Рассмотрим пять звеньев в цепочке элементов конструкции, имеющих решающее значение для точной работы.

Прочность системы линейного перемещения напрямую зависит от надежности наиболее уязвимых звеньев в ее цепи механических и электромеханических элементов. Понимание каждого компонента и его особенностей (и их влияния на конечный результат проектирования) улучшает качество принимаемых решений и повышает вероятность того, что окончательная конструкция полностью соответствует требованиям приложения. В конце концов, люфт системы, точность и другие аспекты производительности можно отследить до элементов конструкции и изготовления ходового винта, гайки с защитой от люфта, муфт, двигателя и системы управления.

Сотрудничество с поставщиками систем линейного перемещения, обладающими опытом работы со всеми звеньями конструкции, — лучший способ добиться максимальной производительности. В конечном итоге, оптимизированные системы управления движением подобны высокопроизводительному спортивному автомобилю, все элементы которого хорошо сбалансированы… для которого правильный размер двигателя + правильная трансмиссия + правильные шины + отличные системы управления (такие как антиблокировочная система тормозов и система контроля тяги) = высокая производительность.

Рассмотрим несколько примеров конструкций, требующих высочайшей производительности. В некоторых видах 3D-печати разрешение слоя снижается до 10 мкм. В медицинских приборах дозирующие устройства должны выдавать жизненно важные лекарства и контролировать дозировку с точностью до микролитра. Аналогичные высокие требования к точности можно наблюдать в оптическом и сканирующем оборудовании, оборудовании для обработки чипов и пластин в полупроводниковой промышленности, а также в сфере лабораторной автоматизации.

Только конструкции линейного перемещения, созданные с учетом целостного подхода к выбору и интеграции компонентов, могут удовлетворить эти постоянно растущие требования к производительности. Зачастую наиболее подходящим решением для таких конструкций является винтовой механизм с гайкой и электроприводом, имеющий соответствующую архитектуру управления. Поэтому давайте рассмотрим ключевые аспекты и характеристики производительности каждого звена в этом типе линейной сборки.

Ссылка 1: Качество ходового винта и гайки

Винтовые подшипники существуют уже несколько десятилетий в различных модификациях, с разнообразными конструкциями гаек и материалами. На протяжении большей части этого времени станки, используемые для производства винтовых подшипников, регулировались вручную, что ограничивало качество возможностями станка и уровнем квалификации оператора. Большинство производителей сегодня по-прежнему используют этот тип оборудования, но современные автоматизированные процессы выводят качество винтовых подшипников на новый уровень.

Например, в таких операциях используется управляемая ЧПУ подача, регулировка перекоса и контроль давления для процесса нарезания резьбы, что позволяет получить максимально однородную форму резьбы ходового винта. Поверхность этих ходовых винтов отличается гладкостью и отсутствием абразивных повреждений, которые могут повредить полимерные гайки… что обеспечивает беспрецедентную точность и долговечность системы.

В то же время, передовые методы метрологии и контроля, позволяющие отслеживать форму и структуру резьбы ходового винта, обеспечивают точность хода от точки к точке, в три раза превышающую точность традиционных ручных методов. Это позволяет стабильно поддерживать точность хода на уровне 0,003 дюйма/фут по всей длине винта.

Для транспортных операций, перемещающих объект от точки к точке вдоль оси, достаточно традиционного метода проверки точности шага резьбы каждые 300 мм или 6 дюймов. Но для самых высокоточных операций важна точность каждой резьбы вала. Отклонение от подходящей геометрии резьбы называется «дыхание резьбы».

Новое автоматизированное оборудование для ЧПУ-производства, технологические процессы и методы детального контроля обеспечивают более жесткий контроль и качество, благодаря чему максимальная и минимальная точки в пределах отдельной резьбы демонстрируют значительно улучшенную точность при частичном вращении — другими словами, меньшую «водоизбыточность». Это, в свою очередь, помогает ходовым винтам сохранять повторяемость позиционирования в течение одного оборота с точностью до 1 мкм. Это особенно важный показатель производительности в таких областях применения, как обработка дорогостоящих пластин и микросхем для полупроводниковой промышленности и точное дозирование лекарственных препаратов в шприцевом насосе.

