बॉल स्क्रू

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दो बॉल स्क्रू दिखाते हुए फोटो। इनसेट इमेज टॉप स्क्रू की बॉल असेंबली की क्लोज-अप तस्वीरें हैं। लेफ्ट इनसेट: रीसर्क्युलेटिंग ट्यूब को रिटेनर ब्रैकेट, लूज बॉल और ट्यूब दिखाते हुए हटा दिया गया। राइट इनसेट: नट कैविटी का नज़दीकी दृश्य।

बॉल स्क्रू यांत्रिक रैखिक एक्ट्यूएटर(गति देनेवाला है) है जो घूर्णी गति को घर्षण के साथ रैखिक गति में परिवर्तित करता है। थ्रेडेड शाफ्ट बॉल बियरिंग के लिए पेचदार रेसवे प्रदान करता है जो उपयुक्त पेंच के रूप में कार्य करता है। उच्च थ्रस्ट लोड(जोर का भार) को लागू करने या झेलने में सक्षम होने के साथ-साथ वे न्यूनतम आंतरिक घर्षण के साथ ऐसा कर सकते हैं। अत्यधिक सहन क्षमता के लिए बनाये गए होते हैं इसलिए उन स्थितियों में उपयोग करने के लिए उपर्युक्त होते हैं जिनमे उच्च परिशुद्धता आवश्यक होती है। बॉल असेंबली नट के रूप में कार्य करती है जबकि थ्रेडेड शाफ्ट स्क्रू(पेंच) है।

परंपरागत सीसे का पेंच के विपरीत, बॉलस्क्रूज़ अपेक्षाकृत भारी होते हैं, क्योंकि बॉल्स को फिर से प्रसारित करने के लिए तंत्र की आवश्यकता होती है।

रोटेटिंग रॉड(घूमने वाली छड़) पर आधारित र्रैखिक गति देने वाला का दूसरा रूप थ्रेडलेस बॉल स्क्रू है, जिसे रोलिंग रिंग ड्राइव भी कहा जाता है। इस डिजाइन में, तीन (या अधिक) रोलिंग-रिंग बियरिंग्स को चिकनी (थ्रेडलेस) एक्ट्यूएटर(गति देनेवाला) छड़ या कड़ी के आस-पास के आवास में सममित रूप से व्यवस्थित किया जाता है। बीयरिंग रॉड के कोण पर समूह होते हैं, और यह कोण रॉड की प्रति चक्कर की रैखिक गति की दिशा और दर निर्धारित करता है। पारंपरिक बॉलस्क्रू या लीडस्क्रू (शीशे की पेंच) पर इस डिज़ाइन का फायदा प्रीलोड नट्स के कारण प्रतिक्रिया और भार का व्यावहारिक उन्मूलन है।

अनुप्रयोग

नियंत्रण सतहों को स्थानांतरित करने के लिए विमान और मिसाइलों में बॉल स्क्रू का उपयोग किया जाता है, विशेष रूप से तार (उड़ान नियंत्रण) द्वारा इलेक्ट्रिक फ्लाई के लिए, और ऑटोमोबाइल पॉवर स्टियरिंग में विद्युत् मोटर से स्टीयरिंग रैक की अक्षीय गति में रोटरी गति का अनुवाद करने के लिए होता है उनका उपयोग मशीनी औज़ार रोबोट और परिशुद्धता उपकरण में किया जाता है। अर्धचालक निर्माण के लिए स्टेपर में उच्च परिशुद्धता बॉल स्क्रू का उपयोग किया जाता है।

इतिहास

बॉल स्क्रू का आविष्कार एच.एम. स्टीवेंसन और डी. ग्लेन हैं जिन्हें 1898 में क्रमशः 601,451 और 610,044 पेटेंट(लाइसेंस) जारी किए गए थे।

