بال اسکرو (Ball Screw) چیست‌؟

بال اسکرو (ball screw) یک سیستم مکانیکی است که برای تبدیل حرکت دورانی به حرکت خطی استفاده می‌شود. برای کسب اطلاعات بیشتر راجع به این قطعه مکانیکی و دانستن تاریخچه و ویژگی‌های ظاهری آن می‌توانید به مقاله بال اسکرو چیست مراجعه کنید. برای انتخاب درست یک قطعه مکانیکی مانند این قطعه لازم است که اتواع بال اسکرو را به خوبی بشناسید و بدانید که هر یک از مدل‌ها در چه صنایعی کاربرد دارد و از نظر تکنولوژی ساخت چگونه است. 

در این مقاله بال اسکروها (ball screw) و انواع آن‌ها را از نظر ویژگی‌های مختلف و کاربرد آن‌ها بررسی و سعی کرده‌ایم دسته‌بندی‌های درستی برای آن‌ها ارائه کنیم. هر کدام از انواع مختلف بال اسکرو در جای خود مناسب و برای سیستم­‌های طراحی شده کاربرد دارند و هرکدام دارای مزایا و معایبی هستند.

 

 

 

 

انواع بال اسکرو از نظر تکنولوژی ساخت

بال اسکروها از نظر تکنولوژی ساخت به چهار دسته تقسیم میی‌شوند. در برخی از موارد این دسته بندی مهم‌ترین نوع دسته بندی است که باید به آن توجه شود.

• بال اسکرو مینیاتور (Miniature ball screws)

• بال اسکرو نورد شده (Rolled ball screws)

• بال اسکرو سنگ خورده یا سنگ‌ زنی شده (Ground ball screws)

• بال اسکروهای دقیق (Precision ball screws)

بال اسکرو مینیاتور 

بال اسکرو مینیاتوری یکی از انواع بال اسکرو است که برای فضای کوچک یا نیازمند دقت بالا در فضای محدود استفاده می‌شود. این نوع از بال اسکرو در قطرهای 3 تا 16 میلیمتر به بازار عرضه می‌شود و اصطکاک کم را در کنار دقت بالا ارائه می‌دهد. البته باید بدانید که ظرفیت بار این بال اسکرو نسبتا پایین است؛ این نوع  برای استفاده در لیزرها، دستگاه‌های اندازه‌گیری، نیمه هادی‌ها، ابزارهای پزشکی، وسایل آزمایشگاهی و میکروالکترونیک و سایر وسایل کوچک که به حرکت خطی صاف و دقیق  احتیاج دارند، مشهور است.

بال اسکرو نورد شده 

علت این نامگذاری این است که از ابتدا به‌ صورت قطعه‌ها و ورقه‌های فلزی، از طریق نورد سرد تشکیل شده‌اند. در روش رولینگ ابتدا پیچ خام به میزان زیادی حرارت داده شده و سپس بین غلتک‌های مخصوص قرار گرفته و رزوه مورد نظر روی آن ایجاد می­‌شود.

از مزایا آن می‌توان به بهره‌‌مندی از دقت مکان‌یابی چند هزارم اینچ در هر گام، طول عمر بالا، قابلیت حرکت روان اشاره کرد که بیش‌تر برای کاربردهایی با دقت کم و با قیمت پایین ساخته می‌شوند.  سطح این نوع از بال اسکروها معمولا صاف بوده و این دستگاه‌ها را می‌توان برای کاربردهایی با ظرفیت بار کم تا متوسط یا سرعت بالا مورداستفاده قرار داد. این روش برای تولید انبوه مناسب است و قیمت تمام شده بال اسکرو را کاهش می‌دهد.

بال اسکرو سنگ خورده یا سنگ‌ زنی شده 

این بال اسکروها در سه مرحله ساخته می‌شوند: ماشین‌کاری، سخت‌کاری سطحی و سنگ زنی. این سنگ زنی در ماشین‌­های ریسندگی با سرعت چرخش بالا که با مواد ساینده پوشش داده می‌شوند، صورت می‌گیرد. این روش به بهترین حالت ممکن سبب می‌گردد تا بال اسکرو در برابر درجه حرارت‌هایی که به طور معمول شکل آن‌ها را تحریف کرده و باعث کاهش کارایی آن‌ها می‌شود، مقاومت کند. این دسته از بال اسکروها برای کاربردهایی که نیاز به دقت بالایی ندارند، بلکه سختی و مقاومت برای آن‎ها در اولویت است، بهتر عمل می‌کنند.  معمولا این دستگاه‌ه ظرفیت بارگذاری بیشتری دارند و برای مواردی با سفتی بالا استفاده می‌شوند.

