बॉल स्क्रू

एक बॉल स्क्रू (या बॉलस्क्रू) एक यांत्रिक रैखिक एक्ट्यूएटर है जो घूर्णी गति को थोड़े घर्षण के साथ रैखिक गति में परिवर्तित करता है। एक थ्रेडेड शाफ्ट बॉल बियरिंग के लिए एक पेचदार रेसवे प्रदान करता है जो एक सटीक पेंच के रूप में कार्य करता है। उच्च थ्रस्ट लोड को लागू करने या झेलने में सक्षम होने के साथ-साथ वे न्यूनतम आंतरिक घर्षण के साथ ऐसा कर सकते हैं। वे करीबी सहनशीलता के लिए बने होते हैं और इसलिए उन स्थितियों में उपयोग के लिए उपयुक्त होते हैं जिनमें उच्च परिशुद्धता आवश्यक होती है। बॉल असेंबली नट के रूप में कार्य करती है जबकि थ्रेडेड शाफ्ट स्क्रू है। परंपरागत सीसे का पेंच के विपरीत, बॉलस्क्रूज़ अपेक्षाकृत भारी होते हैं, क्योंकि गेंदों को फिर से प्रसारित करने के लिए एक तंत्र की आवश्यकता होती है।

रोटेटिंग रॉड 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 एक चिकनी (थ्रेडलेस) एक्ट्यूएटर रॉड या शाफ्ट के आस-पास के आवास में सममित रूप से व्यवस्थित किया जाता है। बीयरिंग रॉड के कोण पर सेट होते हैं, और यह कोण रॉड की प्रति क्रांति की रैखिक गति की दिशा और दर निर्धारित करता है। पारंपरिक बॉलस्क्रू या लीडस्क्रू पर इस डिज़ाइन का एक फायदा प्रीलोड नट्स के कारण बैकलैश और लोडिंग 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 इलेक्ट्रिक मोटर से स्टीयरिंग रैक की अक्षीय गति में रोटरी गति का अनुवाद करने के लिए। उनका उपयोग मशीनी औज़ार्स, रोबोट और सटीक असेंबली उपकरण में भी किया जाता है। सेमीकंडक्टर निर्माण के लिए स्टेपर में उच्च परिशुद्धता बॉल स्क्रू का उपयोग किया जाता है।

इतिहास
बॉल स्क्रू का आविष्कार स्वतंत्र रूप से एच.एम. स्टीवेंसन और डी. ग्लेन जिन्हें 1898 में क्रमशः 601,451 और 610,044 पेटेंट जारी किए गए थे।

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

विवरण और संचालन
उनकी अंतर्निहित सटीकता को बनाए रखने और लंबे जीवन को सुनिश्चित करने के लिए, गंदगी और अपघर्षक कणों से संदूषण से बचने के लिए बहुत सावधानी की आवश्यकता होती है। यह काम की सतहों को पूरी तरह या आंशिक रूप से घेरने के लिए रबर या चमड़े की धौंकनी का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। एक अन्य उपाय यह है कि फ़िल्टर्ड हवा के एक सकारात्मक दबाव का उपयोग किया जाए जब उनका उपयोग अर्ध-सील या खुले बाड़े में किया जाए।

घर्षण को कम करते हुए, बॉल स्क्रू कुछ प्रीलोड के साथ काम 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 टूल्स और उच्च परिशुद्धता गति अनुप्रयोग (जैसे, तार का जोड़)।

लाभ
बॉल स्क्रू में कम घर्षण विकल्प की तुलना में उच्च यांत्रिक दक्षता देता है। एक विशिष्ट बॉल स्क्रू 90 प्रतिशत कुशल हो सकता है, बनाम समान आकार के एक्मे लीड स्क्रू की 20 से 25 प्रतिशत दक्षता। नट और स्क्रू के 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 को कम करती है, जबकि स्नेहन 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 ऑफसेट कर सकता है।

बॉल स्क्रू भी लीड स्क्रू और नट संयोजनों में आम बैकलैश को कम या समाप्त कर सकते हैं। गेंदों को पहले से लोड किया जा सकता है ताकि 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।

नुकसान
उनके लीड एंगल के आधार पर, बॉल स्क्रू को उनके कम आंतरिक घर्षण के कारण बैक-ड्राइव किया जा सकता है (यानी, बॉल नट को घुमाने के लिए स्क्रू शाफ्ट को रैखिक रूप से चलाया जा सकता है)। वे आम तौर पर हाथ से खिलाए जाने वाले मशीन टूल्स के लिए अवांछनीय होते हैं, क्योंकि सर्वो मोटर की कठोरता के लिए कटर को काम को हथियाने और आत्म-खिलाने से रोकने की आवश्यकता होती है, यानी, जहां कटर और वर्कपीस इष्टतम फीडरेट से अधिक हो जाते हैं और प्रभावी रूप से एक साथ जाम या क्रैश हो जाते हैं।, कटर और वर्कपीस को बर्बाद करना। लागत भी एक प्रमुख कारक है क्योंकि एक्मे थ्रेड फॉर्म स्क्रू निर्माण के लिए सस्ते हैं।