प्रारंभिक परिशुद्धता स्क्रूशाफ्ट को कम-परिशुद्धता स्क्रूशाफ्ट के साथ प्रारम्भ करके और फिर कई स्प्रिंग-लोडेड नट लैप्स के साथ शाफ्ट को लैप करके बनाया गया था।^{[आवश्यक उद्धरण].} नट लैप्स को पुनर्व्यवस्थित और पलटने से, नट और शाफ्ट की लंबाई के अनुरूप त्रुटियों का औसत निकाला गया। फिर, बहुत दोहराने योग्य शाफ्ट की पिच(ऊंचाई) को दूरी मानक के विरुद्ध मापा जाता है। संदर्भ मानक स्क्रू शाफ्ट, या मास्टर मैन्युफैक्चरिंग(निर्माण) स्क्रू शाफ्ट का उत्पादन करने के लिए इसी तरह की प्रक्रिया का उपयोग कभी-कभी किया जाता है।^{[आवश्यक उद्धरण]} जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप पर डिप्लॉयबल टॉवर असेंबली (DTA) संरचना का विस्तार करने के लिए बॉल स्क्रू का उपयोग किया जाता है।

विवरण और संचालन

उनकी अंतर्निहित उपयुक्त ता को बनाए रखने और लंबे जीवन को सुनिश्चित करने के लिए, गंदगी और अपघर्षक कणों से अशुद्धता से बचने के लिए बहुत सावधानी की आवश्यकता होती है। यह कार्य की सतहों को पूर्णतया या आंशिक रूप से घेरने के लिए रबर या चमड़े की धौंकनी का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। अन्य उपाय यह है कि शुद्ध हवा के सकारात्मक दबाव का उपयोग किया जा सकता है जब उनका उपयोग अर्ध-सील या खुले बाड़े में किया जाता है।

घर्षण को कम करते हुए, बॉल स्क्रू कुछ प्रीलोड के साथ कार्य कर सकते हैं, इनपुट (रोटेशन) और आउटपुट (रैखिक गति) के बीच प्रतिक्रिया (गियर) (ढलान) को प्रभावी ढंग से समाप्त कर सकते हैं। यह सुविधा आवश्यक है जब उनका उपयोग कंप्यूटर नियंत्रित गति-नियंत्रण प्रणालियों में किया जाता है, उदाहरण के लिए, सीएनसी मशीन औजार और उच्च परिशुद्धता गति अनुप्रयोग (जैसे, तार का जोड़) में होता है ।

लाभ

बॉल स्क्रू में कम घर्षण विकल्प की तुलना में उच्च यांत्रिक दक्षता देता है। विशिष्ट बॉल स्क्रू 90 प्रतिशत कुशल हो सकता है,इसके विरूद्ध समान आकार के एक्मे लीड पेंच की 20 से 25 प्रतिशत दक्षता है। नट और पेंच बीच फिसलने वाले घर्षण की कमी स्क्रू असेंबली (विशेष रूप से नो-बैकलैश सिस्टम में) के विस्तारित जीवनकाल के लिए उधार देती है, रखरखाव और भागों के प्रतिस्थापन के लिए डाउनटाइम (बंद रहने का समय) को कम करती है, जबकि स्नेहन (चिकना करने वाली वस्तु) की मांग भी कम करती है। यह, उनके समग्र प्रदर्शन लाभ और कम बिजली की आवश्यकताओं के साथ मिलकर, बॉल स्क्रू का उपयोग करने की प्रारंभिक लागतों को पूरा कर सकता है।

बॉल स्क्रू भी लीड स्क्रू और नट संयोजनों में सामान्य बैकलैश को कम या समाप्त कर सकते हैं। बॉल्स को पहले से लोड किया जा सकता है जिससे बॉल स्क्रू और बॉल नट के बीच कोई झंझट न हो। यह उन अनुप्रयोगों में विशेष रूप से वांछनीय है जहां स्क्रू पर लोड तेजी से बदलता है, जैसे मशीन टूल्स है ।

