Thermal Elastic Model for Ball Screws

Abstract

Fusos de esferas recirculantes são mecanismos que convertem movimento rotacional em movimento translacional. Esses consistem de três componentes básicos – fuso, castanha e esferas. Fusos de esferas são amplamente usados em máquinas-ferramenta, robôs e equipamentos de montagem de precisão. A principal vantagem destes componentes ́e a sua alta precisão de posicionamento, que ́e influenciada por inúmeros parâmetros, entre os quais a rigidez axial. Em altas velocidades, os efeitos térmicos são condições fundamentais relacionadas à precisão de posicionamento e estabilidade dinâmica. O aumento da temperatura e o gradiente térmico entre o parafuso, as esferas e as porcas resultam em variações geométricas e, consequentemente, variações na rigidez axial. Assim, este trabalho apresenta uma estratégia de modelagem numérica para prever a rigidez axial em sistemas de fusos de esferas devido a variações de temperatura utilizando um modelo baseado em análises termo-elásticas por elementos finitos (FEA) para fusos de esferas recirculantes. Para o validamento do modelo, um experimento prático e um sistema de monitoramento foram desenvolvidos a fim de se reproduzir condições reais de operação destes mecanismos e também para a aquisição de valores reais de deslocamento e força.

Ball screws are mechanisms that convert rotational motion into translational motion. These consist of three basic components - screw, nut and balls in a thread between them. Ball screws are widely used in machine tools, robots and precision assemblies equipment.

The main advantage of these components is the high positioning accuracy, that is in- fluenced by numerous parameters, among which is the axial stiffness. At high speeds,

thermal effects are fundamental conditions related to positioning accuracy and dynamic stability. The temperature increase and the thermal gradient between the screw, the balls and the nuts result in geometrical variations and, consequently, variations in the axial stiffness. Thus, this work presents a numerical modelling strategy to predict the axial

stiffness in ball screws systems due to temperature variations using a thermal-elastic fi- nite element analyses (FEA)-based model for double nut-ball screw drives. For the survey

of the model, a practical experiment and a monitoring system were developed in order to reproduce the real operating conditions of these mechanisms and also for the acquisition of real values of displacement and force.