Розгляньте п'ять ланок у ланцюжку елементів дизайну, настільки важливих для точної роботи.

Система лінійного руху міцна настільки, наскільки міцні найсильніші ланки в її ланцюжку механічних та електромеханічних елементів. Розуміння кожного компонента та функції (та їхнього впливу на результат проектування) покращує прийняття рішень та збільшує ймовірність того, що кінцевий проект повністю відповідатиме вимогам застосування. Зрештою, люфт системи, точність та інші аспекти продуктивності можна простежити до елементів у проектуванні та виробництві ходового гвинта, гайки з антилюфтовим зворотним рухом, муфт, двигуна та стратегії керування.

Співпраця з постачальниками лінійного руху, які мають досвід у всіх ланках конструкції, – це найкращий спосіб досягти найвищої продуктивності. Зрештою, оптимізовані системи керування рухом подібні до високопродуктивного спортивного автомобіля, всі елементи якого добре збалансовані… для якого двигун правильного розміру + правильна трансмісія + правильні шини + чудові функції керування (такі як антиблокувальна система гальм та система контролю тяги) = чудова продуктивність.

Розглянемо деякі приклади конструкцій, що вимагають максимальної продуктивності. У деяких видах 3D-друку роздільна здатність шарів знижується до 10 мкм на шар. У медичних пристроях дозувальні пристрої повинні видавати життєво важливі ліки та контролювати дози аж до мікролітрів. Такий самий тип високої точності можна спостерігати в оптичному та скануючому обладнанні, обладнанні для обробки мікросхем та пластин у напівпровідниковій промисловості, а також у сфері автоматизації лабораторій.

Тільки конструкції лінійного руху, побудовані з цілісним підходом до вибору та інтеграції компонентів, можуть задовольнити ці дедалі вищі вимоги до продуктивності. Часто найбільш підходящим рішенням для таких конструкцій є гвинт та гайка з моторним приводом та відповідною архітектурою керування. Тож давайте розглянемо ключові міркування та характеристики продуктивності для кожної ланки в цьому типі лінійного вузла.

Посилання перше: Якість ходового гвинта та гайки

Ходові гвинти існують вже десятиліттями в різних формах з різноманітними конструкціями гайок та матеріалами. Протягом більшої частини цього часу машини, що використовувалися для виробництва ходових гвинтів, регулювалися вручну, що обмежувало якість можливостями машини та рівнем кваліфікації оператора. Більшість виробників сьогодні досі використовують цей тип обладнання, але сучасні автоматизовані процеси виводять якість ходових гвинтів на новий рівень.

Наприклад, у таких операціях використовується подача з ЧПК, регулювання нахилу та керування тиском для процесу нарізання різьби роликами, що забезпечує максимально рівномірну форму різьби ходового гвинта. Поверхня цих ходових гвинтів завжди гладка та не має стирань, які можуть призвести до пошкодження полімерних гайок… для безпрецедентної точності та терміну служби системи.

Водночас, передові методи метрології та контролю, які відстежують форму та обриси різьби ходового гвинта, показують результати з точністю кроку від точки до точки, яка до трьох разів вища, ніж у традиційних ручних методів. Це стабільно підтримує точність кроку до 0,003 дюйма/фут по всій довжині гвинта.

Для транспортних застосувань, що передбачають переміщення об'єкта з точки в точку вздовж осі, традиційний метод перевірки точності кроку кожні 300 мм або шість дюймів є достатнім. Але для застосувань з найвищою точністю важлива точність кожної різьби вала. Відхилення від відповідної геометрії різьби називається «сп'янінням» різьби.

Нове автоматизоване обладнання, процеси та методи детального контролю на верстатах з ЧПК забезпечують жорсткіший контроль та якість, завдяки чому найвища та найнижча точки в межах окремої різьби демонструють значно покращену точність субобертання — іншими словами, менше «сп'яніння». Це, у свою чергу, допомагає ходовим гвинтам підтримувати повторюваність позиціонування протягом одного оберту на рівні 1 мкм. Це особливо важливий показник продуктивності в таких застосуваннях, як обробка дорогих пластин та мікросхем для напівпровідникової промисловості та точне дозування ліків у шприцевому насосі.

