Сокращение времени проектирования критически важно в инженерии, поскольку это приводит к снижению затрат и ускорению вывода продукта на рынок. Время проектирования часто включает в себя ряд действий, не добавляющих ценности, таких как перепроектирование, проектирование с запасом или расширение области применения, которые можно минимизировать благодаря глубокому пониманию всех критериев применения, проверке расчётов и анализа путём параметрического тестирования компонентов, модулей и целых сборок с помощью оборудования для сбора данных, а также подтверждению прогнозируемых эксплуатационных характеристик испытаниями.

Соберите как можно больше информации о применении с самого начала, чтобы избежать необходимости возвращаться к повторению отдельных частей, а то и всего процесса проектирования. Будьте внимательны и готовы к изменению объёма работ. Используйте теоретические расчёты и анализ для определения оптимальных первоначальных вариантов конструкции, а затем сравните их с результатами испытаний ключевых эксплуатационных характеристик на реальном оборудовании. Подтвердите результаты стендовых испытаний, проведя циклические испытания в реальных полевых условиях.

Определение требований

Первый и важнейший этап практически любого инженерного процесса — определение требований к применению. Каждый продукт может иметь уникальный набор критериев, влияющих на его производительность. Использование контрольного списка поможет учесть параметры, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными.

Ключевые данные по заявке в образце контрольного списка могут включать:

• Нагрузка/скорость (динамическая и статическая)
• Напряжение: 12, 24, 36, 48 В постоянного тока, 110, 220 В переменного тока
• Направление нагрузки
• Длина хода
• Срок службы/рабочий цикл
• Относящийся к окружающей среде
• Защита от остановки поршня: сцепление, концевые выключатели?
• Как будет управляться привод?
• Обратная связь
• Сертификация CE

Выбор правильной шарико-винтовой передачи для конкретного применения может потребовать итеративного процесса для определения наименьшего рабочего диапазона и наиболее экономически эффективного решения. Требования к проектной нагрузке, линейной скорости и точности позиционирования используются для расчета диаметра, шага резьбы и грузоподъемности подходящей шарико-винтовой передачи. Отдельные компоненты шарико-винтовой передачи могут быть выбраны с учетом срока службы, габаритных ограничений, конфигурации крепления и условий окружающей среды.

Хорошей отправной точкой будет определение направления и величины нагрузки. Ориентация системы может иметь большое значение. При горизонтальной ориентации нагрузка на привод равна весу полезной нагрузки, умноженному на коэффициент трения. При вертикальной ориентации нагрузка на привод равна весу. Нагрузки, действующие на линейные подшипники и направляющие, могут быть вертикальными, горизонтальными, моментными нагрузками тангажа, крена или рыскания, а также любой их комбинацией. Нагрузки также могут различаться по величине и направлению.

Результирующие векторы нагрузки на каждый подшипник должны быть определены на основе правильного сочетания различных векторов нагрузки, действующих на систему линейных подшипников, поскольку ожидаемый срок службы невозможно оценить, основываясь только на векторах нагрузки всей системы. Нагрузка, которой подвергается каждый линейный подшипник, называется эквивалентной нагрузкой для данного подшипника. Затем система рассчитывается на основе размера наиболее нагруженного подшипника. Дополнительную информацию о методах расчета эквивалентной нагрузки см. в каталогах поставщиков линейных подшипников и руководств.

Например, шарико-винтовая передача предназначена для восприятия осевых нагрузок, преобразуя вращательное движение в осевое. Способность шарико-винтовой передачи противостоять продольному изгибу под действием сжимающих нагрузок называется прочностью колонны. Винт воспринимает осевую нагрузку, которая фактически равна по величине и противоположна по направлению нагрузке, передаваемой на шариковую гайку — её дополнительную часть — и связана геометрией конструкции с крутящим моментом приводного двигателя. В общем случае прочность колонны является ограничивающим параметром конструкции, поскольку для больших длин она может быть значительно ниже фактической прочности материала на сжатие. Поскольку отношение свободной длины к диаметру тесно связано с продольным изгибом колонны, отсюда следует, что для заданного диаметра осевая грузоподъёмность шарико-винтовой передачи зависит от её свободной длины.

Срок службы системы линейного перемещения можно спрогнозировать на основе её эксплуатационного профиля: количества часов в день, дней в неделю и недель в году, которые будет эксплуатировать шарико-винтовая передача. Для более сложных приложений или более точного прогнозирования срока службы необходимо построить подробный, полный профиль движения, разбивая движения на практически прямолинейные сегменты. Для каждого сегмента профиля движения потребуется информация о скорости в начале и конце сегмента, продолжительности сегмента и крутящем моменте на протяжении сегмента.

Определите требуемую для вашего применения точность позиционирования и повторяемость. Например, дюймовые шарико-винтовые винты обычно выпускаются двух классов точности: Precision и Precision Plus. Прецизионные шарико-винтовые винты используются в приложениях, требующих относительно высокой точности перемещения или использующих линейную обратную связь для позиционирования. Прецизионные шарико-винтовые винты используются, когда критически важна повторяемость позиционирования в пределах микрометров и не используется линейная обратная связь. В то время как прецизионные винты имеют большую кумулятивную погрешность по всей полезной длине винта, винты Precision Plus ограничивают накопление погрешности шага, обеспечивая более точное позиционирование по всей полезной длине винта.