در روش سنگ ‌زنی، رزوه‌ها طی یک فرآیند سایشی بسیار دقیق شکل می‌گیرند به همین دلیل دقت پیچ‌های تولید شده به روش سنگ‌ زنی به مراتب از نمونه مشابه با روش تولید رولینگ بیشتر است. البته باید توجه داشته باشید که قیمت پیچ‌هایی که به روش سنگ زنی تولید می‌شوند، به میزان قابل توجهی بیشتر خواهد بود.

بال اسکروهای دقیق 

دسته گسترده‌­تری از بال اسکروها که دارای دقت و صحت بسیار بالایی هستند. این نوع از بال اسکروها با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته تولید می‌شود و استحکام محوری بسیار بالایی دارند. برای کاربردهایی که به دقت مکان‌یابی، دقت قرارگیری و تکرار پذیری بالا نیازمندند، از این نوع بال اسکرو استفاده می‌شود.

 این نوع اصطکاک کمی‌ داشته و مقاومت خوبی در برابر سایش از خود نشان می‌دهد. در مواردی مانند تولید نیمه‌هادی‌ها و سیستم‌های هوافضا که نیاز به دقت در حد میکرون دارند، می‌توان از این بال اسکروها استفاده کرد.

بررسی انواع بال اسکرو از نظر دقت

بال اسکرو ها بر اساس دقت به شش کلاس تقسیم می‌شوند و دقت آن‌ها بر اساس استاندارد DIN و ISO ، ANSI و JIS ارزیابی میگردد. کلاس دقت در سری C0-C5 بر اساس موقعیت و ویژگی های خطی و در سری های C7-C10 در خطای فاصله ی حرکتی (300 میلی متر) تعریف می‌شود. اما می‌توان دسته‌بندی ساده‌تری هم برای سنجش دقت بال‌اسکروها در نظر گرفت. در کل بال اسکرو را می‌توان به دو دسته کلی دقیق و بال اسکرو با دقت معمولی تقسیم کرد.

• بال اسکروهای دقیق برای کاربردهایی که به دقت بالا نیاز دارند، مانند ماشین‌های CNC، استفاده می‌شود.
• بال اسکروهای با دقت معمولی برای کاربردهایی که به دقت بالا نیاز ندارند، مانند بالابرها، استفاده می‌شود.

انواع بال اسکرو از نظر نوع مهره

دقت بال اسکرو براساس خطای حرکتی، در مقیاس طولی که مهره به همراه بال اسکرو طی می‌کند اندازه گیری می‌شود.  دقت بال اسکرو بر حسب “میلیمتر” در هر 300 mm و یا اینچ در هر فوت بیان می‌شود. بر اساس قرار داد هر چه میزان این عدد یا این نرخ پائین تر باشد به معنای خطای کمتر حرکتی و بنابراین دقت بیشتر است.  به معنای دیگر ، کلاس 1 پیچ به از کلاس 7 پیچ دقیق‌تر است. البته دقت بالاتر کلاس 1  هزینه ی بیشتر و زمان تولید بیشتر ، چیزی در حدود 10 هفته را به همراه دارد.

در حالت کلی مهره‌های بال اسکرو به از نظر ظاهر و نوع عملکرد به دو دسته تقسیم می‌شوند:

 

مهره‌های ذوزنقه‌ای 

این نوع مهره ارزان‌تر از مهره‌های ساچمه‌ای است، اما اصطکاک بیشتری دارد و حرکت آن دقیق نیست.

 

مهره‌های ساچمه‌ای 

این نوع مهره رایج‌ترین نوع مهره برای بال اسکرو است. مهره‌های ساچمه‌ای اصطکاک کمی دارند و حرکت روان و دقیقی را ارائه می‌دهند. در هنگام خرید بال اسکرو دقت کنید که بال اسکروهای شرکت تام باهر همگی از نوع ساچمه ای هستند. این نوع از مهره‌ها خود به سه دسته تقسیم می‌شوند:

• نوع return-pipe : در این سری ساچمه ها حرکت رفت و برگشتی دارند (circulating).
• نوع deflector : در این سری که یک مهر فشرده است، ساچمه ها سیر چرخش خود را به وسیله یک deflector ( منحرف کننده ) تغییر می‌دهند، پیرامون شفت به حرکت درمی آیند و سپس به موقعیت اولیه خود باز می‌گردند.
• نوع End-cap : این سری به منظور پشروی سریع بسیار مناسب است. ساچمه ها از بخش end-cap شروع به حرکت میکنند و از داخل کانال جا به جا شده و سیکل چرخشی را طی مینمایند.

