Un husillo de bolas (o ballscrew ) es un actuador lineal mecánico que convierte el movimiento rotatorio en movimiento lineal con poca fricción . Un eje roscado proporciona una pista helicoidal para los rodamientos de bolas que actúan como un tornillo de precisión. Además de poder aplicar o soportar altas cargas de empuje, pueden hacerlo con una fricción interna mínima. Están fabricados con tolerancias estrechas y, por lo tanto, son adecuados para aplicaciones de alta precisión. El conjunto de bolas actúa como tuerca, mientras que el eje roscado es el tornillo.
A diferencia de los husillos convencionales , los husillos de bolas tienden a ser bastante voluminosos, debido a la necesidad de tener un mecanismo para recircular las bolas.
El tornillo de bola fue inventado independientemente por HM Stevenson y D. Glenn, a quienes se les concedieron en 1898 las patentes 601.451 y 610.044 respectivamente.
Los primeros ejes de husillo de precisión se produjeron comenzando con un eje de husillo de baja precisión y luego lapeando el eje con varias vueltas de tuerca accionadas por resorte [ cita requerida ] . Al reorganizar e invertir las vueltas de tuerca, se promediaron los errores longitudinales de las tuercas y el eje. Luego, el paso muy repetible de la
La baja fricción en los husillos de bolas produce una alta eficiencia mecánica en comparación con las alternativas. Un husillo de bolas típico puede tener una eficiencia del 90 por ciento, frente al 20 o 25 por ciento de eficiencia de un husillo Acme de igual tamaño. La falta de fricción deslizante entre la tuerca y el tornillo permite una mayor vida útil del conjunto del husillo (especialmente en sistemas sin holgura), lo que reduce el tiempo de inactividad para mantenimiento y reemplazo de piezas, al tiempo que disminuye la demanda de lubricación. Esto, combinado con sus beneficios generales de rendimiento y los requisitos de energía reducidos, puede compensar los costos iniciales de usar husillos de bolas.
Los husillos de bolas también pueden reducir o eliminar el juego común en las combinaciones de husillo y tuerca. Las bolas pueden estar precargadas de modo que no haya "movimientos" entre el husillo y la tuerca de bolas. Esto es particularmente deseable en aplicaciones donde la carga sobre el husillo varía rápidamente, como las máquinas herramienta.
Debido a su altísima eficiencia mecánica, especialmente en comparación con los husillos tradicionales, los husillos de bolas pueden ser accionados en sentido inverso (es decir, una fuerza lineal aplicada directamente a la tuerca puede inducir una rotación del eje, un efecto contraproducente para la mayoría de los usos). Si bien esto suele tener consecuencias limitadas para las aplicaciones motorizadas, e incluso potencialmente proporciona un leve efecto protector en algunos casos, generalmente los hace inadecuados para su aplicación en sistemas accionados manualmente, como las máquinas herramienta alimentadas a mano . El par estático y el control digital de un servomotor apropiado pueden resistir y compensar, pero los mecanismos accionados a mano requerirían mecanismos adicionales para evitar comportamientos indeseables. Dicho comportamiento indeseable podría variar desde la simple pérdida de control de la máquina, como la autoalimentación (la herramienta de la máquina provoca el movimiento de los ejes sin la entrada de control del operador), hasta casos potencialmente peligrosos en los que una fuerza inesperada podría transmitirse hasta las extremidades de un operador y plantear un riesgo de lesión. Debido a que un husillo de avance ordinario resiste o incluso prohíbe dicha operación inversa, son inherentemente más seguros y confiables para el uso manual. La magnitud de la fuerza necesaria para hacer retroceder un tornillo de avance Acme normalmente sería suficiente para destruir el mecanismo, inmovilizando la máquina y absorbiendo cualquier fuerza peligrosa antes de que pudiera representar un riesgo para un operador.