Выбор и размер

Таблицы, предоставляемые поставщиками систем линейного перемещения, могут стать кратчайшим путём к правильному подбору и размеру систем линейного перемещения, что позволит сэкономить время. В качестве примера мы рассмотрим трёхкоординатный сварочный портал, чтобы продемонстрировать, как выбирать и определять размер шарико-винтовой передачи с помощью формул из каталога. Шарико-винтовая передача проходит по всей длине оси X и поддерживается с обоих концов подшипниковыми опорами. Для простоты мы обозначим крепление гайки как фланцевое, материал – как легированную сталь, направление резьбы – как правое, а серию изделия – как метрическую. Ориентация системы в данном случае горизонтальная, конструкция с винтовым приводом, длина оси X составляет 6 метров. Будут использоваться фиксированные концы с термостабильным фланцем.

Каретка, движущаяся по профильным рельсам, прикладывает нагрузку 2668,9 ньютона. Длина перемещения составляет 4,5 м, а свободная длина – 5,818 м. Требуемая скорость – 0,1 м/с, ускорение – ±2,5 м/с². Рабочий цикл составляет 8 часов в день, 5 дней в неделю и 50 недель в году со средним количеством циклов 10 в час. Требуемый срок службы – 20 лет для шарико-винтовой передачи и 5 лет для компонентов. Дополнительное требование – использование шагового двигателя в соответствии с требованиями электротехнического отдела.

Далее мы выбираем линейные подшипники для оси X. Основными требованиями для данного применения являются высокая грузоподъёмность и жёсткость. Длина хода относительно большая – 5500 метров; однако наличие 6-метровых винтов исключает необходимость стыкового соединения. Важным требованием для данного применения является простота обслуживания. В результате были выбраны линейные направляющие с шариковым профилем серии 500.

После этого выбора можно рассчитать нагрузку на шарико-винтовую передачу. Исходя из этой нагрузки, в качестве отправной точки выбрана шариковая гайка 1610. Эта шарико-винтовая передача имеет встроенный фланец, встроенный грязесъемник и крепление M4. Точность шарико-винтовой передачи составляет ±50 мкм/300 мм.

Затем проверяется требование к ожидаемому сроку службы. Срок службы обычно оценивается на уровне L10, что соответствует сроку службы, по истечении которого 90% шариковинтовых передач сохраняют работоспособность. В данном случае ожидаемый срок службы составляет 10 км. Причина столь высокого срока службы заключается в том, что мы выбрали шариковинтовую передачу, ориентируясь на критическую скорость, а не на срок службы.

Тестирование предложенной конструкции

После того, как вы выбрали проект на основе расчётов, необходимо провести тестирование, чтобы убедиться в правильности ваших предпосылок. Тестирование призвано подтвердить, что предложенное действительно реализовано, и, если это не так, определить необходимые корректирующие действия. Тестирование должно быть направлено на получение ответов на такие вопросы, как:

• Соответствует ли готовый продукт проектной спецификации?
• Соответствуют ли эксплуатационные характеристики, в пределах экспериментальных данных, теоретическим расчетам, и если нет, насколько они различаются и почему?
• Обеспечивает ли продукт необходимый уровень надежности?
• Каковы потенциальные режимы и точки отказа продукта?
• Как текущее решение соотносится с альтернативами?

Для крупных систем и машин рекомендуется начать с испытаний компонентов, затем перейти к стендовым испытаниям узлов, а затем, наконец, к испытаниям всей сборки. На каждом этапе испытаний результаты следует анализировать и сравнивать с теоретическими расчётами, чтобы убедиться в правильности конструкции или рассмотреть разумные возможности для её улучшения. Цель испытаний — выявить, что мы могли упустить в расчётах и ​​моделировании.

Конфигурированные системы линейного движения

На протяжении всего процесса важно также учитывать, имеет ли смысл приобретать готовую систему линейного перемещения, а не проектировать и собирать её самостоятельно. В этом случае вам необходимо предоставить интегратору линейного перемещения требования к применению, такие как конфигурация монтажа, требования к позиционированию, условия окружающей среды, условия нагрузки, требования к перемещению и любые особые соображения. Затем интегратор, как правило, использует веб-систему подбора и подбора размеров для проектирования и конфигурирования индивидуальной системы линейного перемещения на основе ваших данных. Интегратор часто может предоставить смету и CAD-файл предлагаемой конструкции в течение 24 часов с момента вашего запроса. Стоимость такой системы в большинстве случаев будет ниже стоимости отдельных компонентов.

Такой подход обычно позволяет сократить время проектирования и стоимость сборки на 90% и более, а также зачастую обеспечивает экономию материалов на 20–30%. Что ещё важнее, благодаря сокращению времени, затрачиваемого на проектирование систем линейного перемещения, ваши инженеры будут тратить меньше времени на работу вне своей основной компетенции и больше времени на то, что у них получается лучше всего — на общую системную интеграцию.

Подводя итог, воспользуйтесь всеми полезными ресурсами для экономии времени проектирования. Не упускайте из виду возможность поставщиков систем линейного перемещения предоставлять конфигурированные узлы линейного перемещения, которые помогут вам сократить затраты на проектирование и сборку. Оцените альтернативы покупки компонентов, модулей и полных систем с точки зрения их влияния на время проектирования и сборки. Используйте в своих интересах все доступные инструменты проектирования, такие как диаграммы, формулы, онлайн-системы подбора и 3D-модели. Наконец, обратитесь в службу технической поддержки, чтобы воспользоваться их опытом в области стандартных, модифицированных стандартных и специализированных решений. Убедитесь, что у поставщика есть данные проверки/испытания/анализа проекта, подтверждающие заявленные характеристики и проектные позиции. Такой подход может сократить время проектирования до минимума, гарантируя при этом соответствие систем линейного перемещения требованиям к производительности и долговечности.