Після накочування різьби, постачальники передових гвинтів вирівнюють вали гвинтів за допомогою автоматизованого вирівнювання, щоб мінімізувати помилки та биття, які можуть спричинити вібрацію, шум та передчасний знос. Прямолінійність вала гвинта є критично важливою, оскільки будь-яка помилка посилюється під час його складання з двигуном. На противагу цьому, традиційні (ручні) методи вирівнювання гвинтів можуть створювати ефект снігового конуса в геометрії вала гвинта — у вигляді однієї арки або кількох арок, що закручуються навколо довгої осі вала. Знову ж таки, автоматизоване вирівнювання та контроль усувають ці помилки, що призводить до стабільної роботи гвинта.

Заключним кроком у виробництві ходових гвинтів є нанесення PTFE-покриття. Тільки рівномірно гладке покриття забезпечує тривалий термін служби та продуктивність системи. Нерівномірне нанесення PTFE (внаслідок неоптимального середовища покриття або обладнання) може спричинити появу точкової коррозії, тріщин, бульбашок, відшаровування або шорсткості поверхні, що призводить до передчасного зносу гайки та скорочення терміну служби збірки.

Ланка друга: Взаємодія гайки та гвинта

Традиційні гайки із захистом від зворотного ходу мають багатосекційну конструкцію, яка вимагає гвинтової пружини для лінійного переміщення цанги вздовж гайки, щоб закрити пальці та контролювати посадку між гвинтом та гайкою.

Проблеми, що сприяють виходу з ладу в цих конструкціях, це спорадичне та змінне зусилля пружини, заїдання цанги на гайці та коливання тиску в міру зношування матеріалу гайки. Натомість, одна альтернативна гайка, розроблена для забезпечення постійного зусилля, має спрощену двосекційну конструкцію, яка чинить тиск на пальці гайки радіально, що є напрямком, необхідним для контролю зазору або люфту між гайкою та гвинтом.

Розглянемо звичайну конструкцію гвинтової пружини та цанги для гайки ходового гвинта з антилюфтовим механізмом. Тут гвинтова пружина зі змінним зусиллям генерує осьове зусилля, яке перетворюється на радіальне зусилля через механічне впливання. Конструкція спирається на компоненти, отримані методом лиття під тиском, для рівномірного розподілу зусилля на пальці. Еталонні випробування підтверджують, що попереднє навантаження різко змінюється протягом перших 1000 циклів.

На противагу цьому, деякі гайки ходового гвинта з постійним зусиллям та антилюфтовим механізмом забезпечують люфтові характеристики, які в два-чотири рази кращі, ніж у звичайних конструкцій, що підтверджено випробуваннями FDA, проведеними клієнтами з лабораторної автоматизації. Конструкція пружини з постійним зусиллям забезпечує стабільне попереднє навантаження протягом усього терміну служби осі. Самозмащувальний матеріал гайки з PTFE для змащування та підвищеної ефективності.

Однією з найбільших переваг гайок ходового гвинта з постійною силою та антилюфтовим механізмом є їхня можливість налаштування відповідно до застосування за допомогою регулювання пружини та інших параметрів. Таке налаштування дозволяє оптимізувати попереднє натягнення, люфт, силу опору та робочий зазор для відповідності необхідним специфікаціям. Кожну комбінацію гвинта та гайки, а також кожен повноцінний двигун та гвинтовий вузол, можна перевірити на наявність кожної з цих характеристик під час перевірки та остаточної перевірки.

Зв'язок третій: З'єднане або пряме підключення до приводу

Наступна ланка в ланцюжку – це те, як гвинт кріпиться до двигуна. Існує три основні способи, як це зробити.

Перший – це найтрадиційніший метод, коли муфта вводиться в збірку як компонент між гвинтом і двигуном, побудованим з подовженим валом-штифтом. Така конструкція вимагає більше місця для довжини муфти та будь-якого пов'язаного з нею корпусу кріплення, а також може створювати проблеми з вирівнюванням. Через збільшення кількості компонентів важче утримувати все на центральній лінії. Якщо один або декілька компонентів нерівні або не вирівнюються, результатом може бути ефект кулачкового типу, який значно впливає на продуктивність і термін служби системи.

Другий метод полягає в тому, що гвинт вставляється в конічний отвір, щоб механічно закріпити його на місці (ззаду) за допомогою болта. Таке складання поширене на двигунах, які потребують частого технічного обслуговування, а також є швидким методом розбирання та повторного складання. Недоліком є ​​те, що вирівнювання важко підтримувати, і це може спричинити ефект снігового конуса, який посилює неточності по всій довжині гвинта. Крім того, це коливання снігового конуса в гвинті створює точки зносу, які можуть призвести до необхідності технічного обслуговування та передчасного виходу системи з ладу.

