В этой статье будут рассмотрены основы проектирования линейной системы, включая систему опорных конструкций, технологию направляющих, приводную технику, а также герметизацию, смазку и комплектующие. Сначала будут рассмотрены преимущества и недостатки различных технологий, таких как приводы с ходовым винтом, шарико-винтовые приводы, ременные передачи, шариковые направляющие, направляющие скольжения и роликовые направляющие. Далее будут рассмотрены преимущества и недостатки проектирования и сборки собственной линейной системы по сравнению с конфигурированием системы из стандартных компонентов. Наконец, в статье будет описан пошаговый веб-процесс определения размера и выбора линейной системы на основе экономичных стандартных компонентов.

Строительными блоками линейной системы являются система структурной поддержки, привод, направляющая система, уплотнения, смазка и принадлежности. Основным компонентом системы структурной поддержки обычно является алюминиевый профиль длиной до 12 метров. Монтажная поверхность основания может быть обработана для применения в условиях, требующих точного позиционирования. Профили основания для применения в транспортном оборудовании с меньшей точностью обычно не подвергаются механической обработке. Основания, используемые в транспортном оборудовании, оптимизированы для обеспечения устойчивости к изгибу под нагрузкой и деформации в процессе экструзии, что позволяет использовать систему только с торцов.

Основными типами направляющих являются шариковые направляющие, колесные направляющие и направляющие скольжения или призматические направляющие. Шариковые направляющие выдерживают высокие полезные нагрузки до 38 000 ньютонов (Н) и высокие моментные нагрузки до 27,60 ньютон-метров (Нм). Другими преимуществами шариковых направляющих являются низкое трение и высокая жесткость. Шариковые направляющие доступны в конфигурациях с одним или двумя рельсами. Недостатками шариковых направляющих являются относительно высокая стоимость и высокий уровень шума. Ключевым преимуществом колесных направляющих является их способность работать на исключительно высоких скоростях, до 10 метров в секунду (м/с). Колесные направляющие также обеспечивают низкое трение и очень высокую жесткость. С другой стороны, колесные направляющие имеют относительно низкую стойкость к ударным нагрузкам. Направляющие скольжения используют призматические полимерные втулки, работающие непосредственно на поверхности профиля, что обеспечивает очень тихую работу и выдерживает высокие ударные нагрузки. Ключевым преимуществом направляющих скольжения является их способность работать в загрязненных средах. Направляющие скольжения имеют меньшую скорость и грузоподъемность, чем шариковые или колесные направляющие.

Наиболее популярными приводными технологиями являются шарико-винтовые передачи, приводы ходового винта и ременные передачи. Шарико-винтовой привод состоит из шарико-винтовой передачи и шариковой гайки с рециркулирующими шарикоподшипниками. Шлифованные и предварительно нагруженные шарико-винтовые передачи обеспечивают исключительно высокую точность позиционирования. Нагрузка на шарико-винтовую передачу распределяется по большому количеству шарикоподшипников, так что каждый шарик подвергается относительно низкой нагрузке. Результатом является высокая абсолютная точность до 0,005 мм, высокая осевая нагрузка до 40 кН и высокая жесткость. Абсолютная точность определяется как максимальная погрешность между ожидаемым и фактическим положением. Шарико-винтовые передачи обычно обеспечивают механический КПД 90%, поэтому их более высокая стоимость часто компенсируется сниженной потребляемой мощностью. Критическая скорость шарико-винтовой передачи определяется диаметром впадины винта, свободной длиной и конфигурацией концевой опоры. Шарико-винтовые опоры позволяют использовать винтовые приводы с ходом до 12 метров и входной скоростью 3000 об/мин. Приводы ходового винта не могут сравниться с шарико-винтовыми передачами по абсолютной точности позиционирования, но обеспечивают отличную повторяемость 0,005 мм. Повторяемость определяется как способность системы позиционирования возвращаться в местоположение во время работы при приближении с того же направления с той же скоростью и степенью замедления. Приводы с ходовым винтом используются в приложениях позиционирования с низким и средним рабочим циклом и работают с низким уровнем шума. Ременные приводы используются в высокоскоростных, высокопроизводительных транспортных приложениях со скоростями до 10 м/с и ускорением до 40 м/с2. Как направляющая система, так и система привода обычно требуют смазки. Легкий доступ к смазочным фитингам упрощает профилактическое обслуживание. Одним из эффективных подходов является использование фитингов Zerk на каретке, которые питают сеть, через которую как шариковый винт, так и система линейных подшипников смазываются во время установки и через периодические интервалы обслуживания. Система призматических направляющих не требует обслуживания. В дополнение к присущей полимеру смазывающей способности, имеются смазанные войлочные грязесъемники, которые пополняют смазку при каждом ходе. Технология герметизации важна во многих приложениях. Магнитное полосовое уплотнение состоит из магнитной ленты из нержавеющей стали, которая подпружинена для поддержания натяжения. Оба конца крепятся к торцевым пластинам системы, а защитная лента или уплотнительная лента пропускается через полость в каретке. По мере перемещения кареток по всей длине системы лента поднимается над магнитами, обеспечивая проход каретки.

