Ознакомление с основными характеристиками наиболее популярных устройств линейного позиционирования поможет пользователям правильно выбирать их для своих задач.

Системы линейного привода используются уже тысячи лет, начиная с древних египтян, которые использовали стволы деревьев для перемещения тяжелых каменных блоков, что послужило предшественником таких решений для линейного перемещения, как шариковинтовые и роликовые зубчатые передачи. Сегодня технология линейного перемещения используется для поддержки, позиционирования, направления и перемещения компонентов машин в самых разных областях применения, включая аэрокосмическую, станкостроительную, медицинскую, производственную автоматизацию, упаковочную промышленность и другие. Хотя основными требованиями к технологии линейного перемещения являются несущая способность и точное перемещение, во многих случаях важны и другие требования.

Технология линейного привода, используемая в изделии, играет важную роль в обеспечении функциональности, производительности, долговечности, энергопотребления и других характеристик, позволяющих изделию превосходить конкурентов. Инженеры могут выбирать из широкого спектра технологий линейного привода, таких как ходовые винты, шариковые винты, реечные передачи, ременные приводы, линейные двигатели и роликовые шестерни. Крайне важно тщательно рассмотреть все варианты, чтобы избежать распространенных проблем, таких как низкая точность, люфт/вибрации, высокая стоимость, загрязнение окружающей среды, высокие затраты на техническое обслуживание, низкая грузоподъемность, чрезмерный шум, низкая скорость и т.д. Систематический процесс выбора гарантирует, что технология линейного привода будет выбрана в соответствии с требованиями конкретного применения. Правильный выбор технологии также может снизить сложность конструкции, улучшить производительность и уменьшить общую стоимость сборки.

1. Ходовые винты
В ходовых винтах угол наклона резьбы используется для преобразования вращательного движения в линейное. Большая площадь скользящего контакта между выступающей и выступающей частями резьбы создает относительно высокие потери на трение. В результате ходовые винты менее эффективны и менее точны, чем шариковые винты. Ходовые винты обеспечивают относительно высокую несущую способность, хотя обычно меньшую, чем шариковые винты. Ключевым преимуществом ходовых винтов является низкая стоимость — они обычно стоят всего одну десятую от стоимости эквивалентных шариковых винтов. Ходовые винты выпускаются с различными размерами шага, что позволяет подобрать шаг для обеспечения оптимального баланса точности позиционирования и скорости. Ходовые винты, как правило, производят минимальный шум при условии достаточной смазки. Однако их использование на больших расстояниях может быть затруднительным, поскольку винт обычно не имеет опоры между двумя концами.

2. Шариковые винты
Шариковинтовая передача состоит из шарикового винта и шариковой гайки с подшипниками качения, которые катятся в канавках, образованных винтом и гайкой. Шариковинтовая передача распределяет нагрузку на большое количество элементов качения, что обеспечивает высокую несущую способность. Использование большого количества прецизионных элементов качения также обеспечивает высокую точность. Кроме того, шариковинтовые передачи обеспечивают низкий уровень трения. Это приводит к высокой механической эффективности и снижению энергопотребления. Рабочий цикл шариковинтовых передач достаточно высок, поскольку они генерируют относительно низкий уровень теплоты трения. Однако по сравнению с другими технологиями линейных приводов шариковинтовые передачи, как правило, дороже и требуют постоянной смазки для обеспечения приемлемого срока службы. Наконец, шариковинтовые передачи подвержены шуму, вызванному в основном рециркуляцией шариков.

3. Ременные приводные системы
Системы линейного перемещения с ременным приводом и шариковыми направляющими обычно выбираются, когда наиболее важными критериями являются высокие скорости, высокие коэффициенты ускорения и большая длина хода. Линейные актуаторы с ременным приводом и направляющими скольжения предлагают несколько меньшие возможности по скорости и ускорению при соответствующей меньшей стоимости. Точность линейного позиционирования ременных приводов, как и следовало ожидать, не так высока, как у ходовых винтов или шариковых винтов. Грузоподъемность как ременных приводов с шариковыми, так и с направляющими скольжения несколько ниже, чем у шариковых винтов. Растяжение и жесткость ремня являются другими недостатками. Системы линейного перемещения с ременным приводом, как правило, способны работать в течение длительного времени, поскольку они исключают проблемы, связанные с накоплением тепла от трения в подшипнике ходового винта или шарикового винта. Дополнительные преимущества систем с ременным приводом включают в себя относительно низкий уровень шума и относительно низкие требования к техническому обслуживанию.

4. Цепные приводы
Цепные приводы преобразуют вращательное движение в линейное посредством ряда звеньев цепи, которые зацепляются с зубчатой ​​звездочкой и линейным направляющим. Благодаря тому, что они изготовлены из металла, цепные приводы имеют преимущество перед ременными приводами. Они также занимают меньше места, чем ременные приводы, и не подвержены повреждениям от масла, смазки, солнечного света или старения. В отличие от ременных приводов, цепные приводы также способны работать во влажных условиях. С другой стороны, цепные приводы обычно создают больше шума и имеют большую склонность к вибрации, чем ременные приводы, а также обеспечивают меньшую грузоподъемность и срок службы, чем зубчатые приводы.

5. Линейные двигатели
Линейные двигатели основаны на концепции преобразования обычного вращательного серводвигателя в ротор, где статор становится приводом, а ротор — катушкой или магнитной шиной. Линейные двигатели позволяют достичь прямого линейного движения без каких-либо устройств преобразования вращательного движения в линейное. В коллекторных линейных двигателях используются катушки в линейной шине и магниты в приводе. Щетки в приводе контактируют с стержнем, проходящим по всей длине двигателя, обеспечивая коммутацию. В линейном шаговом двигателе и обмотки, и привод находятся внутри привода. Преимущества линейных двигателей включают высокие скорости, высокую точность и быструю реакцию. Ограничения этого подхода включают высокую стоимость, большие габариты и значительное выделение тепла. Линейные двигатели также имеют низкую мощность, подобно сравнению двигателей с прямым приводом и двигателей с редуктором — двигатель с прямым приводом должен быть значительно больше, чтобы обеспечить ту же мощность.

6. Реечные шестерни
Реечные зубчатые передачи состоят из круглой шестерни, называемой пиньон, которая входит в зацепление с зубьями линейной шестерни, называемой рейкой, преобразуя вращательное движение в линейное. Реечные зубчатые передачи широко используются в качестве линейных приводов в самых разных механизмах. Например, они используются для перемещения осей станков с ЧПУ, таких как обрабатывающие центры. Косозубые рейки обеспечивают более тихую работу на высоких скоростях и более высокую несущую способность благодаря большему коэффициенту зацепления зубьев. Смазка важна для обеспечения длительного срока службы реечных зубчатых передач. Поскольку реечные зубчатые передачи имеют относительно небольшое количество компонентов, они помогают сэкономить время при установке и повышают надежность. Они также обеспечивают высокую точность даже на больших расстояниях перемещения. Недостатками реечных зубчатых передач являются относительно высокий уровень трения, что снижает их эффективность, увеличивает энергопотребление и ограничивает срок службы. Кроме того, реечные приводы должны работать с зазором, поэтому люфт может быть существенным недостатком.

Все эти системы линейного привода обладают своим уникальным сочетанием преимуществ и недостатков. Для применения правильного типа технологии линейного перемещения в конкретном случае инженер-конструктор должен тщательно рассмотреть специфические возможности каждого варианта. Выбор правильной технологии может улучшить производительность, обеспечить длительный срок службы и снизить общую стоимость узла.