Tarkastele viittä lenkkiä tarkkuuden kannalta kriittisten suunnitteluelementtien ketjussa.

Lineaariliikejärjestelmä on vain niin vahva kuin sen mekaanisten ja sähkömekaanisten elementtien ketjun vaikeimmat lenkit. Jokaisen komponentin ja ominaisuuden (ja niiden vaikutuksen suunnittelutulokseen) ymmärtäminen parantaa päätöksiä ja todennäköisyyttä, että lopullinen suunnittelu täyttää täysin sovelluksen vaatimukset. Loppujen lopuksi järjestelmän välys, tarkkuus ja muut suorituskykyyn liittyvät näkökohdat voidaan jäljittää johtoruuvin, välyksenestomutterin, kytkimien, moottorin ja ohjausstrategian suunnittelun ja valmistuksen elementteihin.

Lineaarisen liikkeen toimittajien kanssa työskentely, joilla on asiantuntemusta suunnittelun kaikissa vaiheissa, on paras tapa saavuttaa huippuluokan suorituskyky. Optimoidut liikkeenohjausjärjestelmät ovat viime kädessä kuin huippusuorituskykyinen urheiluauto, jonka kaikki elementit ovat hyvin tasapainossa... jossa oikean kokoinen moottori + oikea vaihteisto + oikeat renkaat + erinomaiset hallintaominaisuudet (kuten lukkiutumattomat jarrut ja luistonesto) = loistava suorituskyky.

Tarkastellaan esimerkkejä huippusuorituskykyä vaativista malleista. Joissakin 3D-tulostustyypeissä kerrosresoluutioita ollaan ajamassa jopa 10 µm:iin kerrosta kohden. Lääkinnällisissä laitteissa annosteluyksiköiden on syötettävä elintärkeitä lääkkeitä ja säädettävä annoksia mikrolitrojen tarkkuudella. Samanlaista tiukkaa tarkkuutta voidaan nähdä optisissa ja skannauslaitteissa, puolijohdeteollisuuden siru- ja kiekkolaitteissa sekä laboratorioautomaatiossa.

Vain kokonaisvaltaisella lähestymistavalla komponenttien valintaan ja integrointiin rakennetut lineaariliikkeen mallit voivat täyttää nämä jatkuvasti kasvavat suorituskykyvaatimukset. Usein sopivin ratkaisu näihin kokoonpanoihin on moottorikäyttöinen ruuvi ja mutteri sopivalla ohjausarkkitehtuurilla. Tarkastellaan siis keskeisiä näkökohtia ja suorituskykyominaisuuksia kullekin lenkille tällaisessa lineaarikokoonpanossa.

Linkki yksi: Johdinruuvin ja mutterin laatu

Johdinruuveja on ollut olemassa vuosikymmeniä erilaisissa muodoissa ja erilaisista mutterimalleista ja materiaaleista. Suurimman osan tuosta ajasta johtoruuvien valmistukseen käytetyt koneet säädettiin manuaalisesti, mikä rajoitti laatua koneen ominaisuuksien ja käyttäjän taitotason mukaan. Useimmat valmistajat käyttävät edelleen tämän tyyppisiä laitteita, mutta nykyaikaiset automatisoidut prosessit vievät johtoruuvien laadun uudelle tasolle.

Esimerkiksi tällaisissa toiminnoissa käytetään CNC-ohjattua syöttöä, vinouden säätöä ja paineensäätöjä valssikierteitysprosessissa, jotta saadaan aikaan mahdollisimman tasaiset johtoruuvien kierremuodot. Näiden johtoruuvien pinnanlaatu on tasaisen sileä eikä siinä ole pinnan hankaumia, jotka voisivat repiä polymeerimuttereita... ennennäkemättömän järjestelmän tarkkuuden ja käyttöiän saavuttamiseksi.

Samaan aikaan edistyneet mittaus- ja tarkastustekniikat, jotka jäljittävät johtoruuvien kierteiden muotoa ja muotoa, osoittavat tuloksia pisteestä pisteeseen -tarkkuuksissa, jotka ovat jopa kolme kertaa parempia kuin perinteisillä manuaalisilla menetelmillä. Tämä pitää johdonmukaisesti johtotarkkuuden 0,003 tuumassa/jalkassa ruuvin pituudelta.

