على كل كرة. وبفضل عناصر الدوران، يتميز المحرك اللولبي الكروي بمعامل احتكاك منخفض للغاية، وهو ما يُترجم إلى كفاءة ميكانيكية عالية.

يكمن الفرق الرئيسي بين براغي الكرات وبراغي الرصاص في استخدام محامل كروية دوارة في برغي الكرات لتقليل الاحتكاك وزيادة الكفاءة. تُعدّ براغي الكرات أغلى ثمناً من براغي الرصاص، لكن قدرتها على تحمل أحمال عالية، وتحقيق سرعات عالية، وعمر افتراضي طويل، تجعلها تستحق تكلفتها الإضافية في العديد من التطبيقات.

تتميز محركات اللولب الكروي بكفاءة ميكانيكية تتجاوز 90%، لذا غالبًا ما يتم تعويض تكلفتها بانخفاض متطلبات الطاقة. وتُعدّ زيادة قدرة التحميل، وطول العمر، والموثوقية العالية للولب الكروي من مزاياها مقارنةً باللولب الرصاصي.

قابلية التكرار والدقة

تُقاس الدقة بمدى اقتراب نظام الحركة من موضع التحكم، وتُعرَّف بأنها أقصى خطأ بين الموضع المتوقع والموضع الفعلي. أما التكرارية، فتُعرَّف بأنها قدرة نظام تحديد المواقع على العودة إلى موضع محدد أثناء التشغيل. توفر محركات براغي الكرات تكرارية ممتازة (يعتمد الخلوص على قطر محمل الكرات، ولكنه يتراوح عادةً بين 0.005 و0.015 بوصة) ودقة عالية (±0.004 بوصة/قدم لبراغي الكرات الدقيقة و±0.0005 بوصة/قدم لبراغي الكرات المصنفة "دقيقة للغاية").

دقة الخطوة هي المقياس الأكثر شيوعًا لدقة براغي الكرات. تشير الخطوة إلى المسافة التي تقطعها صامولة الكرة غير الدوارة مع دورة كاملة (360 درجة) للبرغي. تُقاس دقة الخطوة كنسبة التباين المسموح بها في الحركة (الموضع الفعلي مقابل الموضع النظري) لكل قدم أو لكل 300 مم. تتوفر براغي الكرات بنوعين: الدقة الفائقة والنقل، حيث يتحكم النوع الأول بدقة في تراكم خطأ الخطوة على طول مسار الحركة بالكامل.

الخلوص هو الحركة الحرة بين الصامولة والبرغي، ويمكن قياسه محوريًا وشعاعيًا. أفضل طريقة لقياس الخلوص المحوري هي تثبيت البرغي ومنعه من الحركة، ثم دفع وسحب صامولة الكرات محوريًا مع قياس حركتها باستخدام مؤشر قياس. يمكن أيضًا قياس الخلوص بوضع مؤشر قياس على صامولة الكرات في النظام وتحريكها بوصة واحدة للأمام والخلف إلى موضعها الأصلي. الانحراف عن الصفر هو الخلوص. التكرارية هي ببساطة القيمة الكمية للخلوص في برغي الكرات.

تحتوي صامولة الكرات غير المحملة مسبقًا على خلوصات داخلية بين مكوناتها، مما يعني وجود رد فعل عكسي. أما صامولة الكرات المحملة مسبقًا فلا تحتوي على خلوص محوري، وبالتالي تُزيل رد الفعل العكسي وتزيد من الصلابة. كما يزيد التحميل المسبق من عزم الدوران المطلوب لتدوير البرغي، ويُقاس بنسبة التحميل المسبق إلى السعة الديناميكية (صامولة كرات بسعة ديناميكية 1500 رطل ومعدل تحميل مسبق 10% يكون لها تحميل مسبق داخلي 150 رطل). تُستخدم براغي الكرات ذات الخيوط الدقيقة عادةً بدون تحميل مسبق. يُحسّن التحميل المسبق لبرغي الكرات من قابلية التكرار عن طريق إزالة رد الفعل العكسي، ولكنه لا يؤثر على الدقة.