После накатки резьбы, передовые поставщики винтовых станков автоматически выпрямляют вала, чтобы минимизировать ошибки и биение, которые могут вызывать вибрацию, шум и преждевременный износ. Прямолинейность вала винта имеет решающее значение, поскольку любая ошибка усиливается при сборке с двигателем. В отличие от этого, традиционные (ручные) методы выпрямления винтов могут создавать эффект «снежного конуса» в геометрии вала винта — в виде одной или нескольких дуг, которые закручиваются вокруг длинной оси вала. Автоматическое выпрямление и контроль, опять же, исключают эти ошибки, что приводит к стабильной работе винта.

Заключительным этапом производства ходовых винтов является нанесение покрытия из ПТФЭ. Только однородная гладкая поверхность обеспечивает длительный срок службы и высокую производительность системы. Неравномерное нанесение ПТФЭ (в результате неоптимальных условий нанесения покрытия или оборудования) может привести к образованию точечных повреждений, трещин, пузырьков, отслоений или шероховатости поверхности, что вызывает преждевременный износ гайки и сокращает срок службы узла.

Ссылка 2: Взаимодействие гайки и винта

Традиционные гайки с защитой от люфта имеют многокомпонентную конструкцию, в которой для линейного перемещения цанги вдоль гайки, смыкания зажимных элементов и контроля посадки винта и гайки используется витая пружина.

К причинам поломки таких конструкций относятся непостоянная и переменная сила пружины, проскальзывание цанги по гайке и колебания давления по мере износа материала гайки. В отличие от этого, одна из альтернативных гаек, предназначенная для обеспечения постоянной силы, имеет упрощенную двухкомпонентную конструкцию, которая прикладывает давление к выступам гайки радиально, что необходимо для контроля зазора или люфта между гайкой и винтом.

Рассмотрим традиционную конструкцию гайки ходового винта с винтовой пружиной и цангой для предотвращения люфта. В этом случае винтовая пружина с переменным усилием создает осевую силу, которая преобразуется в радиальную силу за счет механического взаимодействия. Конструкция основана на использовании компонентов, изготовленных методом литья под давлением, для равномерного распределения усилия между пальцами. Контрольные испытания подтверждают, что предварительное натяжение резко меняется в течение первых 1000 циклов.

В отличие от них, некоторые гайки ходового винта с постоянным усилием обеспечивают в два-четыре раза лучшие показатели по предотвращению люфта, чем традиционные конструкции, что подтверждено испытаниями FDA, проведенными заказчиком, использующим оборудование для автоматизации лабораторных работ. Конструкция пружины с постоянным усилием обеспечивает стабильную предварительную нагрузку на протяжении всего срока службы оси. Самосмазывающийся материал гайки с добавлением ПТФЭ обеспечивает смазывающую способность и повышает эффективность.

Одним из главных преимуществ гаек ходового винта с постоянным усилием и защитой от люфта является возможность их настройки под конкретные задачи путем регулировки пружины и других параметров. Такая настройка позволяет оптимизировать предварительную нагрузку, люфт, усилие трения и рабочий зазор в соответствии с требуемыми характеристиками. Каждая комбинация винта и гайки, а также каждый двигатель в сборе с винтовым узлом, могут быть протестированы по каждой из этих характеристик в ходе проверки и окончательной инспекции.

Третий звено: Совместное или прямое соединение с приводом.

Следующим звеном в этой цепочке является способ крепления винта к двигателю. Это можно сделать тремя основными способами.

Первый метод является наиболее традиционным, при котором муфта вводится в узел в качестве компонента между винтом и двигателем, имеющим удлиненный вал. Такая конструкция требует больше места для длины муфты и любого связанного с ней корпуса, а также может создавать проблемы с выравниванием. Из-за увеличения количества компонентов сложнее обеспечить выравнивание всех элементов по центральной оси. Если один или несколько компонентов имеют неправильную форму или смещены относительно друг друга, это может привести к эффекту кулачка, который значительно влияет на производительность и срок службы системы.

Второй метод заключается в том, что винт вставляется в коническое отверстие для механической фиксации (с обратной стороны) с помощью болта. Такая сборка распространена в двигателях, требующих частого технического обслуживания, и представляет собой быстрый способ разборки и сборки. Недостатком является сложность обеспечения выравнивания, а также возможность возникновения эффекта «снежного конуса», который усиливает неточности по всей длине винта. Кроме того, это «снежное конусообразное» колебание винта создает точки износа, что может привести к необходимости технического обслуживания и преждевременному выходу системы из строя.

