Лучший подход к определению и выбору размеров линейных рельсов — это сначала определить наиболее важные параметры приложения, сузить выбор на основе этих требований, а затем применить критические переменные для окончательного выбора линейного рельса.

Сначала основы:Линейные направляющие, рельсы и каретки — это механические системы, состоящие из рельсов и подшипников, которые поддерживают и перемещают физические нагрузки по линейной траектории с низким коэффициентом трения. Обычно их классифицируют как системы с телами качения или втулками скольжения. Поскольку различные производители предлагают широкий выбор форм и размеров, разработанных для удовлетворения конкретных инженерных потребностей, ваша уникальная область применения определяет список критических параметров, которые следует учитывать, а также порядок их важности.

Наиболее распространённые типы направляющих и подшипников включают в себя профильные (квадратные) рельсы с подшипниковыми узлами с циркулирующими шариками, направляющие для роликовых подшипников и круглые рельсы с шариковыми втулками или плоскими втулками. Профильные рельсы подходят для применений, требующих исключительной жёсткости и точности, например, в головках станков и прецизионных перемещениях печатных плат. Системы роликовых подшипников предназначены для более широкого спектра применений, таких как подъём и перемещение деталей, а также для захвата и установки.

Чтобы выбрать наиболее подходящую для конкретного применения направляющую, сначала проанализируйте конкретные потребности системы. Затем изучите требования заказчика или программные требования, включая количество осей, повторяемость, допуски и точность, необходимые для достижения конечного результата. Наконец, учтите загрязнение окружающей среды, такое как пыль, вода, волокна и другие вещества.

Для любой системы тип подшипников определяется рабочей средой. Например, загрязненная среда может загрязнять узел и нарушать нормальное функционирование дорожек качения. В роликовых системах загрязнение контролировать легче, поскольку тела качения, как правило, крупнее. Подшипники скольжения подходят для применений, где смазка поверхностным контактом не рекомендуется или не может подвергаться воздействию окружающей среды, например, в некоторых исследовательских лабораториях или на предприятиях по производству кремниевых микросхем.

После выбора системы определите её параметры для правильного подбора. Для каждого перемещения в системе линейных направляющих учитывайте следующие параметры: ход, нагрузку, скорость, рабочий цикл, область крепления и ориентацию.

Размер системы линейных направляющих

Статическая нагрузка складывается из веса седла, гнездового крепления, полезной нагрузки и подшипников. Если в типичном комплекте с двумя рельсами и четырьмя каретками нагрузка весом 40,0 фунтов (18,7 кг) центрируется горизонтально в продольном направлении слева направо, каждый блок подшипников будет статически нагружен 10,0 фунтов (4,7 кг).

Суппорты бывают двух основных типов: седловые и консольные. Стандартный седловой суппорт с горизонтальной базой использует седло или блок, который перемещается между двумя фиксированными концевыми блоками. В консольном суппорте основной корпус и цилиндр остаются неподвижными, в то время как инструментальная пластина выдвигается и задвигается. Второй вариант консольного суппорта применяется при вертикальном перемещении грузов. При использовании одного рельса и двух кареток обе каретки подшипника могут быть равномерно нагружены в радиальном направлении. При выборе размера подшипника или каретки общая нагрузка на наиболее статически нагруженный ползун обычно задаётся как наихудший сценарий.

При выборе подшипников необходимо учитывать параметр нагрузки и его расстояние до центра тяжести (ЦТ) или центра масс. Нагрузка – это вес или сила, приложенная к системе, которая включает как статическую, так и динамическую нагрузку. Статическая нагрузка включает вес седла, гнездового приспособления, полезной нагрузки и подшипников. Динамическая (или кинетическая) нагрузка должна учитывать приложенные нагрузки при их взаимодействии с нагруженным подшипником седлом. Обычно эта нагрузка предъявляет к подшипникам требования по крутящему моменту. ЦТ седла обеспечивает единственное значение нагрузки на некотором расстоянии от центров подшипников.

Эти динамические значения, а также значения статической нагрузки, можно затем классифицировать как радиальную (Corad), осевую (Coax), крутящий момент вокруг оси X (Mx), крутящий момент вокруг оси Y (My) и крутящий момент вокруг оси Z (Mz). Эти переменные можно использовать практически в любых задачах определения размеров подшипников для выбора подходящего размера каретки. Статические значения нагрузки обычно выражаются в фунтах или ньютонах (Н), а динамические – в дюйм-фунтах или ньютон-метрах (Н·м).