Las bolas circulantes viajan dentro de la forma de rosca del tornillo y la tuerca, y las bolas se recirculan a través de varios tipos de mecanismos de retorno. Si la tuerca de bolas no tuviera un mecanismo de retorno, entonces las bolas se caerían del extremo de la tuerca de bolas cuando llegaran al extremo de la tuerca. Por esta razón, se han desarrollado varios métodos de recirculación diferentes. Una tuerca de bolas externa emplea un tubo estampado que recoge las bolas de la pista mediante el uso de un pequeño dedo de recogida. Las bolas viajan dentro del tubo y luego se vuelven a colocar en la pista de la rosca. Una tuerca de bolas de botón interno emplea un retorno de estilo botón mecanizado o fundido que permite que las bolas salgan de la pista de la pista y se muevan una rosca para luego volver a ingresar a la pista. Una tuerca de bolas de retorno de tapa terminal emplea una tapa en el extremo de la tuerca de bolas. La tapa está mecanizada para recoger las bolas que salen del extremo de la tuerca y dirigirlas hacia los orificios que están perforados transversalmente a lo largo de la tuerca de bolas. La tapa complementaria en el otro lado de la tuerca dirige las bolas de regreso a la pista. Las bolas de retorno no están sometidas a una carga mecánica significativa y el recorrido de retorno puede incorporar piezas de plástico de baja fricción moldeadas por inyección .
Un husillo de bolas implica muchas más piezas e interacciones de superficie que muchos sistemas similares. Mientras que un husillo básico se compone únicamente de un eje macizo y una tuerca maciza con geometrías de acoplamiento sencillas, un husillo de bolas requiere contornos curvos formados con precisión y conjuntos de varias piezas para facilitar la acción de las bolas de apoyo. Esto hace que sean más costosos de fabricar y, a veces, de mantener, y ofrece más posibilidades de fallos si el aparato no recibe el cuidado adecuado.
con la entrada rotatoria accionada de forma convencional, o
Si la fuerza lineal está impulsando hacia atrás el sistema.
En estas ecuaciones, es el par aplicado al tornillo o a la tuerca, es la fuerza lineal aplicada, es el paso del husillo de bolas y es la eficiencia del husillo de bolas. La selección de la norma que se utilizará es un acuerdo entre el proveedor y el usuario y tiene cierta importancia en el diseño del husillo. En los Estados Unidos, ASME ha desarrollado la norma B5.48-1977 titulada "Husillos de bolas".
La correcta evaluación de las curvaturas de las ranuras de los husillos de bolas permite diseñar con precisión los parámetros constructivos de este mecanismo y mejorar su rendimiento. La formulación comúnmente utilizada en la literatura se refiere a la geometría del rodamiento de bolas, ignorando la forma del perfil de la sección y el ángulo de hélice. En particular, la primera curvatura principal se calcula para la ranura del eje del husillo y para la ranura de la tuerca, donde φ es el ángulo de contacto, es el radio del círculo primitivo y es el radio de la bola. La segunda curvatura principal es simplemente para la ranura del eje del husillo y para la ranura de la tuerca, donde y son, respectivamente, los factores de conformidad de los perfiles de ranura del eje del husillo y de la tuerca. Estas formulaciones no tienen en cuenta la forma de los perfiles de ranura y la presencia del ángulo de hélice: publicaciones más recientes encontraron la solución exacta para la curvatura de las ranuras del eje del husillo y de la tuerca. Una nueva investigación propone una nueva formulación que aproxima los valores de curvatura reales con un error relativo máximo de aproximadamente el 0,5%. [1] Por lo tanto, una fórmula mucho más precisa para la primera curvatura principal de la ranura del eje del tornillo es y para la ranura de la tuerca, donde es el ángulo de la hélice.
Para mantener su precisión inherente y garantizar una larga vida útil, es necesario tener mucho cuidado para evitar la contaminación con suciedad y partículas abrasivas. Esto se puede lograr utilizando fuelles de goma o cuero para encerrar total o parcialmente las superficies de trabajo. Otra solución es utilizar una presión positiva de aire filtrado cuando se utilizan en un recinto semisellado o abierto.
Al tiempo que reducen la fricción, los husillos a bolas pueden funcionar con cierta precarga, eliminando de manera efectiva el juego entre la entrada (rotación) y la salida ( movimiento lineal ). Esta característica es esencial cuando se utilizan en sistemas de control de movimiento controlados por computadora, como las máquinas herramienta CNC y las aplicaciones de movimiento de alta precisión (como la unión por cable ).