Альтернативная технология герметизации – пластиковые крышки с эластичной резиновой полосой, которая сцепляется с базовым профилем, действуя подобно пакету Ziploc. Сопрягающиеся профили «шип-паз» создают лабиринтное уплотнение, чрезвычайно эффективно предотвращающее проникновение частиц. Гибкие крепления двигателя упрощают интеграцию линейных систем в автоматизированные сборки. Пользователи могут просто запросить стандартное крепление двигателя NEMA или предоставить информацию о монтаже, специфичную для их двигателя, или указать название производителя двигателя и номер детали. Корпус и муфта изготавливаются из стандартных заготовок в соответствии с ключевыми характеристиками двигателя заказчика: размером болта и диаметром окружности болтов на фланце двигателя; диаметром направляющей втулки двигателя; диаметром и длиной вала двигателя. Это позволяет легко монтировать направляющие горизонтально, вертикально, наклонно или перевернутым практически на любой двигатель с гарантированным выравниванием.

Не каждая комбинация типа привода и типа направляющей имеет смысл. Семь технологических групп, используемых на практике, включают в себя привод с ходовым винтом и шариковой направляющей, привод с ходовым винтом и направляющей скольжения, шарико-винтовой привод и шариковой направляющей, шарико-винтовой привод и направляющей скольжения, ременной привод и шариковой направляющей, ременной привод и направляющей скольжения, а также ременной привод и направляющей скольжения. Диаграммы скольжения отображают относительные сильные и слабые стороны каждой из этих технологий. Технология привода с шарико-винтовой передачей обеспечивает высокую повторяемость, жёсткость и способность выдерживать большие силы и моменты. Она используется в системах точного позиционирования с высокими нагрузками и продолжительными рабочими циклами, например, в линейных системах, используемых для загрузки и выгрузки заготовок зубчатых передач на станке. Устройства с ременным приводом и шариковыми направляющими предназначены для высокоскоростных и ускоренных применений с большой полезной нагрузкой и большими моментами нагрузки. Эта технологическая группа подходит для применений, охватывающих зазор и имеющих опору либо на концах, либо с периодическим расположением опор. Типичное применение – паллетирование банок. Линейные системы с ременным приводом и направляющими скольжения обеспечивают умеренную скорость и ускорение. Направляющие скольжения способны выдерживать ударные нагрузки, но имеют некоторые ограничения по линейным скоростям. Такое сочетание обеспечивает экономичное, малошумное решение, требующее минимального обслуживания. Добавление магнитной защитной ленты делает это решение идеальным для сред с высоким содержанием твердых частиц и требованиями к промывке, например, при распылительной обработке листового металла. Устройства с ременным приводом и колесными направляющими обеспечивают высокую линейную скорость и ускорение, а также умеренную стоимость, низкий уровень шума и относительно низкие требования к обслуживанию. Типичная область применения — упаковочные и фасовочные машины.

Сделать или купить? При выборе между изготовлением или покупкой линейной системы важно учитывать время проектирования и необходимые для её разработки знания. Проектирование системы включает в себя инженерные расчёты, такие как срок службы линейных и радиальных подшипников, срок службы шарико-винтовой передачи, критическая скорость шарико-винтовой передачи, прогиб опорного профиля, выбор смазки, конструкция кожуха и т. д. Недостатком подхода к расширению линейной системы для сокращения времени проектирования является увеличение стоимости и габаритов, при этом базовое проектирование по-прежнему необходимо, чтобы убедиться, что ничего не упущено. При покупке линейных систем могут возникнуть ситуации, когда стандартные каталожные изделия не соответствуют требованиям области применения. В этом случае существенные изменения стандартных изделий или конструкций из технических паспортов являются приемлемыми альтернативами. Партнёр с широким ассортиментом продукции и инженерными возможностями может помочь вам решить вашу проблему, сэкономив время и деньги, а также ускорив цикл разработки.