Центры отдельных нагрузок находятся на относительном расстоянии от центра направляющей системы или центров подшипников, а расстояние ЦТ общей массы до направляющих составляет 1,5 дюйма (60 дюйм-фунт/40 фунтов). Подшипникам придётся выдерживать крутящий момент 60 дюйм-фунт, особенно при быстром ускорении или замедлении суппорта.

Скорость:Скорость критически важна, поскольку прикладываемые нагрузки по-разному влияют на систему при ускорении и замедлении по сравнению с движением с постоянной скоростью. Скорость обычно указывается в дюймах/с или в метрическом эквиваленте в м/с. Такие факторы, как тип профиля движения, определяют ускорение, необходимое для достижения желаемой скорости или времени цикла. Груз быстро разгоняется по трапециевидному профилю движения, а затем движется с постоянной скоростью, прежде чем замедлиться. Треугольный профиль движения, однако, предполагает быстрое ускорение и замедление. Более того, при расчете скорости приложения учитывайте максимальную скорость движения, а также ускорение и замедление, необходимые для достижения общей синхронности движения.

Рабочий цикл:Параметр рабочего цикла должен учитывать полное перемещение суппорта за полный цикл, который чаще всего равен двум ходам плюс холостые обороты за заданный промежуток времени. Ход приложения — это длина полного перемещения в одном направлении по линейной траектории. Обычно параметр рабочего цикла определяется как количество циклов, требуемых в минуту.

Область монтажа:Площадь крепления направляющей и седловых подшипников помогает определить общую длину (OAL) и расстояние между направляющими системы направляющих. В большинстве случаев рекомендуется учитывать максимально возможную площадь опоры для подшипников. Если вы не используете телескопические линейные подшипники, которые работают аналогично простым направляющим для выдвижных ящиков, общая длина направляющей должна включать ход линейного перемещения, а также площадь опоры подшипника.

При выборе области монтажа также необходимо учитывать основание или каркасную систему, на которой крепится направляющая. Площадь опоры подшипника — это расстояние от передней части одной каретки до задней части самой дальней каретки вдоль одной линейной направляющей. Многие профильные валы необходимо монтировать на полностью обработанные и отшлифованные поверхности для надлежащего соответствия требованиям программы к точности. Другие конструкции можно устанавливать непосредственно на алюминиевые или трубчатые каркасы без потери грузоподъемности и жесткости.

Ориентация:Монтажная ориентация направляющих критически важна для настройки параметра нагрузки, поскольку опора может перемещаться горизонтально, вертикально, вдоль настенного крепления или даже в перевёрнутом положении. Для достижения наилучшей производительности нагрузочную способность следует распределять на наиболее прочную часть подшипниковой системы. Например, каретка с радиальным шарикоподшипником должна быть ориентирована так, чтобы воспринимать нагрузку в радиальном, а не в осевом направлении.

Теперь сделайте выбор линейной направляющей

Это пример применения в стандартной среде с лёгким уровнем запылённости, требующей средней повторяемости. В связи с этими двумя факторами была выбрана система роликовых подшипников с предварительным натягом, работающая на закалённых стальных дорожках качения. Высокая скорость и длительный срок службы достигаются без необходимости использования максимальных мощностей.

Как правило, для направляющей шириной 1 дюйм (25,5 мм) скорость вращения подшипников скольжения не должна превышать 20 дюймов/с, для систем с циркулирующими шариками — 80 дюймов (200 дюймов), а для роликов — около 200 дюймов/с (200 дюймов/с). Чтобы достичь полного хода 118 дюймов (350 мм) за 3 секунды, мы будем ускоряться и замедляться по 6 дюймов (150 мм) за 0,5 секунды каждое. Это позволит пройти ход 106 дюймов (250 мм) и достичь целевого времени за 2 секунды. Длина каждой направляющей должна быть не менее 162 дюймов (400 мм), поскольку ход составляет 118 дюймов (350 мм), а длина опорной гайки — 44 дюйма (111 мм) в измерении вдоль направляющей. Иногда полезно оставлять запас в один-два дюйма (250 мм) на каждом конце хода для концевых выключателей, амортизаторов или датчиков.

Каждый из подшипников будет равномерно нагружен 100 фунтами (45,5 кг), поскольку подшипники установлены в каждом углу седла, а центр тяжести смещен в продольном направлении слева направо. Каждая из кареток подшипников может выдерживать максимальную радиальную нагрузку 500 фунтов (223,7 кг), поэтому здесь рассчитан достаточный срок службы, поскольку подшипники нагружаются в диапазоне от 20 до 50% от общей грузоподъемности.