تتوفر صواميل الكرات المحملة مسبقًا في براغي الدقة العالية وبعض منتجات براغي الدقة. وتكون تكلفتها أعلى من الصواميل غير المحملة مسبقًا نظرًا لتعقيدها، والحاجة إلى عمليات تشغيل وتجميع إضافية، بالإضافة إلى التحقق والقياس. يمكن تحميل مجموعات براغي الكرات مسبقًا بتكوينات صامولة مزدوجة أو مفردة. هناك ثلاثة أنواع رئيسية للتحميل المسبق: صامولة مفردة ذات كرة كبيرة الحجم (4 نقاط تلامس)، وصامولة مفردة ذات تباعد (نقطتا تلامس)، وصامولة مزدوجة (نقطتا تلامس). يحافظ التحميل المسبق بصامولة مفردة على أصغر حجم ممكن مع الحفاظ على سعة التحميل الكاملة. تتمتع صواميل الكرات ذات التباعد بنصف سعة الصواميل المفردة ذات الحجم المماثل، حيث يتم تحميل نصف محامل الكرات فقط في كل اتجاه. تتمتع مجموعات التحميل المسبق بصامولتين بنفس سعة التحميل للصامولة المفردة، حيث يتم تحميل صامولة كرة واحدة فقط في كل اتجاه.

تتعدد طرق تصنيع براغي الكرات، إلا أنها تُصنف عادةً إلى فئتين رئيسيتين: براغي دقيقة وبراغي دقيقة مُحسّنة. يُصنع مسار برغي الكرات ذي الخيوط الدقيقة بعملية الدرفلة على البارد، بينما تُصنع الصامولة آليًا لتتوافق مع أداء البرغي. توفر هذه الطريقة دقة متوسطة، تصل إلى ±0.004 بوصة/قدم في دقة الخطوة لبراغي سلسلة النقل البوصة. أما برغي وصامولة براغي الكرات ذات الخيوط الدقيقة المُحسّنة، فيُصنعان بعملية الطحن الدقيق. توفر هذه البراغي دقة أعلى بكثير، تصل إلى ±0.0005 بوصة/قدم في دقة الخطوة لبراغي سلسلة النقل البوصة المُحسّنة. وتكون تكلفة براغي الكرات ذات الخيوط الدقيقة المُحسّنة أعلى من تكلفة البراغي الدقيقة نظرًا لطول وقت التصنيع.

أنظمة إعادة الكرة

تُستخدم ثلاثة أنواع مختلفة من أنظمة إعادة الكرات بشكل شائع. أنابيب الإعادة الخارجية، التي تُستخدم عادةً في البراغي ذات البوصة، اقتصادية وسهلة التركيب والصيانة والإصلاح. أنظمة الإعادة الداخلية ذات الأزرار تُستخدم عادةً في البراغي ذات اللولب المنخفض. وهي صغيرة الحجم، ولا تحتوي على نتوءات شعاعية خارجية تُعقّد عملية التركيب، كما أنها تُصدر ضوضاء واهتزازات أقل من أنظمة الإعادة الخارجية. تُستخدم أنظمة الإعادة الداخلية ذات الأزرار غالبًا في التجميعات ذات نقاط التلامس الأربع، والصامولة الواحدة، والتحميل المسبق. أنظمة الإعادة الداخلية ذات الأغطية الطرفية تُستخدم عادةً في البراغي ذات اللولب العالي. وهي صغيرة الحجم ولا تحتوي على نتوءات شعاعية خارجية تُعقّد عملية التركيب. كما أن مستوى الضوضاء والاهتزازات فيها منخفض مقارنةً بأنظمة الإعادة الخارجية.

اختيار برغي كروي

يُفضّل اختيار مجموعة لولب الكرات التي توفر سعة التحميل والعمر الافتراضي المطلوبين لتطبيق معين من خلال عملية تكرارية. تُستخدم بيانات حمل التصميم، واتجاه النظام، وطول الحركة، والعمر الافتراضي المطلوب، والسرعة المطلوبة لتحديد قطر لولب الكرات وخطوة الدوران. بعد ذلك، يتم اختيار مكونات لولب الكرات الفردية بناءً على متطلبات الدقة والتكرارية، والقيود البُعدية، وتكوين التركيب، ومتطلبات الطاقة المتاحة، والظروف البيئية.

