Рассмотрите пять звеньев в цепочке элементов конструкции, столь важных для точности работы.

Прочность системы линейного перемещения определяется прочностью наиболее уязвимых звеньев в её цепочке механических и электромеханических элементов. Понимание каждого компонента и его особенностей (и их влияния на конечный результат) улучшает принятие решений и повышает вероятность того, что окончательная конструкция полностью соответствует требованиям. Ведь люфт системы, точность и другие эксплуатационные характеристики зависят от элементов конструкции и производства ходового винта, гайки с люфтом, муфт, двигателя и системы управления.

Сотрудничество с поставщиками систем линейного перемещения, обладающими опытом во всех звеньях конструкции, — лучший способ добиться максимальной производительности. В конечном счёте, оптимизированные системы управления движением подобны высокопроизводительному спортивному автомобилю, все элементы которого хорошо сбалансированы… для которого двигатель подходящего размера + правильная трансмиссия + правильные шины + отличные функции управления (такие как антиблокировочная система тормозов и система контроля тяги) = отличные эксплуатационные характеристики.

Рассмотрим несколько примеров конструкций, требующих максимальной производительности. В некоторых типах 3D-печати разрешение слоя снижается до 10 мкм на слой. В медицинских приборах дозаторы должны выдавать жизненно важные лекарства и контролировать дозировку с точностью до микролитров. Аналогичный уровень точности можно наблюдать в оптическом и сканирующем оборудовании, оборудовании для обработки микросхем и пластин в полупроводниковой промышленности, а также в области автоматизации лабораторных процессов.

Только линейные системы перемещения, разработанные с применением комплексного подхода к выбору и интеграции компонентов, способны удовлетворить эти постоянно растущие требования к производительности. Зачастую наиболее подходящим решением для таких систем является привод винта и гайки с электроприводом и соответствующей архитектурой управления. Рассмотрим ключевые аспекты и эксплуатационные характеристики каждого звена в этом типе линейной сборки.

Ссылка первая: Качество ходового винта и гайки

Ходовые винты существуют уже несколько десятилетий в различных исполнениях, с гайками разных конструкций и из разных материалов. Значительную часть этого времени станки для их производства настраивались вручную, что ограничивало качество производительностью станка и квалификацией оператора. Большинство производителей и сегодня по-прежнему используют такое оборудование, но современные автоматизированные процессы выводят качество ходовых винтов на новый уровень.

Например, такие операции используют управляемую ЧПУ подачу, регулировку перекоса и контроль давления для накатки резьбы, что позволяет добиться максимально стабильной формы резьбы ходового винта. Поверхность этих ходовых винтов всегда гладкая и не имеет абразивного износа, который может повредить полимерные гайки… что обеспечивает беспрецедентную точность и срок службы системы.

В то же время, передовые методы метрологии и контроля, отслеживающие форму и форму резьбы ходового винта, обеспечивают точность шага от точки к точке, которая до трёх раз выше, чем при использовании традиционных ручных методов. Это позволяет стабильно поддерживать точность шага до 0,003 дюйма/фут по всей длине винта.

Для транспортных применений, перемещающих объекты от точки к точке вдоль оси, достаточно традиционного метода проверки точности шага каждые 300 мм или шесть дюймов. Но для высокоточных применений важна точность резьбы каждого вала. Отклонение от требуемой геометрии резьбы называется «наплывом резьбы».

Новое автоматизированное оборудование с ЧПУ, технологические процессы и методы детального контроля обеспечивают более строгий контроль и качество, благодаря чему высокая и низкая точки в пределах отдельного витка резьбы демонстрируют значительно более высокую точность суб-оборота — другими словами, меньшее количество «пьянства». Это, в свою очередь, помогает ходовым винтам сохранять повторяемость позиционирования на протяжении одного оборота до 1 мкм. Это особенно важный показатель производительности в таких областях применения, как обработка дорогостоящих пластин и чипов для полупроводниковой промышленности и точное дозирование лекарств в шприцевых насосах.

