مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

طراحی و تحلیل عملکرد مکانیزم یکپارچه یاتاقان و رولراسکرو جهت ایجاد حرکت خطی دقیق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
هدف این پژوهش، توسعه مکانیزم یکپارچه رولراسکرو و یاتاقان غلتکی به منظور دستیابی به جابجایی خطی با رزولوشن بالا می‌باشد. به همین منظور یک مکانیزم یاتاقان و انتقال قدرت از نوع رولر‌اسکرو به‌طور همزمان بر روی یک پیچ طراحی و تحلیل شد تا بر این اساس، قابلیت تحمل بار محوری و شعاعی بهینه‌سازی شود. یک مدل اولیه برای یاتاقان و انتقال قدرت طراحی و ساخته شد. نتایج نشان دادند که در ابعاد درنظرگرفته شده برای مکانیزم انتقال قدرت، در صورت توقف چرخش غلتک‌ها، گشتاور مورد نیاز برای چرخاندن پیچ تا 9.5 نیوتون‌متر افزایش می‌یابد که این امر می‌تواند منجر به تخریب غلتک‌ها گردد. آزمایش‌ها نشان دادند که با یکسان بودن قطر و گام غلتک-پیچ و جهت معکوس رزوه‌ها، غلتش ایجاد شده و حرکت خطی به صفر می‌رسد. در شرایط ایده‌آل، مقدار حرکت خطی به‌ازای یک دور پیچ 0.2 میلی‌متر اندازه‌گیری شد. در این پژوهش، یک طرح برای یاتاقان و یک طرح برای انتقال قدرت انتخاب گردید. شبیه‌سازی‌های دینامیکی و المان محدود بر روی یاتاقان و انتقال‌قدرت انجام شد. در شبیه‌سازی دینامیکی، انتقال قدرت در سه اندازه مختلف و یاتاقان در یک اندازه بررسی گردید. نتایج نشان دادند که با افزایش بار محوری تا 100 کیلوگرم، سرعت‌خطی مهره و سرعت زاویه‌ای غلتک در گام‌های اولیه به دلیل فشردگی بین رزوه‌ها تا 4.5 درصد کاهش می‌یابد. در شبیه‌سازی المان‌محدود، توانایی تحمل بار محوری یاتاقان رولر‌اسکرو 8 کیلونیوتن و انتقال‌قدرت 7 کیلونیوتن تعیین گردید.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Design and performance analysis of integrated roller bearing and roller screw mechanism for precision linear motion

نویسندگان English

Amir Rasti
Danial Jafari
Iman Rafierad
Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

This research aims to develop an integrated mechanism of roller bearing and roller screw to achieve high resolution of axial displacement. Accordingly, the bearing and roller screw were simultaneously designed and analyzed on a single screw to optimize axial and radial load capacity. An initial model for the bearing and power transmission was designed and manufactured. Results indicated that in assumed dimension of mechanism, if the roller rotation is halted, the torque required to rotate the screw increases up to 9.5 N.m, which can lead to roller failure. Experiments showed that with identical roller-screw diameter and pitch, and opposing thread directions, rolling occurs while linear motion approaches zero. Under ideal conditions, the linear displacement per screw revolution was measured at 0.2 mm. one design for the bearing and one design for power transmission were selected in this research. Kinematic and finite element simulations were conducted on both the bearing and power transmission. In the kinematic simulation, power transmission was examined in three different sizes, while the bearing was assessed in a single size. Results revealed that as axial load increased up to 100, the linear speed of the nut and the angular speed of the roller decreased by up to 4.5% in the initial steps due to compression between threads. In the finite element simulation, the axial load capacity of the roller screw bearing was determined to be 8 kN, while that of the power transmission was 7 kN.

کلیدواژه‌ها English

Roller Screw
Roller Screw Bearing
Actuator
[1] Saadatbakhsh MH, Rasti A, Sadeghi MH, Hassanpour H, Omiddodman AR. Compare and study of hole quality characteristics in helical milling and conventional drilling. Modares Mechanical Engineering. 2015 Apr 1;14(16):332-8. [In Persian]
[2]   Rasti A, Tarshizi M, Zeinolabedin-Beygi A. Study of surface roughness, texture, and dimensional accuracy in thread whirling of Ti6Al4V screw. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2024 Jun 21;11(4):1-2. doi: 10.22034/ijme.2024.460623.1966 [In Persian]
[3]   Deilami Azodi H, Rezaei S, Zeinolabedin Beygi A, Badparva H. Investigation of parameters influencing forming force and thickness distribution in single point incremental forming of AA3105-St12 two-layer sheet. Iranian Journal of Materials Forming. 2022 Apr 1;9(2):46-57. doi: 10.22099/ijmf.2022.42993.1215
[4]   Deilami Azodi H, Badparva H, Zeinolabedin Beygi A. Optimizing AA3105-St12 two-layer sheet in incremental sheet forming process using neural network and multi-objective genetic algorithm. Modares Mechanical Engineering. 2022 Jan 10;22(2):121-32. [In Persian]
[5]   Li X, Liu G, Fu X, Ma S. Review on motion and load-bearing characteristics of the planetary roller screw mechanism. Machines. 2022 Apr 28;10(5):317.  doi: 10.3390/machines10050317
[6]   Xing M, Zhang B, Deng P, Xu J, Cui Y. A comprehensive analysis of contact kinematics for planetary roller screw mechanism. Tribology International. 2023 Jan 1;179:108127. doi: 10.1016/j.triboint.2022.108127
[7]   Lv L, Lu C, Chen S, Wang W. Study on load distribution and fatigue elastic life of ball screw under ultimate conditions. Applied Sciences. 2024 Jan;14(5):1966. doi: 10.3390/app14051966
[8]   Xie Z, Wang Y, Ni J, Yin J, Yu D, Liu J. Friction torque analysis of planetary roller screw based on the creepage theory. Tribology International. 2023 Feb 1;178:108059. doi: 10.1016/j.triboint.2022.108059
[9]   Miao J, Du X, Li C, Chen B. Load distribution and radial deformations for planetary roller screw mechanism with axial load, radial load and turning torque. Mechanics Based Design of Structures and Machines. 2024 Apr 2;52(4):1847-73.
[10] Hojjat Y, Agheli MM. A comprehensive study on capabilities and limitations of roller–screw with emphasis on slip tendency. Mechanism and Machine Theory. 2009 Oct 1;44(10):1887-99. doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2009.04.001
[11] Zu L, Zhang Z, Gao L. Design and bearing characteristics of planetary roller screws based on aerospace high-load conditions. Advances in Mechanical Engineering. 2018 Nov;10(11):1687814018811197. doi: 10.1177/168781401881119
[12] Li L, Fu Y, Zheng S, Fu J, Xia T. Friction torque analysis of planetary roller screw mechanism in roller jamming. Mathematical Problems in Engineering. 2020;2020(1):1392380. doi: 10.1155/2020/1392380
[13] Ma S, Zhang T, Liu G, Tong R, Fu X. Kinematics of planetary roller screw mechanism considering helical directions of screw and roller threads. Mathematical Problems in Engineering. 2015;2015(1):459462. doi: 10.1155/2015/459462
[14] Wu L, Ma S, Wan Q, Liu G. Dynamic model of planetary roller screw mechanism with considering torsional degree of freedom. InMATEC Web of Conferences 2020 (Vol. 306, p. 01003). EDP Sciences.
[15] Jones MH, Velinsky SA. Kinematics of roller migration in the planetary roller screw mechanism. Journal of Mechanical Design. 2012;134(6). doi: 10.1115/1.4006529