تقسیم‌بندی دیگری نیز برای مهره‌های بال اسکروها وجود دارد که آن‌ها را از نظر مکانیزم بازگرداننده ساچمه‌­ها دسته بندی می‌کند.

• بال اسکرو با سیستم چرخشی داخلی
• بال اسکرو با سیستم چرخشی خارجی
• بال اسکرو با طول گام فوق بلند

هر کدام از بال اسکروهای فوق کارایی خاص خود را دارند و شما می­‌توانید با توجه به نیاز خود آن­ها را خریداری و استفاده نمایید.

آشنایی با دسته بندی بال اسکرو از نظر بار و پیش بار

 بال اسکروها از نظر میزان باری که می‌توانند تحمل کنند به دو دسته سنگین و سبک تقسیم بندی می‌شوند:

• بال اسکروهای با بار سبک برای کاربردهایی که بار کمی دارند، مانند چاپگرهای سه‌بعدی، استفاده می‌شود.
• بال اسکروهای با بار سنگین برای کاربردهایی که بار زیادی دارند، مانند پرس‌های صنعتی، به کار می‌روند.

بال اسکروها از نظر پیش بار هم به دو دسته قابل تقسیم هستند:

• بال اسکروهای با پیش بار صفر: این نوع بال اسکرو هیچ پیش‌بارگذاری ندارد و برای کاربردهایی که به دقت بالا نیاز دارند، مانند ماشین‌های اندازه‌گیری، استفاده می‌شود.
• بال اسکروهای با پیش بار: این نوع بال اسکرو برای کاربردهایی که به دقت بالا نیاز ندارند، اما به استحکام و سفتی بیشتری نیاز دارند، مانند جک‌های بالابر، استفاده می‌شود.

تقسیم بندی بال اسکرو از نظر طول محور پیچ

بال اسکروها از نظر اندازه طول پیچ به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند که هرکدام کاربردهای خاص خودش را دارد.

• بال اسکروهای کوتاه: از این نوع بال اسکرو برای کاربردهایی که فضای کمی دارند، مانند ربات‌ها، استفاده می‌شود.
• بال اسکروهای بلند: این نوع بال اسکرو در کاربردهایی که به حرکت خطی بلند نیاز دارند، مانند ماشین‌های CNC، کاربرد دارند.

بررسی بال اسکروها از نظر جنس

برای تولید بال اسکرو از مواد اولیه متفاوتی استفاده می‌شود که با توجه به ویژگی‌های هرکدام از آن‌ها کاربردهای متفاوتی در بال اسکرو ایجاد می‌شود.

از رایج‌ترین مواد اولیه به کار رفته در تولید بال اسکرو می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• فولاد: این نوع بال اسکرو رایج‌ترین نوع بال اسکرو است و برای کاربردهای عمومی استفاده می‌شود.
• استنلس استیل: این نوع بال اسکرو برای کاربردهایی که به مقاومت در برابر خوردگی نیاز دارند، مانند صنایع غذایی و دارویی، استفاده می‌شود.
• آلومینیوم: این نوع بال اسکرو سبک‌تر از بال اسکروهای فولادی و استنلس استیل است و برای کاربردهایی که به وزن کم نیاز دارند، مانند هواپیماها، استفاده می‌شود. 

انواع بال اسکرو از نظر شکل ظاهری

انواع بال اسکرو به اشکال و انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. در زیر، به برخی از انواع رایج بال اسکروها اشاره خواهم کرد:

