Создание успешной системы линейного перемещения начинается с выбора подходящего привода. Среди множества размеров, технологий и характеристик существуют сотни вариантов. Задача состоит в том, чтобы сузить выбор до привода, который обеспечит наилучшие результаты. К счастью, это не так сложно, как кажется. Требования к применению сузят набор возможных решений, а ограничения проекта определят оптимальный вариант.

Процесс начинается с рассмотрения ряда ключевых факторов, перечисленных здесь.

Скорость

Скорость — важный фактор, который следует учитывать при выборе привода. Хотя винтовые приводы являются эффективными и экономичными компонентами, на очень высоких скоростях они страдают от явления, известного как «взбалтывание винта», при котором винт изгибается во время вращения. Взбалтывание винта вызывает вибрацию и преждевременный износ.

Пороговое значение биения винта, называемое критической скоростью, зависит от размеров и материала винта. Критическая скорость может быть рассчитана аналитически с использованием известных уравнений. Если скорость слишком высока для использования винтового привода, следует рассмотреть линейный двигатель или привод с ременной передачей.

Нагрузка

Крайне важно, чтобы привод был правильно подобран по размеру для нагрузки. При выборе привода с учетом грузоподъемности необходимо учитывать несколько факторов: радиальную грузоподъемность направляющих подшипников, моментную грузоподъемность опорной каретки, а также осевую грузоподъемность опорных подшипников и шариковинтовой передачи. Важно выбрать привод, разработанный для работы с нагрузками, возникающими в данном применении.

Распространенное заблуждение заключается в том, что важна только грузоподъемность, и грузоподъемность действительно позволяет рассчитать срок службы привода при заданной нагрузке. Однако необходимо учитывать и другие факторы, такие как жесткость привода в различных направлениях нагрузки. Группа разработчиков может провести расчеты зависимости нагрузки от деформации, чтобы определить, будет ли привод успешно работать в данном приложении.

Ещё один фактор, который следует учитывать, — это расположение нагрузки. Масса, покоящаяся на каретке, движущейся вдоль оси привода, создаёт совершенно иные силы, чем консольная нагрузка, создающая опрокидывающий момент. Убедитесь, что привод имеет правильные размеры и надёжную опору.

Для вертикального применения требуется особый контроль за сохранением положения груза. При определенных параметрах конструкции ходовые винты являются самоблокирующимися. Это означает, что их невозможно закрутить обратно, даже в случае отказа двигателя. Для обеспечения самоблокировки винта его КПД должен быть ниже 50%, где КПД зависит от угла поворота и коэффициента трения между гайкой и винтом. В качестве альтернативы могут использоваться реечные приводы.

В последние годы ременные приводы значительно усовершенствовались. Они стали прочными и высокотехнологичными, поэтому больше не требуют регулярного натяжения, как это было раньше. Ременные приводы — хороший выбор, если требуемая скорость и ход выходят за рамки возможностей шариковинтовой или ходовой передачи. Особую осторожность следует проявлять при использовании ременного привода в вертикальном положении. Рекомендуется использовать противовес или тормоз для замедления, остановки и поддержки груза в целях безопасности.

Длина хода

Следующий фактор, который следует учитывать, — это длина хода. Винтовые приводы эффективны и в некоторых случаях могут использоваться для хода до 1,5 метров и более. При использовании винтовых приводов с очень большим ходом необходимо соблюдать осторожность, чтобы не превышать критическую скорость. Для больших ходов лучше подходят ременные приводы. Современные ремни изготавливаются из высокотехнологичных материалов и требуют минимального обслуживания. Их можно использовать на расстояниях до 15 метров.

Еще один вариант для больших ходов — линейный двигатель. По сути, это серводвигатели с развернутой дорожкой, в которых сила передается вдоль неподвижной магнитной направляющей. Теоретически, длина направляющей может быть любой. С практической точки зрения, линейные двигатели ограничены как необходимостью обеспечения ровной, тщательно выровненной магнитной направляющей, так и стоимостью магнитов. Прокладка кабелей двигателя на очень больших расстояниях также может представлять собой проблему.

