Рассмотрите пять звеньев в цепочке элементов конструкции, которые так важны для точности работы.

Система линейного перемещения настолько прочна, насколько прочны самые компромиссные звенья в ее цепи механических и электромеханических элементов. Понимание каждого компонента и функции (и их влияния на конструкторский результат) улучшает решения и шансы того, что конечный проект полностью соответствует требованиям приложения. В конце концов, люфт системы, точность и другие аспекты производительности можно проследить до элементов в конструкции и производстве ходового винта, гайки безлюфта, муфт, двигателя и стратегии управления.

Работа с поставщиками линейного движения, имеющими опыт во всех звеньях конструкции, — лучший способ получить максимальную производительность конструкции. В конечном счете, оптимизированные системы управления движением подобны высокопроизводительному спортивному автомобилю, все элементы которого хорошо сбалансированы… для которого двигатель правильного размера + правильная трансмиссия + правильные шины + отличные функции управления (такие как антиблокировочная система тормозов и контроль тяги) = отличная производительность.

Рассмотрим несколько примеров конструкций, требующих максимальной производительности. В некоторых типах 3D-печати разрешение слоев снижается до 10 мкм на слой. В медицинских приборах дозирующие устройства должны выдавать жизненно важные лекарства и контролировать дозы вплоть до микролитров. Такой же тип высокой точности можно увидеть в оптическом и сканирующем оборудовании, оборудовании для обработки чипов и пластин в полупроводниковой промышленности и в области автоматизации лабораторий.

Только линейные конструкции движения, созданные с целостным подходом к выбору и интеграции компонентов, могут удовлетворить эти постоянно растущие требования к производительности. Часто наиболее подходящим решением для таких конструкций является приводимый двигателем винт и гайка с соответствующей архитектурой управления. Итак, давайте рассмотрим ключевые соображения и эксплуатационные характеристики для каждого звена в этом типе линейной сборки.

Ссылка первая: Качество ходового винта и гайки

Ходовые винты существуют уже несколько десятилетий в различных формах с различными конструкциями гаек и материалами. Большую часть этого времени машины, используемые для производства ходовых винтов, настраивались вручную, что ограничивало качество возможностями машины и уровнем квалификации оператора. Большинство производителей сегодня все еще используют этот тип оборудования, но современные автоматизированные процессы выводят качество ходовых винтов на новый уровень.

Например, такие операции используют управляемую ЧПУ подачу, регулировку перекоса и контроль давления для процесса накатки резьбы, чтобы получить наиболее последовательные формы резьбы ходового винта. Поверхностная обработка этих ходовых винтов постоянно гладкая и не имеет поверхностных абразивов, которые могут порвать полимерные гайки … для беспрецедентной точности и срока службы системы.

В то же время, передовые методы метрологии и контроля, которые отслеживают форму и очертание резьбы ходового винта, показывают результаты точности хода от точки к точке, которые в три раза лучше, чем у традиционных ручных методов. Это постоянно удерживает точность хода до 0,003 дюйма/фут по всей длине винта.

Для транспортных приложений, перемещающих какой-либо объект от точки к точке вдоль оси, традиционный метод проверки точности шага каждые 300 мм или шесть дюймов является достаточным. Но для приложений с наивысшей точностью важна точность каждой резьбы вала. Отклонение от подходящей геометрии резьбы известно как пьянство резьбы.

Новое автоматизированное оборудование для производства с ЧПУ, процессы и методы детального контроля обеспечивают более жесткий контроль и качество, так что верхняя и нижняя точки в пределах отдельной нити показывают значительно улучшенную точность суб-вращения — другими словами, меньшее пьянство. Это, в свою очередь, помогает ходовым винтам поддерживать повторяемость позиционирования в течение одного вращения до 1 мкм. Это особенно важный показатель производительности в таких приложениях, как обработка дорогостоящих пластин и чипов для полупроводниковой промышленности и точное дозирование лекарств в шприцевом насосе.