ابدأ بتحديد دقة التموضع وقابلية التكرار المطلوبة للتطبيق. تُصنع براغي الكرات البوصة بنوعين رئيسيين: براغي النقل وبراغي الدقة الفائقة. تُستخدم براغي النقل في التطبيقات التي تتطلب حركة تقريبية فقط أو تلك التي تستخدم التغذية الراجعة الخطية لتحديد الموقع. أما براغي الدقة الفائقة، فتُستخدم حيث يكون تحديد الموقع بدقة وقابلية تكرار عالية أمرًا بالغ الأهمية. تسمح براغي النقل بتفاوت تراكمي أكبر على طول البرغي الفعال. بينما تحتوي براغي الدقة الفائقة على تراكم خطأ التوجيه لضمان تحديد الموقع بدقة على طول البرغي الفعال بالكامل.

حدد كيفية تركيب مجموعة لولب الكرات في الآلة. سيحدد شكل دعامات النهاية ومسافة الحركة حدود الحمل والسرعة للولب.

يمكن لمسمار كروي تحت الشد تحمل أحمال تصل إلى السعة المقدرة للصامولة. أما بالنسبة للصامولة الكروية تحت الضغط، فيُرجى استخدام جدول أحمال الضغط المتوفر من الشركة المصنعة لاختيار قطر المسمار الكروي الذي يفي أو يتجاوز حمل التصميم. جميع المسامير ذات المنحنيات التي تمر عبر النقطة المرسومة أو فوقها أو إلى يمينها، على سبيل المثال، مناسبة للتطبيق الموضح في المثال التالي. يجب ألا تتجاوز أحمال الضغط المناسبة الموضحة في هذا الرسم البياني أقصى سعة حمل ثابت كما هو موضح في جدول التصنيف لمجموعة الصامولة الكروية الفردية. وبالتالي، عند طول 85 بوصة (2159 مم)، وحمل نظام يبلغ 30000 رطل (133500 نيوتن)، مع تثبيت أحد الطرفين ودعم الطرف الآخر، فإن الحد الأدنى للاختيار هو مجموعة مسمار كروي بدقة 1.750 × 0.200 بوصة.

احسب خطوة لولب الكرة التي ستنتج السرعة المطلوبة باستخدام الصيغة التالية.

المسافة المقطوعة (بوصة) = معدل السفر (بوصة/دقيقة)/دورة في الدقيقة

تحديد العمر الافتراضي للتطبيق

يمكن حساب عمر التجميع باستخدام تصنيف الحمل الديناميكي المحدد لكل صامولة كروية. جميع الصواميل الكروية ذات المنحنيات التي تمر بالنقطة الموضحة أو تتجاوزها مناسبة لهذا المثال. يجب ألا تتجاوز أعمار التجميع الموضحة في هذا الرسم البياني أقصى سعة للحمل الساكن كما هو موضح في جدول التصنيف الخاص بكل صامولة كروية. في هذا المثال، يبلغ العمر الافتراضي المطلوب للتطبيق (إجمالي الحركة) مليوني بوصة (50.8 مليون مليمتر). وبالتالي، يبلغ أقصى حمل تشغيل عادي 10000 رطل (44500 نيوتن).

تحديد السرعة الحرجة للبرغي

سرعة البرغي الحرجة هي الحالة التي تبدأ عندها سرعة دوران المجموعة بإحداث اهتزازات توافقية. وتعتمد هذه السرعة على قطر جذر البرغي، وطوله غير المدعوم، وتكوين دعامة النهاية. في معظم جداول الشركات المصنعة، تُعتبر جميع البراغي ذات المنحنيات التي تمر عبر النقطة المرسومة أو فوقها أو إلى يمينها مناسبة للمثال التالي. تُظهر رسومات تثبيت النهاية الأربعة تكوينات المحامل لدعم عمود دوار، ويُبين الجدول تأثير هذه الشروط على سرعة العمود الحرجة لطول البرغي غير المدعوم. تنطبق السرعات المقبولة الموضحة في هذا الرسم البياني على عمود البرغي المُختار، ولا تُشير إلى السرعات التي يُمكن تحقيقها لجميع مجموعات صواميل الكرات المرتبطة بها.