Para obtener una acción de rodadura adecuada de las bolas, como en un rodamiento de bolas estándar, es necesario que, cuando se carga en una dirección, la bola haga contacto en un punto con la tuerca y en otro punto con el tornillo. En la práctica, la mayoría de los tornillos de bolas están diseñados para ser ligeramente precargados, de modo que haya al menos una ligera carga sobre la bola en cuatro puntos, dos en contacto con la tuerca y dos en contacto con el tornillo. Esto se logra utilizando un perfil de rosca que tiene un radio ligeramente mayor que la bola, manteniéndose pequeña la diferencia de radios (por ejemplo, una simple rosca en V con caras planas no es adecuada) de modo que la deformación elástica alrededor del punto de contacto permita obtener una superficie de contacto pequeña, pero no nula, como cualquier otro rodamiento de elementos rodantes. Para ello, las roscas se mecanizan normalmente como un perfil de "arco gótico". Si se utilizara un perfil de rosca semicircular simple, el contacto solo se produciría en dos puntos, en los bordes exterior e interior, que no resistirían la carga axial.
Para eliminar el juego y obtener las características óptimas de rigidez y desgaste para una aplicación determinada, se suele aplicar una cantidad controlada de precarga. Esto se logra en algunos casos mecanizando los componentes de modo que las bolas queden "ajustadas" al ensamblarse; sin embargo, esto proporciona un control deficiente de la precarga y no se puede ajustar para tener en cuenta el desgaste. Es más común diseñar la tuerca de bolas como dos tuercas independientes que están acopladas mecánicamente de forma estrecha, con ajuste ya sea rotando una tuerca con respecto a la otra, creando así un desplazamiento axial relativo, o reteniendo ambas tuercas firmemente juntas axialmente y rotando una con respecto a la otra, de modo que su conjunto de bolas se desplace axialmente para crear la precarga.
Los ejes de husillos a bolas se pueden fabricar mediante laminación, lo que da como resultado un producto menos preciso pero económico y mecánicamente eficiente. Los husillos a bolas laminados tienen una precisión posicional de varias milésimas de pulgada por pie.
Los husillos de bolas se clasifican utilizando "grados de precisión" desde C0 (más preciso) hasta C10. [2] Los ejes de husillo de alta precisión suelen tener una precisión de una milésima de pulgada por pie (830 nanómetros por centímetro) o mejor. Históricamente se han mecanizado hasta obtener una forma bruta, se han cementado y luego se han rectificado. El proceso de tres pasos es necesario porque el mecanizado a alta temperatura distorsiona la pieza de trabajo. [3] El torneado duro es una técnica de mecanizado de precisión reciente (2008) que minimiza el calentamiento de la pieza y puede producir tornillos de precisión a partir de barras cementadas. [4] Los ejes de husillo de calidad instrumental suelen tener una precisión de 250 nanómetros por centímetro. Se producen en fresadoras de precisión con equipo de medición de distancia óptica y herramientas especiales. Se utilizan máquinas similares para producir lentes y espejos ópticos. Los ejes de husillo de instrumentos generalmente están hechos de Invar , para evitar que la temperatura cambie demasiado las tolerancias.
Los husillos a bolas se utilizan en aeronaves y misiles para mover superficies de control, especialmente para sistemas de control por cable eléctricos , y en la dirección asistida de automóviles para traducir el movimiento rotatorio de un motor eléctrico a un movimiento axial de la cremallera de dirección. También se utilizan en máquinas herramienta , robots y equipos de ensamblaje de precisión. Los husillos a bolas de alta precisión se utilizan en motores paso a paso para la fabricación de semiconductores .
Se utiliza un tornillo de bola para expandir la estructura del conjunto de torre desplegable (DTA) en el telescopio espacial James Webb . [ cita requerida ]
También está previsto utilizar un tornillo de bolas en el reactor de sodio de TerraPower como parte de su mecanismo de accionamiento de barra de control . [5]
Otra forma de actuador lineal basado en una varilla giratoria es el husillo de bolas sin rosca o "accionamiento de anillo rodante". En este diseño, tres o más cojinetes de anillo rodante están dispuestos simétricamente en una carcasa que rodea una varilla o eje de actuador liso (sin rosca). Los cojinetes están colocados en un ángulo con respecto a la varilla, y este ángulo determina la dirección y la velocidad del movimiento lineal por revolución de la varilla. Una ventaja de este diseño sobre el husillo de bolas o el husillo de avance convencionales es la eliminación práctica del juego y la carga causada por las tuercas de precarga.
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