नुकसान

उनके लीड कोण के आधार पर, बॉल स्क्रू को उनके कम आंतरिक घर्षण के कारण बैक-ड्राइव किया जाता है (अर्थात , बॉल नट को घुमाने के लिए स्क्रू शाफ्ट को रैखिक रूप से चलाया जा सकता है)। वे सामान्य तौर पर हाथ से खिलाए जाने वाले मशीन टूल्स के लिए अवांछनीय होते हैं, क्योंकि सर्वो मोटर की कठोरता कटर पर बनाये रखती है जिससे कार्य हो सके तथा स्वयं भोजन करना जबकि कटर तथा कार्यवस्तु अत्यधिक मिश्र धातु को बाहर फेकता है तथा जाम हो जाता है या उलझ जाता है जो कटर तथा कार्यवस्तु को बर्बाद कर देता है। लागत भी एक प्रमुख कारक है क्योंकि एक्मे थ्रेड फॉर्म पेंच निर्माण के लिए सस्ते हैं।

निर्माण

बॉल पेंच शाफ्ट को रोलिंग द्वारा गढ़ा जा सकता है, जिससे कम उपयुक्त , लेकिन सस्ती और यांत्रिक रूप से कुशल उत्पाद प्राप्त होता है। रोल्ड बॉल पेंच में इंच प्रति फुट के कई हजारवें हिस्से की स्थितीय उपयुक्त होती है।

उपयुक्त ता

उच्च-परिशुद्धता पेंच शाफ्ट सामान्य तौर पर एक इंच प्रति फुट (830 नैनोमीटर प्रति सेंटीमीटर) के एक हजारवें हिस्से के लिए उपयुक्त होते हैं। उन्हें ऐतिहासिक रूप से स्थूल आकार, सिमिंट लगाया हुआ और फिर आधार करने के लिए मशीनीकृत किया गया है। तीन चरण की प्रक्रिया की आवश्यकता है क्योंकि उच्च तापमान मशीनिंग कार्यवस्तु को विकृत करती है। हार्ड व्हर्लिंग वर्तमान समय में (2008) उपयुक्त मशीनिंग तकनीक है जो काम के ताप को कम करती है, और सिमिंट लगाया हुआ बार स्टॉक से उपयुक्त स्क्रू का उत्पादन कर सकती है। उपकरण गुणवत्ता पेंच शाफ्ट सामान्य तौर पर 250 नैनोमीटर प्रति सेंटीमीटर तक उपयुक्त होते हैं। वे उपयुक्त पिसाई मशीनों पर दृढ सबंधी दूरी मापने के उपकरण और विशेष टूलिंग के साथ उत्पादित होते हैं। ऑप्टिकल(प्रकाशीय) लेंस और दर्पण बनाने के लिए इसी तरह की मशीनों का उपयोग किया जाता है। यन्त्र पेंच स्क्रू शाफ्ट सामान्य तौर पर इन्वार से बने होते हैं, जिससे तापमान को सहनशीलता में बहुत अधिक बदलाव से रोका जा सके।

बॉल स्क्रू को C0 (सबसे उपयुक्त ) से C10 तक उपयुक्त ता ग्रेड का उपयोग करके वर्गीकृत किया गया है।

बॉल रिटर्न सिस्टम

परिसंचारी बॉल्स पेंच और नट के सूत्र के रूप में कार्य करती हैं, और बॉल्स को विभिन्न प्रकार के वापसी तंत्रों के माध्यम से पुन: परिचालित किया जाता है। यदि बॉल नट में रिटर्न मैकेनिज्म नहीं होता है तो बॉल नट के अंत तक पहुंचने से बाहर गिर जाएगी। इस कारण से कई अलग-अलग पुनरावर्तन विधियों का विकास किया गया है।

बाहरी बॉलनट स्टैम्प्ड ट्यूब का उपयोग करता है जो छोटी पिक-अप उंगली के उपयोग से रेसवे से बॉल्स को उठाता है। बॉल्स ट्यूब के अंदर यात्रा करते हैं और फिर वापस सूत्र रेसवे में बदल दिए जाते हैं।