Третій метод — це безпосереднє встановлення гвинта на порожнистий вал у двигуні та закріплення гвинта лазерним зварюванням на задній панелі двигуна. Цей метод забезпечує максимальне зчеплення гвинта з двигуном, що призводить до максимально можливої ​​точності вирівнювання. У деяких випадках зварювання може бути замінено промисловим клеєм, який створює постійне з'єднання між гвинтом і двигуном. Цей метод складання також забезпечує найвищий рівень точності, забезпечуючи найменше биття гвинта, що призводить до збільшення терміну служби та мінімізації потреби в технічному обслуговуванні.

Оптимізація вирівнювання ходового гвинта, гайки та муфти подовжує термін служби всієї системи. Як базова точка для порівняння з іншими елементами системи, випробування в різних орієнтаціях з різними виводами, а також з діапазоном навантажень та швидкостей. Результати показали, що термін служби перевищує стандартний термін служби підшипника L10 у 40 разів.

Іншими словами, традиційні схеми двигуна та ходового гвинта містять кілька компонентів, які потребують складання та важко вирівняти. Вони створюють люфт та накопичення допусків, що знижує точність та збільшує ймовірність відмови. Велика кількість компонентів також призводить до вищої загальної вартості складання. Але інтегровані гібридні лінійні приводи включають ходовий гвинт, вирівняний та закріплений безпосередньо з двигуном, що дозволяє зменшити кількість компонентів. Це забезпечує більшу жорсткість, точність та надійність… а також загальну цінність конструкції.

Ланка четверта: Вибір типу та конструкції двигуна

Лінійні приводи постачаються з різними варіантами двигунів, найпоширенішими з яких є кроковий двигун з розімкнутим контуром, версія із замкнутим контуром з використанням або плати керування, або інтелектуального крокового двигуна в промисловому корпусі, і, нарешті, безщітковий двигун постійного струму (BLDC). Кожен з них має свої власні характеристики продуктивності, швидкості та можливості навантаження, а також має свій набір переваг і недоліків щодо вартості, інтеграції, керування тощо, які ми розглянемо пізніше.

Найбільший вплив на характеристики лінійного руху двигуна має внутрішня конструкція двигуна. У типових двигунах загального призначення використовується хвиляста шайба для утримання підшипників та вузла на місці. Цього зазвичай достатньо для обертових застосувань, і часто це також можна застосовувати для лінійних. Однак хвилясті шайби забезпечують певну податливість двигуна, що може спричинити невеликий осьовий або лінійний люфт, що призводить до неточностей лінійного положення.

Щоб полегшити це, в конструкції можна модифікувати один або обидва елементи. Можна встановити більші підшипники, щоб збільшити тягову здатність вузла, а також додати гайковий ключ і відрегулювати його до заданого крутного моменту, щоб зменшити люфт у системі.

Ланка п'ята: Вибір варіантів керування

Остання ланка, яка об'єднує всі елементи, — це те, як фізичний лінійний рух має бути спрямований та керований. Традиційно для цього потрібно було б кілька окремих елементів, включаючи підсилювач і контролер. Кожна з них потребувала б шафи та відповідного обладнання, проводки, енкодера та датчиків для зворотного зв'язку. Такі установки можуть стати складними та громіздкими для встановлення, усунення несправностей та експлуатації.

Поява готових рішень для інтелектуальних двигунів спростила підключення та зменшила кількість роз'ємів і датчиків, пов'язаних з отриманням продуктивності та керування за допомогою ступінчастого сервоприводу. Це забезпечує економію коштів завдяки меншій кількості компонентів, а також меншим витратам часу та праці, пов'язаним з встановленням. Ці двигуни також постачаються в попередньо зібраних промислових корпусах, які герметизують та захищають плату та керування від зловживань або забруднення, зі ступенем захисту IP65 або IP67.

Коли застосування вимагає специфічних налаштованих функцій, має мінімізований простір та розміри, або низька вартість є критичним фактором, корисним варіантом є спеціальна негерметична плата керування двигуном зі ступенем захисту IP20. Це особливо актуально для великогабаритних застосувань, розміщених у стилізованих корпусах або обладнанні. Такі приводи надають переваги інтелектуальних двигунів (зазвичай зі значною економією коштів), а керування здійснюється безпосередньо на двигуні для легшого та швидшого зв'язку з головним пристроєм або ПЛК.