Kuljetustyyppisissä sovelluksissa, joissa jotakin kohdetta siirretään pisteestä pisteeseen akselin suuntaisesti, perinteinen menetelmä, jossa kierteen tarkkuus tarkistetaan 300 mm:n tai kuuden tuuman välein, on riittävä. Mutta erittäin tarkkoja sovelluksia varten jokaisen akselin kierteen tarkkuus on olennainen. Poikkeamaa sopivasta kierregeometriasta kutsutaan kierteen humaluudeksi.

Uudet automatisoidut CNC-valmistuslaitteet, -prosessit ja yksityiskohtaiset tarkastusmenetelmät tuottavat tarkempaa valvontaa ja laatua, niin että yksittäisen kierteen ylä- ja alapisteiden tarkkuus alikierron suhteen paranee huomattavasti – toisin sanoen humalaisuus vähenee. Tämä puolestaan ​​auttaa johtoruuveja pitämään paikannuksen toistettavuuden yhden kierroksen aikana 1 µm:ssä. Tämä on erityisen kriittinen suorituskykymittari sovelluksissa, kuten kalliiden kiekkojen ja sirujen käsittelyssä puolijohdeteollisuudessa ja lääkkeiden tarkassa annostelussa ruiskupumpulla.

Kierteiden valssauksen jälkeen edistyneet ruuvitoimittajat suoristavat ruuviakselit automaattisesti minimoidakseen virheet ja heiton, jotka voivat aiheuttaa tärinää, melua ja ennenaikaista kulumista. Ruuviakselin suoruus on kriittistä, koska kaikki virheet korostuvat, kun se kootaan moottoriin. Perinteiset (manuaaliset) ruuvien suoristusmenetelmät voivat sitä vastoin aiheuttaa lumikartioefektin ruuviakselin geometriaan – yhden tai useiden kaarien muodossa, jotka kiertyvät akselin pitkän akselin ympäri. Automaattinen suoristus ja tarkastus poistavat nämä virheet, mikä johtaa ruuvien vakaaseen toimintaan.

Johdinruuvien valmistuksen viimeinen vaihe on PTFE-pinnoitteen levittäminen. Vain tasainen ja sileä pinta takaa pitkän käyttöiän ja järjestelmän suorituskyvyn. PTFE:n epätasainen levitys (joka johtuu epäoptimaalisesta pinnoitusympäristöstä tai laitteistosta) voi aiheuttaa syöpymistä, halkeamia, kuplia, hilseilyä tai pinnan karheutta, jotka aiheuttavat mutterin ennenaikaista kulumista ja lyhentävät kokoonpanon käyttöikää.

Linkki kaksi: Mutterin ja ruuvin yhteisvaikutus

Perinteisissä välyksenestomuttereissa käytetään moniosaista rakennetta, jossa kierrejousi liikuttaa holkkia lineaarisesti mutteria pitkin sormien sulkemiseksi ja ruuvin ja mutterin välisen sovituksen hallitsemiseksi.

Näiden mallien vikaantumista edistäviä ongelmia ovat jousen satunnainen ja vaihteleva voima, holkin jumiutuminen mutterissa ja paineen vaihtelu mutterimateriaalin kuluessa. Sitä vastoin yksi vaihtoehtoinen mutteri, joka on suunniteltu tuottamaan vakiovoima, sisältää yksinkertaistetun kaksiosaisen rakenteen, joka kohdistaa painetta mutterin sormiin säteittäisesti, mikä on suunta, jota tarvitaan mutterin ja ruuvin välisen välyksen tai välyksen hallitsemiseksi.

Tarkastellaan tavanomaista kierrejousi- ja holkkirakennetta välyksenestomekanismilla varustetussa johtoruuvin mutterissa. Tässä muuttuvavoimainen kierrejousi tuottaa aksiaalivoiman, joka muunnetaan radiaalivoimaksi mekaanisen interferenssin avulla. Rakenne perustuu ruiskuvalettuihin komponentteihin, jotka kohdistavat voiman tasaisesti sormiin. Vertailutestit vahvistavat, että esijännitys muuttuu dramaattisesti ensimmäisten 1 000 syklin aikana.