إذا أكدت حسابات الحمل والعمر الافتراضي والسرعة أن مجموعة لولب الكرات المختارة تفي بمتطلبات التصميم أو تتجاوزها، فانتقل إلى الخطوة التالية. وإلا، فإن استخدام لوالب ذات قطر أكبر سيزيد من قدرة التحميل ويرفع معدل السرعة. أما استخدام لوالب ذات خطوة أصغر فسيؤدي إلى انخفاض السرعة الخطية (بافتراض ثبات سرعة محرك الإدخال)، وزيادة سرعة المحرك (بافتراض ثبات السرعة الخطية)، وانخفاض عزم الدوران المطلوب. في المقابل، فإن استخدام لوالب ذات خطوة أكبر سيؤدي إلى زيادة السرعة الخطية (بافتراض ثبات سرعة محرك الإدخال)، وانخفاض سرعة محرك الإدخال (بافتراض ثبات السرعة الخطية)، وزيادة عزم الدوران المطلوب.

حدد كيفية ربط صامولة الكرة بالتطبيق. تُعدّ شفة صامولة الكرة الطريقة الشائعة لربطها بالحمل. وتُعتبر صواميل الكرة الملولبة وصواميل الكرة الأسطوانية بدائل أخرى لتوفير هذا الربط.

تعمل صواميل الكرات المحملة مسبقًا على إزالة رد فعل النظام العكسي وزيادة صلابته. تحمي مجموعات الماسحات المجموعة من الملوثات وتحتوي على مواد تشحيم. كما تتوفر دعامات المحامل وعمليات تشكيل الأطراف لمعظم براغي الكرات.

يجب التعامل مع براغي الكرات بحذر قبل تركيبها بشكل صحيح. قد تؤدي الصدمات التي تتعرض لها محامل الكرات إلى تلف حلقات المحامل نتيجةً للتآكل أو التشقق. كما أن الأحمال العالية أو انحناء البرغي قد يؤدي إلى انحنائه. من المهم الحفاظ على المجموعة مغلفة ومُشحّمة ومخزنة في مكان نظيف وجاف، لأن الأوساخ والملوثات قد تعيق مسارات إعادة التدوير، كما أن الرطوبة العالية أو المطر قد يتسببان في التآكل.

يُعدّ تركيب النظام أحد الاعتبارات المهمة الأخرى. يجب تحميل صامولة الكرة محوريًا فقط، لأن أي تحميل شعاعي يُقلل بشكل كبير من أداء المجموعة. كما يجب محاذاة المجموعة بشكل صحيح مع نظام القيادة ودعامات المحامل والحمل لتحقيق الأداء الأمثل وعمر أطول.

تزييت لولب الكرة

يجب عدم تشغيل مجموعة لولب الكرات بدون تزييت مناسب. تحافظ مواد التشحيم على ميزة الاحتكاك المنخفض لمجموعات لولب الكرات عن طريق تقليل مقاومة التدحرج بين الكرات والأخاديد والاحتكاك الانزلاقي بين الكرات المتجاورة.

يمكن تطبيق الزيت بمعدل تدفق مضبوط مباشرةً إلى نقطة الحاجة، حيث يعمل على تنظيف الملوثات أثناء مروره عبر صامولة الكرة. كما يوفر التبريد. من ناحية أخرى، يلزم وجود مضخة ونظام قياس لتطبيق الزيت بشكل صحيح، إذ أن الزيت قد يُلوث سوائل العملية.

الشحم أقل تكلفةً ويتطلب استخدامًا أقل تكرارًا من الزيت، كما أنه لا يُلوِّث سوائل العملية. مع ذلك، يصعب الاحتفاظ بالشحم داخل صامولة الكرة، ويميل إلى التراكم عند نهايات مسار حركة صامولة الكرة، حيث تتراكم عليه الرقائق والجسيمات الكاشطة. قد يُسبب عدم توافق الشحم القديم مع شحم إعادة التشحيم مشكلة، لذا من المهم التحقق من التوافق. يُمكن أن يُساعد الشحم المُخصَّص لتحمُّل الأحمال على إطالة عمر التجميع، لكن قدرة التحميل الإجمالية لن تتغير.