आंतरिक बटन बॉलनट मशीनिंग या ढलाई बटन वापसी का उपयोग करता है जो बॉल्स को रेसवे ट्रैक से बाहर निकलने और सूत्र को स्थानांतरित करने और फिर रेसवे में फिर से प्रवेश करने की अनुमति देता है।

एक एंडकैप रिटर्न बॉल नट बॉल नट के अंत में एक कैप लगाता है। कैप को नट के अंत से निकलने वाली गेंदों को लेने के लिए मशीनीकृत किया जाता है और उन्हें उन छेदों के नीचे निर्देशित किया जाता है जो बोरिंग (निर्माण) होते हैं जो बॉलनट के नीचे ट्रांसवर्सली होते हैं। अखरोट के दूसरी तरफ पूरक टोपी गेंदों को रेसवे में वापस निर्देशित करती है।

लौटने वाली गेंदें महत्वपूर्ण यांत्रिक भार के अधीन नहीं हैं और वापसी पथ में इंजेक्शन ढाले हुए कम घर्षण वाले प्लास्टिक के हिस्से शामिल हो सकते हैं।

थ्रेड प्रोफाइल

गेंदों की उचित रोलिंग क्रिया प्राप्त करने के लिए, जैसा कि एक मानक बॉल बेयरिंग में होता है, यह आवश्यक है कि, जब एक दिशा में लोड किया जाता है, तो गेंद नट के साथ एक बिंदु पर और पेंच के साथ एक बिंदु पर संपर्क बनाती है। व्यवहार में, अधिकांश बॉल स्क्रू हल्के ढंग से पहले से लोड होने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, ताकि गेंद पर कम से कम चार बिंदुओं पर हल्का भार हो, दो नट के संपर्क में और दो स्क्रू के संपर्क में। यह एक थ्रेड प्रोफाइल का उपयोग करके पूरा किया जाता है जिसमें गेंद की तुलना में थोड़ा बड़ा त्रिज्या होता है, त्रिज्या में अंतर छोटा रखा जाता है (उदाहरण के लिए फ्लैट चेहरे वाला एक साधारण वी धागा अनुपयुक्त है) ताकि संपर्क के बिंदु के चारों ओर लोचदार विरूपण एक छोटा हो सके, लेकिन गैर-शून्य संपर्क क्षेत्र प्राप्त करने के लिए, किसी अन्य रोलिंग तत्व असर की तरह। यह अंत करने के लिए, थ्रेड्स को आमतौर पर गॉथिक आर्च प्रोफाइल के रूप में तैयार किया जाता है। यदि एक साधारण अर्धवृत्ताकार थ्रेड प्रोफाइल का उपयोग किया जाता है, तो बाहरी और भीतरी किनारों पर संपर्क केवल दो बिंदुओं पर होगा, जो अक्षीय लोडिंग का विरोध नहीं करेगा।

प्रीलोडिंग

दिए गए एप्लिकेशन के लिए बैकलैश को हटाने और अनुकूलतम कठोरता और विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए, प्रीलोड की नियंत्रित मात्रा सामान्य तौर पर लागू होती है। यह कुछ स्थिति में घटकों को मशीनिंग द्वारा पूरा किया जाता है जैसे कि इकट्ठा होने पर बॉल्स चुस्त दुरुस्त होती हैं, चूँकि यह प्रीलोड का खराब नियंत्रण देता है। बॉल नट को प्रभावी ढंग से दो अलग-अलग नट के रूप में डिजाइन करना अत्यधिक सामान्य है जो यंत्रवत् रूप से कसकर युग्मित होते हैं, या तो नट को दूसरे के संबंध में घुमाकर समायोजन किया जाता है, जिससे सापेक्ष अक्षीय विस्थापन होता है, या दोनों नटों को अक्षीय प्रकार से एक साथ कसकर और घुमाकर बनाए रखा जाता है। एक दूसरे के संबंध में, जिससे प्रीलोड बनाने के लिए बॉल्स का समूह अक्षीय रूप से विस्थापित हो सकता है ।