Sitä vastoin tietyt vakiovoimaiset välyksenestomekanismilla varustetut johtoruuvimutterit tarjoavat kaksi tai neljä kertaa paremman välyksen kuin perinteiset mallit, kuten laboratorioautomaatioasiakkaiden FDA-testit ovat validoineet. Vakiovoimajousirakenne varmistaa tasaisen esikuormituksen akselin koko käyttöiän ajan. Itsevoiteleva mutterimateriaali, jossa on PTFE:tä voitelevuuden ja paremman tehokkuuden takaamiseksi.

Yksi vakiovoimaisten välyksenestomekanismilla varustettujen johtoruuvimuttereiden suurimmista eduista on niiden kyky virittää ne käyttötarkoitukseen säätämällä jousta ja muita parametreja. Tämä viritys mahdollistaa esijännityksen, välyksen, vastusvoiman ja käyntivälyksen optimoinnin vaadittujen vaatimusten täyttämiseksi. Jokainen ruuvi-mutteriyhdistelmä sekä jokainen täysi moottori-ruuvikokoonpano voidaan testata näiden suorituskykyominaisuuksien osalta validoinnin ja lopputarkastuksen aikana.

Kolmas linkki: Kytketty tai suora yhteys taajuusmuuttajaan

Seuraava lenkki ketjussa on ruuvin kiinnitys moottoriin. Tämä voidaan tehdä kolmella perustavalla.

Ensimmäinen on perinteisin menetelmä, jossa kytkin tuodaan kokoonpanoon komponenttina ruuvin ja moottorin väliin, jossa on pidennetty tappiakseli. Tämä rakenne vaatii enemmän tilaa kytkimen ja mahdollisen kiinnityskotelon pituudelle, ja se voi myös aiheuttaa kohdistusongelmia. Komponenttien määrän kasvun vuoksi on vaikeampaa pitää kaikki keskilinjalla. Jos yksi tai useampi komponentti on epäpyöreä tai epätasainen, seurauksena voi olla nokka-akselin kaltainen ilmiö, joka vaikuttaa merkittävästi järjestelmän suorituskykyyn ja käyttöikään.

Toisessa menetelmässä ruuvi työnnetään kartiomaiseen reikään, jotta se kiinnitetään mekaanisesti paikalleen (takaapäin) pultilla. Tällainen kokoonpano on yleinen moottoreissa, jotka vaativat usein huoltoa – ja nopea menetelmä purkamiseen ja uudelleenkokoamiseen. Haittapuolena on, että kohdistusta on vaikea pitää ja se voi aiheuttaa lumikartioefektin, joka vahvistaa epätarkkuuksia ruuvin pituudella. Lisäksi tämä lumikartioheilunta ruuvissa luo kulumiskohtia, jotka voivat lisätä huollon tarvetta ja ennenaikaista järjestelmän vikaantumista.

Kolmas menetelmä on ruuvin suora sovitus moottorin onttoon akseliin ja ruuvin kiinnitys laserhitsauksella moottorin takaosaan. Tämä menetelmä varmistaa ruuvin maksimaalisen kiinnityksen moottoriin, mikä johtaa mahdollisimman tarkkaan kohdistukseen. Joissakin tapauksissa hitsaus voidaan korvata teollisuusliimalla, joka luo pysyvän sidoksen ruuvin ja moottorin välille. Tämä kokoonpanomenetelmä tarjoaa myös korkeimman tarkkuuden tason minimoimalla ruuvin heiton, mikä pidentää käyttöikää ja minimoi huollon tarpeen.

Johdinruuvin, mutterin ja kytkimen kohdistuksen optimointi pidentää koko järjestelmän käyttöikää. Vertailukohtana järjestelmän muihin osiin testaaminen eri asennoissa, erilaisilla johtimilla sekä erilaisilla kuormilla ja nopeuksilla. Tulokset ovat osoittaneet, että käyttöikä ylittää standardin L10-laakerin käyttöiän 40 kertaa.