• بال اسکرو استوانه‌ای (Acme Screw): بال اسکرو استوانه‌ای یکی از رایج‌ترین انواع بال اسکروها است. در این نوع، پروفیل استوانه‌ای روی سطح پیچ تشکیل می‌شود که با استفاده از مهره، حرکت طولی ایجاد می‌کند.
• بال اسکرو کوپل (Ball Screw): بال اسکرو کوپل یک نوع پیچ و مهره است که در آن، بین پیچ و مهره، یک یا چند توپ قرار دارد. این توپ‌ها به عنوان المان‌های غلتکی عمل کرده و اصطکاک را کاهش داده و دقت و راندمان بالا را فراهم می‌کنند.
• بال اسکرو خمشی (Flexible Screw): بال اسکرو خمشی دارای یک پروفیل بال اسکرو خمیده است که باعث ایجاد حرکت طولی می‌شود. این نوع بال اسکرو برای کاربردهایی که نیاز به انعطاف‌پذیری بیشتری دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• بال اسکرو خالص (Lead Screw): بال اسکرو خالص شباهت زیادی به بال اسکرو استوانه‌ای دارد. با این حال، در بال اسکرو خالص، عملکرد حرکت توسط پیچ ایجاد می‌شود و بالای بال اسکرو هیچ سیستم غلتکی وجود ندارد.
• بال اسکرو خطی (Linear Screw): بال اسکرو خطی یک نوع بال اسکرو است که به جای حرکت چرخشی، حرکت خطی را ایجاد می‌کند. این نوع بال اسکرو برای سیستم‌های خطی و ماشین‌کاری CNC استفاده می‌شود.
• بال اسکرو سپری بال اسکرو توأم (Tandem Screw): یک نوع ویژه از بال اسکرو است که از دو بال اسکرو کوپل استفاده می‌کند که به صورت پشت سر هم قرار گرفته‌اند. این ساختار، امکان انتقال بار بیشتر و افزایش قدرت و دقت را فراهم می‌کند. با استفاده از بال اسکرو توأم، می‌توان بارهای سنگین‌تر را حرکت داد و دقت و قدرت سیستم را بهبود بخشید.

سایر مدل‌­های بال اسکرو

در بازار، مدل‌های مختلفی از بال اسکرو با برندهای متفاوت موجود است و شما می‌توانید بر اساس نوع کارکرد خود، آن‌ها را انتخاب کنید.. ازجمله:

• بال اسکرو سنگین یا Heavy Duty Ball Screw: بال اسکروهای سنگین معمولا برای تحمل بارهای محوری زیاد و صنایع سنگین ماننددستگاه‌های CNC بزرگ، کمپرسورهای هوا، دستگاه‌های تولید انواع متریال نیمه‌هادی و دستگاه‌های تولید آهنگری استفاده می‌شوند.
• بال اسکرو با سرعت بالا یا High Speed Ball Screw: 
  بال اسکروهای با سرعت بالا در مواردی استفاده می‌شوند که نیاز به سرعت و شتاب زیاد وجود داشته باشد. این دستگاه‌ها علیرغم داشتن سرعت زیاد، لرزش و صدای بسیار کمی‌ دارند و در مراکز برش که نیاز به سرعت زیاد در قسمت ساینده دارند یا برش‌های طولی دقیق و سریع را می‌خواهند، استفاده می‌شوند.
• بال اسکرو خنک شده یا Cooled Ball Screw: این نوع بال اسکرو سرعت بالایی دارد و در آن برای دستیابی به سرعت و دقت بالا، از ماشین ابزارهای پرسرعت استفاده می‌شود. مهره بال اسکرو در این دستگاه‌ها دارای نقش بسیار مهمی‌ است و می‌تواند از انبساط حرارتی ایجادشده در سرعت‌های بالا جلوگیری کند. در این مدل، معمولا یک منبع خنک کننده هم در قسمت پایین قرار می‌گیرد که باعث می‌شود در سرعت‌های بالا، حرارت زیادی ایجاد نشود و اختلالی در عملکرد دستگاه به وجود نیاید.
• بال اسکرو با مهره چرخان یا Nut Rotating Ball Screw: در ساختار بال اسکرو با مهره چرخان، Ball nut و Ball screw به طور کامل با هم ادغام شده اند و یک ساختار یکپارچه دارند، در نتیجه انتقال خطی و تبدیل حرکت به صورت همزمان انجام می‌شود. این مدل از انواع بال اسکرو در ربات‌های صنعتی، ماشین‌های نجاری، ماشین‌های پردازش لیزری و دستگاه‌های انتقال استفاده می‌شوند.
• بال اسکرو خود روان کننده یا Self lubricating ball screw: بال اسکرو خود روان کننده نیازی به روانکاری جداگانه خطوط یا تجهیزات و در نتیجه خرید یا تصفیه روغن ندارد. به همین دلیل هزینه‌های نگهداری بسیار کمی‌ داشته و در مواردی استفاده می‌شود که دسترسی به دستگاه برای روغنکاری دشوار است.
• بال اسکرو بی صدا یا Silent Ball Screw: در بال اسکرو بی صدا، ساچمه‌ها دارای اسپیسرهایی با شیار مخصوص هستند که می‌تواند صدای ناشی از برخورد میان توپ‌ها و سایش ناشی از آن‌ها را مهار کند. و در این حالت، حرکت بال اسکرو بسیار روانتر و کاملا بدون صدا است.