Повторяемость

В каждом приложении предъявляются требования к повторяемости. Правильный выбор привода позволяет создать систему, которая не только удовлетворит этим требованиям, но и поможет проекту уложиться в бюджет и сроки сборки. Винтовые приводы обеспечивают повторяемость порядка ±0,0001–±0,003 дюйма. Для сравнения, у ременного привода этот показатель составляет ±0,002–±0,010 дюйма.

Оптимальный выбор зависит от потребностей конкретного применения. Ременные приводы работают не так эффективно, как винтовые, но для применений с более жесткими допусками ременные приводы могут обеспечить значительную экономию. Для более сложных задач линейные мотор-приводы обеспечивают повторяемость, которая может достигать субмикронных значений.

Рабочий цикл

Рабочий цикл оказывает существенное влияние на срок службы оборудования. Важно выбрать линейный актуатор, соответствующий требованиям конкретного применения. Например, ходовые винты основаны на скользящем контакте — обычно это нержавеющая сталь и пластик (существует множество вариантов в зависимости от области применения). Это приводит к значительному износу в течение всего срока службы устройства. Поэтому ходовые винты следует избегать, если у вас комбинированное применение с высокой нагрузкой и высоким рабочим циклом.

Вместо этого выберите шариковинтовой привод с рециркуляцией шариков. В таких устройствах используется трение качения, а не трение скольжения, поэтому они служат дольше, а срок службы более предсказуем.Шарики могут быть повреждены, особенно при высоких нагрузках. Для применений, где недопустимы поломки, можно попробовать планетарный роликовый винт. Эти устройства распределяют вес, минимизируя износ, что делает их подходящими для военных и аэрокосмических применений, среди прочих. Для бюджетных вариантов может подойти и ременная передача.

Среда

Условия эксплуатации также влияют на выбор исполнительного механизма. В условиях чистой комнаты следует избегать винтовых исполнительных механизмов. Контакт металла с пластиком приводит к образованию частиц, которые могут снизить соответствие требованиям чистоты помещения.

И наоборот, крайне загрязненная среда может повредить приводы. В приводах штокового типа винт герметично закреплен в корпусе. В результате приводы штокового типа достаточно безопасны в средах с загрязнениями и жидкостью. В бесштоковых приводах нагрузка опирается на каретку, которая должна соединяться с винтом, что может привести к загрязнению привода..

В результате, для бесштоковых приводов требуются специальные меры предосторожности, независимо от того, используется ли в качестве базовой технологии винтовой привод или линейный двигатель. Ищите компоненты с классом защиты IP. Рассмотрите возможность установки щели вниз, чтобы уменьшить проникновение влаги. Имейте в виду, что смазка может задерживать частицы, которые со временем повреждают поверхности.

Ещё один фактор, который следует учитывать при проектировании, — это доступное пространство. Даже самый лучший в мире привод бесполезен, если он не поместится в имеющиеся габариты. Укажите необходимые параметры привода на ранних этапах проектирования, чтобы обеспечить достаточное пространство. Тесно сотрудничайте с поставщиком, чтобы использовать все возможности, позволяющие обеспечить требуемые характеристики в компактном форм-факторе.

Бюджет

Всегда важно помнить о ценовых показателях. Линейные двигатели — самые дорогие, за ними следуют винтовые приводы (планетарный винт, шариковый винт и ходовой винт). Ременные приводы — самые экономичные.

В инженерном деле всегда приходится идти на компромиссы. Приведенный выше список — это первый шаг к выбору исполнительного механизма. Для любого конкретного применения особые ограничения могут означать, например, что бюджет имеет больший приоритет, чем производительность, или что рабочий цикл важнее скорости. Начинайте процесс выбора исполнительного механизма как можно раньше на этапе проектирования. Старайтесь работать со стандартными компонентами. Если ни один из них не удовлетворяет вашим потребностям, обсудите с поставщиком разработку индивидуального продукта, который выполнит поставленную задачу.