После накатки резьбы передовые поставщики винтов выпрямляют валы винтов с помощью автоматизированного оборудования, чтобы минимизировать погрешности и биение, которые могут вызывать вибрацию, шум и преждевременный износ. Прямолинейность вала винта критически важна, поскольку любая погрешность становится заметнее при сборке с двигателем. В отличие от этого, традиционные (ручные) методы выпрямления винтов могут привести к эффекту снежного конуса в геометрии вала винта — в виде одной или нескольких арок, закручивающихся вокруг длинной оси вала. Автоматизированная выпрямляющая система и контроль устраняют эти погрешности, обеспечивая стабильную работу винта.

Заключительным этапом производства ходовых винтов является нанесение покрытия ПТФЭ. Только равномерно гладкая поверхность обеспечивает длительный срок службы и производительность системы. Неравномерное нанесение ПТФЭ (из-за неоптимальных условий нанесения покрытия или оборудования) может привести к образованию питтингов, трещин, пузырьков, отслаиванию или шероховатости поверхности, что приводит к преждевременному износу гайки и сокращению срока службы узла.

Звено второе: Взаимодействие гайки и винта

Традиционные гайки с защитой от люфта имеют многокомпонентную конструкцию, в которой для линейного перемещения цанги вдоль гайки требуется спиральная пружина, чтобы сомкнуть пальцы и контролировать посадку между винтом и гайкой.

Проблемы, способствующие отказу этих конструкций, включают в себя неравномерное и переменное усилие пружины, прерывистое движение цанги по гайке и колебания давления по мере износа материала гайки. В отличие от этого, одна из альтернативных гаек, предназначенная для обеспечения постоянного усилия, представляет собой упрощенную двухкомпонентную конструкцию, которая оказывает давление на штифты гайки радиально, то есть в направлении, необходимом для регулирования зазора или люфта между гайкой и винтом.

Рассмотрим традиционную конструкцию винтовой пружины и цанги для безлюфтовой гайки ходового винта. Здесь винтовая пружина переменного усилия создаёт осевое усилие, которое преобразуется в радиальное усилие посредством механического взаимодействия. Конструкция основана на литьевых компонентах, обеспечивающих равномерное распределение усилия по пальцам. Сравнительные испытания подтверждают, что предварительный натяг существенно изменяется в течение первых 1000 циклов.

В отличие от этого, некоторые гайки ходового винта с постоянным усилием и безлюфтовой системой обеспечивают люфт в два-четыре раза лучше, чем обычные конструкции, что подтверждено испытаниями FDA, проведенными заказчиком в области лабораторной автоматизации. Конструкция пружины с постоянным усилием обеспечивает постоянную предварительную нагрузку на протяжении всего срока службы оси. Самосмазывающийся материал гайки с добавлением ПТФЭ обеспечивает смазывающую способность и повышенную эффективность.

Одним из важнейших преимуществ безлюфтовых гаек с постоянным усилием является возможность их настройки в соответствии с конкретным применением путем корректировки пружины и других параметров. Такая настройка позволяет оптимизировать предварительный натяг, люфт, силу сопротивления и зазор в соответствии с требуемыми характеристиками. Каждая комбинация винт-гайка, а также каждый полностью собранный двигатель-винтовой узел могут быть протестированы по каждой из этих характеристик в ходе валидации и окончательной проверки.

Третье звено: Сопряженное или прямое подключение к приводу

Следующее звено цепи — это крепление винта к двигателю. Существует три основных способа это сделать.

Первый метод — наиболее традиционный, при котором муфта вводится в сборку как компонент между винтом и двигателем, выполненным с удлинённым валом-шпилем. Такая конструкция требует больше места для длины муфты и любого соответствующего корпуса крепления, а также может создавать проблемы с выравниванием. Из-за увеличения количества компонентов становится сложнее поддерживать их на одной оси. Если один или несколько компонентов не имеют округлой формы или не соосны, может возникнуть эффект кулачкового механизма, который значительно влияет на производительность и срок службы системы.

Второй метод предполагает установку винта в коническое отверстие для его механической фиксации (сзади) болтом. Такая сборка распространена в двигателях, требующих частого обслуживания, и обеспечивает быструю разборку и сборку. Недостаток заключается в том, что сложно поддерживать соосность, что может привести к эффекту «снежного конуса», усиливающему неточности по всей длине винта. Кроме того, это биение «снежного конуса» в винте создаёт точки износа, что может привести к необходимости обслуживания и преждевременному выходу системы из строя.