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

सटीकता
उच्च-परिशुद्धता स्क्रू शाफ्ट आमतौर पर एक इंच प्रति फुट (830 नैनोमीटर प्रति सेंटीमीटर) के एक हजारवें हिस्से या बेहतर के लिए सटीक होते हैं। उन्हें ऐतिहासिक रूप से स्थूल आकार, मुश्किल से भरा मसला और फिर ग्राउंड करने के लिए मशीनीकृत किया गया है। तीन चरण की प्रक्रिया की आवश्यकता है क्योंकि उच्च तापमान मशीनिंग कार्य-पीस को विकृत करती है। हार्ड व्हर्लिंग एक हालिया (2008) सटीक मशीनिंग तकनीक है जो काम के ताप को कम करती है, और केस-हार्ड बार स्टॉक से सटीक स्क्रू का उत्पादन कर सकती है। उपकरण गुणवत्ता पेंच शाफ्ट आमतौर पर 250 नैनोमीटर प्रति सेंटीमीटर तक सटीक होते हैं। वे सटीक मिलिंग मशीनों पर ऑप्टिकल दूरी मापने के उपकरण और विशेष टूलिंग के साथ उत्पादित होते हैं। ऑप्टिकल लेंस और दर्पण बनाने के लिए इसी तरह की मशीनों का उपयोग किया जाता है। इंस्ट्रूमेंट स्क्रू शाफ्ट आमतौर पर इन्वार से बने होते हैं, ताकि तापमान को सहनशीलता में बहुत अधिक बदलाव से रोका जा सके।

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

बॉल रिटर्न सिस्टम
परिसंचारी गेंदें पेंच और अखरोट के धागे के रूप में यात्रा करती हैं, और गेंदों 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 पर बॉल नट के अंत से बाहर गिर जाएगी। इस कारण से कई अलग-अलग पुनरावर्तन विधियों का विकास किया गया है।

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

एक आंतरिक बटन बॉलनट एक मशीनिंग या कास्टिंग बटन स्टाइल रिटर्न का उपयोग करता है जो गेंदों को रेसवे ट्रैक से बाहर निकलने और एक धागे 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
किसी दिए गए एप्लिकेशन के लिए बैकलैश को हटाने और इष्टतम कठोरता और पहनने की विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए, प्रीलोड की नियंत्रित मात्रा आमतौर पर लागू होती है। यह कुछ मामलों में घटकों को मशीनिंग द्वारा पूरा किया जाता है जैसे कि इकट्ठा होने पर गेंदें चुस्त दुरुस्त होती हैं, हालांकि यह प्रीलोड का खराब नियंत्रण देता है, और पहनने की अनुमति देने के लिए समायोजित नहीं किया जा सकता है। बॉल नट को प्रभावी ढंग से दो अलग-अलग नट के रूप में डिजाइन करना अधिक आम है जो यंत्रवत् रूप से कसकर युग्मित होते हैं, या तो एक नट को दूसरे के संबंध में घुमाकर समायोजन किया जाता है, जिससे एक सापेक्ष अक्षीय विस्थापन होता है, या दोनों नटों को अक्षीय रूप से एक साथ कसकर और घुमाकर बनाए रखा जाता है। एक दूसरे के संबंध में, ताकि प्रीलोड बनाने के लिए गेंदों का सेट अक्षीय रूप से विस्थापित हो जाए।

समीकरण

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

पारंपरिक तरीके से रोटरी इनपुट ड्राइविंग के साथ, या
 * $$F=\frac{2\pi\nu T}{l}$$

अगर रैखिक बल सिस्टम को बैकड्राइव कर रहा है

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

उपयोग किए जाने वाले मानक का चयन आपूर्तिकर्ता और उपयोगकर्ता के बीच एक समझौता है और पेंच के डिजाइन में इसका कुछ 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 सटीक रूप से डिजाइन करने और इसके प्रदर्शन को बढ़ाने की अनुमति देता है। आमतौर पर साहित्य में प्रयुक्त सूत्रीकरण बॉल बेयरिंग ज्यामिति को संदर्भित करता है, अनुभाग के प्रोफाइल के आकार और हेलिक्स कोण की अनदेखी करता है।

विशेष 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 सर्कल त्रिज्या है और $$r_b$$ गेंद त्रिज्या है।

दूसरा प्रमुख वक्रता सरल है$$\kappa_{2s} = -\frac{1}{2f_sr_b}$$पेंच शाफ्ट नाली के लिए और $$\kappa_{2n} = -\frac{1}{2f_nr_b}$$अखरोट के खांचे के लिए, जिसमें $$f_s$$ और $$f_n$$ क्रमशः स्क्रू शाफ्ट और अखरोट के नाली प्रोफाइल के अनुरूप कारक हैं।

यह फॉर्मूलेशन नाली प्रोफाइल के आकार और हेलिक्स कोण की उपस्थिति को ध्यान में नहीं रखता है: हाल के प्रकाशनों ने पेंच शाफ्ट और अखरोट के खांचे के वक्रता के लिए सटीक समाधान पाया। एक नया शोध एक नए फॉर्मूलेशन का प्रस्ताव करता है जो लगभग 0.5% की अधिकतम सापेक्ष त्रुटि के साथ वास्तविक वक्रता मानों का अनुमान लगाता है। इसलिए, पेंच शाफ्ट खांचे के पहले मुख्य वक्रता के लिए एक अधिक सटीक सूत्र है$$\kappa_{1s} = \frac{\cos(\varphi)\cos^2(\alpha_e)}{r_m-r_b\cos(\varphi)\cos^2(\alpha_e)}$$और$$\kappa_{1n} = -\frac{\cos(\varphi)\cos^2(\alpha_e)}{r_m+r_b\cos(\varphi)\cos^2(\alpha_e)}$$अखरोट नाली के लिए, कहाँ $$\alpha_e=\arctan\left(\frac{l}{2\pi r_m}\right)$$ हेलिक्स कोण है।