Третий метод заключается в прямой установке винта в полый вал внутри двигателя и фиксации винта лазерной сваркой на задней стороне двигателя. Этот метод обеспечивает максимальное зацепление винта с двигателем, что приводит к максимально возможной точности выравнивания. В некоторых случаях сварку можно заменить промышленным клеем, который создает прочное соединение между винтом и двигателем. Этот метод сборки также обеспечивает высочайший уровень точности за счет минимального биения винта, что увеличивает срок его службы и минимизирует необходимость технического обслуживания.

Оптимизация соосности ходового винта, гайки и муфты продлевает срок службы всей системы. В качестве базового показателя для сравнения с другими элементами системы были проведены испытания в различных положениях с разными шагами, а также при различных нагрузках и скоростях. Результаты показали, что срок службы в ходе перемещения в 40 раз превышает стандартный срок службы подшипника L10.

Другими словами, традиционные конструкции с двигателем и ходовым винтом включают в себя множество компонентов, требующих сборки и сложных для выравнивания. Они создают люфт и накапливают допуски, что ухудшает точность и увеличивает вероятность поломки. Большое количество компонентов также приводит к увеличению общей стоимости сборки. Однако интегрированные гибридные линейные актуаторы включают в себя ходовой винт, выровненный и закрепленный непосредственно с двигателем, что позволяет использовать меньшее количество компонентов. Это обеспечивает большую жесткость, точность и надежность… а также повышает общую ценность конструкции.

Четвертая ветка: Выбор типа и конструкции двигателя

Линейные актуаторы предлагаются с различными вариантами двигателей, наиболее распространенными из которых являются шаговый двигатель с разомкнутым контуром управления, двигатель с замкнутым контуром управления, использующий либо плату управления, либо интеллектуальный шаговый двигатель в промышленном корпусе, и, наконец, бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC). Каждый из них имеет свои особенности в плане производительности, скорости и нагрузочных возможностей, а также свои преимущества и недостатки, касающиеся стоимости, интеграции, управления и многого другого, что мы рассмотрим позже.

Наибольшее влияние на характеристики линейного перемещения двигателя оказывает его внутренняя конструкция. В типичных двигателях общего назначения для удержания подшипников и всего узла используется волнообразная шайба. Обычно этого достаточно для вращательных применений, и часто это применимо и к линейным. Однако волнообразные шайбы обеспечивают определенную податливость внутри двигателя, которая может вызывать небольшие осевые или линейные люфты, приводящие к неточностям линейного позиционирования.

Для решения этой проблемы можно модифицировать один или оба элемента конструкции. Можно установить подшипники большего размера, чтобы увеличить несущую способность узла по осевой нагрузке, а также добавить гайку-ключ, отрегулированную до заданного момента затяжки, чтобы устранить люфт в системе.

Пятая ссылка: Выбор вариантов управления

Последним звеном, объединяющим все элементы, является способ управления и контроля физического линейного перемещения. Традиционно для этого требовалось множество отдельных компонентов, включая усилитель и контроллер. Для каждого из них требовался корпус и соответствующее оборудование, проводка, энкодер и датчики обратной связи. Такие системы могут быть сложными и громоздкими в установке, поиске и устранении неисправностей, а также в эксплуатации.

Появление готовых решений для интеллектуальных двигателей позволило упростить проводку и уменьшить количество разъемов и датчиков, необходимых для достижения производительности и управления, аналогичного шаговым сервоприводам. Это обеспечивает экономию средств благодаря меньшему количеству компонентов, а также сокращению времени и трудозатрат на установку. Эти двигатели также поставляются в предварительно собранных промышленных корпусах, которые герметизируют и защищают плату и блок управления от повреждений или загрязнения, имея степень защиты IP65 или IP67.

Когда для приложения требуются специфические индивидуальные функции, необходимо минимизировать занимаемое пространство и размеры, или критически важна низкая стоимость, полезным вариантом становится специализированная негерметичная плата управления с защитой IP20, устанавливаемая на двигатель. Это особенно актуально для крупносерийного производства, размещаемого в стилизованных корпусах или оборудовании. Такие приводы обеспечивают преимущества интеллектуальных двигателей (как правило, со значительной экономией средств), а управление осуществляется непосредственно на двигателе, что упрощает и ускоряет связь с главным устройством или ПЛК.