Toisin sanoen perinteiset moottori-johtoruuvikokoonpanot sisältävät useita komponentteja, jotka vaativat kokoonpanoa ja joita on vaikea kohdistaa. Ne aiheuttavat välystä ja toleranssien kasautumista, mikä heikentää tarkkuutta ja lisää vikaantumisriskiä. Suuri komponenttien määrä nostaa myös kokonaiskokoonpanokustannuksia. Mutta integroiduissa hybridi-lineaaritoimilaitekokoonpanoissa johtoruuvi on kohdistettu ja kiinnitetty suoraan moottoriin – jolloin komponentteja on vähemmän. Tämä lisää jäykkyyttä, tarkkuutta ja luotettavuutta... sekä parantaa kokonaissuunnittelun arvoa.

Linkki neljä: Moottorityypin ja -rakenteen valinta

Lineaaritoimilaitteisiin on saatavilla useita moottorivaihtoehtoja. Yleisimmät moottorivaihtoehdot ovat avoimen piirin askelmoottori, suljetun piirin versio, jossa käytetään joko piirilevylle asennettua ohjausta tai teollisuuskoteloitua älykästä askelmoottoria, ja lopuksi harjaton tasavirtamoottori (BLDC). Jokaisella on oma suorituskykynsä tai nopeutensa ja kuormituskykynsä, ja jokaisella on myös omat hyvät ja huonot puolensa kustannusten, integroinnin, ohjauksen ja muiden tekijöiden suhteen, joita käsittelemme myöhemmin.

Suurin vaikutus moottorin lineaarisen liikkeen suorituskykyyn vaatii moottorin sisäisen rakenteen tarkastelua. Tyypillisissä yleiskäyttöisissä moottoreissa käytetään aaltoilevaa aluslevyä laakerien ja kokoonpanon pitämiseen paikoillaan. Tämä on yleensä riittävä kiertosovelluksissa ja usein myös lineaarimoottoreissa. Aaltoilevat aluslevyt tarjoavat kuitenkin moottoriin jonkin verran joustavuutta, joka voi aiheuttaa pieniä aksiaali- tai lineaarivälyksiä, jotka puolestaan ​​johtavat lineaarisen asennon epätarkkuuksiin.

Tämän lieventämiseksi suunnittelussa voidaan muokata toista tai molempia elementtejä. Suurempia laakereita voidaan asentaa kokoonpanon työntövoiman lisäämiseksi, ja kiintoavaimen mutteri voidaan lisätä ja säätää ennalta määrättyyn vääntömomenttiin välyksen poistamiseksi järjestelmästä.

Linkki viisi: Ohjausvaihtoehtojen valinta

Viimeinen lenkki, joka kokoaa kaikki elementit yhteen, on se, miten fyysistä lineaarista liikettä ohjataan ja ohjataan. Perinteisesti tämä olisi vaatinut useita erillisiä osia, kuten vahvistimen ja ohjaimen. Jokainen niistä tarvitsisi kaapin ja siihen liittyvän laitteiston, johdotuksen, enkooderin ja takaisinkytkentäanturit. Näiden kokoonpanojen asentaminen, vianmääritys ja käyttö voivat olla monimutkaisia ​​ja hankalia.

Valmiiden älymoottoriratkaisujen tulo markkinoille on yksinkertaistanut johdotusta ja vähentänyt liittimien ja antureiden määrää, jotka liittyvät askelservomoottorin suorituskyvyn ja ohjauksen saavuttamiseen. Tämä tuo kustannussäästöjä pienemmän komponenttimäärän sekä asennukseen tarvittavan ajan ja työvoiman vähenemisen ansiosta. Nämä moottorit toimitetaan myös esiasennetuissa teollisuuspakkauksissa, jotka tiivistävät ja suojaavat piirilevyä ja ohjausta väärinkäytöltä tai likaantumiselta ja joiden luokitus on IP65 tai IP67.

Kun sovellus vaatii erityisiä räätälöityjä ominaisuuksia, siinä on minimoitu tila ja koko tai edullisuus on kriittinen kriteeri, räätälöity kapseloimaton IP20-moottoriin asennettava ohjauskortti on hyödyllinen vaihtoehto. Tämä pätee erityisesti suuriin sovelluksiin, jotka on sijoitettu tyyliteltyihin koteloihin tai laitteisiin. Tällaiset toimilaitteet tarjoavat älykkäiden moottoreiden edut (yleensä huomattavilla kustannussäästöillä), ja ohjaus tapahtuu suoraan moottorista, mikä helpottaa ja nopeuttaa kommunikointia isännän tai PLC:n kanssa.