समीकरण

$T={\frac {Fl}{2\pi \nu }}$

पारंपरिक तरीके से रोटरी इनपुट ड्राइविंग के साथ, या

$F={\frac {2\pi \nu T}{l}}$

रैखिक बल प्रणाली को बैकड्राइव कर रहा है

जहाँ${\mathit {T}}$ पेंच या नट पर लगाया गया बल आघूर्ण है, ${\mathit {F}}$ रैखिक बल लगाया जाता है, ${\mathit {l}}$ बॉल स्क्रू लीड है, और $\nu$ बॉल पेंच दक्षता है।

उपयोग किए जाने वाले मानक का चयन आपूर्तिकर्ता और उपयोगकर्ता के बीच समझौता है और पेंच के डिजाइन में इसका महत्व है। संयुक्त राज्य अमेरिका में, ASME ने बॉल स्क्रू नामक B5.48-1977 मानक विकसित किया है।

नाली वक्रता

बॉल स्क्रू खांचे की वक्रता का सही मूल्यांकन इस तंत्र के रचनात्मक मापदंडों को उपयुक्त प्रकार से डिजाइन करने और इसके प्रदर्शन को बढ़ाने की अनुमति देता है। सामान्यतः साहित्य में प्रयुक्त सूत्रीकरण बॉल बेयरिंग ज्यामिति को संदर्भित करता है, अनुभाग के प्रोफाइल के आकार और हेलिक्स कोण(कुण्डलिनी कोण) की अनदेखी करता है।

मुख्य रूप से, पहले प्रमुख वक्रता की गणना इस प्रकार की जाती है

$$\kappa _{1s}={\frac {\cos(\varphi )}{r_{m}-r_{b}\cos(\varphi )}}$$

पेंच शाफ्ट नाली के लिए, और के रूप में

$$\kappa _{1n}=-{\frac {\cos(\varphi )}{r_{m}+r_{b}\cos(\varphi )}}$$

नट ग्रूव के लिए, जहां φ संपर्क कोण है, $r_{m}$ पिच वृत्त त्रिज्या है और $r_{b}$ बॉल त्रिज्या है।

दूसरा वक्रता सरल है

$$\kappa _{2s}=-{\frac {1}{2f_{s}r_{b}}}$$

पेंच शाफ्ट नाली के लिए और

$$\kappa _{2n}=-{\frac {1}{2f_{n}r_{b}}}$$

नट के खांचे के लिए, जिसमें $f_{s}$ और $f_{n}$ क्रमशः स्क्रू शाफ्ट और नट के नाली प्रोफाइल के अनुरूप कारक हैं।

यह सूत्रीकरण नाली प्रोफाइल के आकार और हेलिक्स कोण (कुण्डलिनी कोण) की उपस्थिति को ध्यान में नहीं रखता है: कुछ समय पहले के प्रकाशनों ने पेंच शाफ्ट और नट के खांचे के वक्रता के लिए उपयुक्त समाधान पाया। नया शोध,नए सूत्रीकरण का प्रस्ताव करता है जो लगभग 0.5% की अधिकतम सापेक्ष त्रुटि के साथ वास्तविक वक्रता मानों का अनुमान लगाता है। अतः, पेंच शाफ्ट खांचे के पहले मुख्य वक्रता के लिए अधिक उपयुक्त सूत्र है

$$\kappa _{1s}={\frac {\cos(\varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e})}{r_{m}-r_{b}\cos(\varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e})}}$$

और

$$\kappa _{1n}=-{\frac {\cos(\varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e})}{r_{m}+r_{b}\cos(\varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e})}}$$

नट नाली के लिए, जहाँ $\alpha _{e}=\arctan \left({\frac {l}{2\pi r_{m}}}\right)$ हेलिक्स कोण है।

यह भी देखें

• Ball spline
• Jackscrew
• Leadscrew
• Linear actuator
• Linear-motion bearing
• Recirculating ball
• Roller screw