Третий метод заключается в непосредственной установке винта в полый вал двигателя и его фиксации лазерной сваркой на задней стороне двигателя. Этот метод обеспечивает максимальное зацепление винта с двигателем, что обеспечивает максимально возможную точность центровки. В некоторых случаях сварку можно заменить промышленным клеем, который обеспечивает прочное соединение винта с двигателем. Этот метод сборки также обеспечивает высочайшую точность, обеспечивая минимальное биение винта, что увеличивает срок службы и минимизирует потребность в техническом обслуживании.

Оптимизация центровки ходового винта, гайки и муфты продлевает срок службы всей системы. В качестве основы для сравнения с другими элементами системы были проведены испытания в различных ориентациях, с различными шагами, нагрузками и скоростями. Результаты показали, что срок службы ходового винта превышает срок службы стандартного подшипника L10 в 40 раз.

Другими словами, традиционные системы «двигатель-ходовой винт» включают в себя множество компонентов, требующих сборки и сложных для выравнивания. Они создают люфты и наложение допусков, что снижает точность и увеличивает вероятность отказа. Большое количество компонентов также увеличивает общую стоимость сборки. Однако интегрированные гибридные линейные приводы включают ходовой винт, совмещенный и зафиксированный непосредственно с двигателем, что позволяет уменьшить количество компонентов. Это обеспечивает повышенную жесткость, точность и надежность… а также общую ценность конструкции.

Звено четвертое: Выбор типа и конструкции двигателя

Линейные актуаторы поставляются с различными вариантами двигателей. Наиболее распространёнными являются шаговые двигатели с открытым контуром, с замкнутым контуром, использующие либо устанавливаемое на плату управления, либо интеллектуальные шаговые двигатели в промышленном корпусе, и, наконец, бесщёточные двигатели постоянного тока (BLDC). Каждый из них обладает своими характеристиками, скоростями и допустимой нагрузкой, а также имеет свои преимущества и недостатки, связанные со стоимостью, интеграцией, управлением и другими аспектами, которые мы рассмотрим далее.

Для определения максимального влияния на линейные характеристики двигателя необходимо заглянуть внутрь конструкции двигателя. В типичных двигателях общего назначения для фиксации подшипников и узла используются волнистые шайбы. Этого обычно достаточно для вращательных приводов, но часто может применяться и для линейных. Однако волнистые шайбы обеспечивают некоторую податливость двигателя, что может привести к небольшому осевому или линейному люфту, приводящему к неточности линейного перемещения.

Чтобы смягчить это, можно модифицировать один или оба элемента конструкции. Можно установить подшипники большего размера для увеличения осевой нагрузки узла, а также добавить гаечный ключ и отрегулировать его до заданного момента затяжки, чтобы устранить люфт в системе.

Ссылка пятая: Выбор вариантов управления

Последнее звено, объединяющее все элементы, — это способ управления и контроля физического линейного движения. Традиционно для этого требовалось несколько 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, диагностике и эксплуатации.

Появление готовых решений для интеллектуальных двигателей упростило электропроводку и сократило количество разъёмов и датчиков, необходимых для достижения производительности и управляемости шагового сервопривода. Это обеспечивает экономию средств благодаря меньшему количеству компонентов, а также сокращает время и трудозатраты на установку. Эти двигатели также поставляются в предварительно собранных промышленных корпусах, которые герметично защищают плату управления и элементы управления от несанкционированного доступа и загрязнений, обеспечивая степень защиты IP65 или IP67.

Если приложение требует специальных функций, минимизирует пространство и габариты, или низкая стоимость является критически важным фактором, то неинкапсулированная плата управления с защитой IP20, монтируемая на двигатель, станет полезным решением. Это особенно актуально для крупногабаритных приложений, размещаемых в стилизованных корпусах или оборудовании. Такие приводы реализуют преимущества интеллектуальных двигателей (как правило, при существенной экономии средств), а управление осуществляется непосредственно с двигателя, что упрощает и ускоряет связь с ведущим устройством или ПЛК.