После накатки резьбы поставщики передовых винтов выпрямляют валы винтов с помощью автоматизированного оборудования, чтобы минимизировать ошибки и биение, которые могут вызвать вибрацию, шум и преждевременный износ. Прямолинейность вала винта имеет решающее значение, поскольку любая ошибка усиливается при сборке с двигателем. Напротив, традиционные (ручные) методы выпрямления винтов могут создавать эффект снежного конуса в геометрии вала винта — в виде одной арки или нескольких арок, которые закручиваются вокруг длинной оси вала. Опять же, автоматизированное выпрямление и проверка устраняют эти ошибки, что приводит к стабильной работе винта.

Последним этапом производства ходовых винтов является нанесение покрытия ПТФЭ. Только равномерно гладкая отделка обеспечивает длительный срок службы и производительность системы. Неравномерное нанесение ПТФЭ (в результате неоптимальной среды или оборудования для нанесения покрытия) может привести к образованию ямок, трещин, пузырей, отслаивания или шероховатости поверхности, что приводит к преждевременному износу гайки и сокращению срока службы сборки.

Ссылка вторая: Взаимодействие гайки и винта

Традиционные гайки с защитой от люфта имеют многокомпонентную конструкцию, в которой для линейного перемещения цанги вдоль гайки требуется спиральная пружина, чтобы закрыть лепестки и контролировать посадку между винтом и гайкой.

Проблемы, которые способствуют отказу в этих конструкциях, - это спорадическая и переменная сила пружины, прерывистое скольжение цанги на гайке и колеблющееся давление по мере износа материала гайки. Напротив, одна альтернативная гайка, разработанная для обеспечения постоянной силы, включает упрощенную двухкомпонентную конструкцию, которая прикладывает давление к пальцам гайки радиальным образом, что является направлением, необходимым для управления зазором или люфтом между гайкой и винтом.

Рассмотрим обычную конструкцию спиральной пружины и цанги для гайки ходового винта без люфта. Здесь спиральная пружина с переменной силой создает осевое усилие, которое преобразуется в радиальное усилие посредством механического вмешательства. Конструкция основана на литьевых компонентах для равномерного приложения силы к пальцам. Сравнительные испытания подтверждают, что предварительная нагрузка резко меняется в течение первых 1000 циклов.

Напротив, некоторые гайки с постоянным усилием и безлюфтовым ходовым винтом обеспечивают люфтовую характеристику в два-четыре раза лучше, чем обычные конструкции, что подтверждено испытаниями FDA заказчика по автоматизации лаборатории. Конструкция пружины с постоянным усилием обеспечивает постоянную предварительную нагрузку в течение всего срока службы оси. Самосмазывающийся материал гайки с ПТФЭ для смазывающей способности и повышенной эффективности.

Одним из самых больших преимуществ гаек с постоянным усилием и безлюфтовым ходовым винтом является их возможность настройки под конкретное применение с корректировкой пружины и других параметров. Такая настройка позволяет оптимизировать предварительную нагрузку, люфт, силу сопротивления и зазор для выполнения требуемых спецификаций. Каждая комбинация винта и гайки, а также каждый полностью поднятый двигатель и узел винта могут быть испытаны на каждую из этих характеристик производительности во время проверки и окончательной проверки.

Третье звено: Сопряженное или прямое подключение к приводу

Следующее звено в цепочке — это то, как винт крепится к двигателю. Существует три основных способа, как это можно сделать.

Первый — наиболее традиционный метод, при котором муфта вводится в сборку как компонент между винтом и двигателем, построенным с выдвижным валом шпильки. Такая конструкция требует больше места для длины муфты и любого связанного корпуса крепления, а также может создавать проблемы с выравниванием. Из-за увеличенного количества компонентов становится сложнее удерживать все на центральной линии. Если один или несколько компонентов не имеют круглой формы или не выровнены, результатом может стать эффект кулачкового типа, который значительно влияет на производительность и срок службы системы.

Второй метод заключается в том, что винт вставляется в коническое отверстие, чтобы механически закрепить его на месте (сзади) болтом. Такая сборка распространена на двигателях, которые требуют частого обслуживания, и является быстрым методом разборки и повторной сборки. Недостатком является то, что выравнивание трудно поддерживать, и это может спровоцировать эффект снежного конуса, который усиливает неточности по всей длине винта. Кроме того, это колебание снежного конуса в винте создает точки износа, которые могут вызвать необходимость обслуживания и преждевременный отказ системы.

Третий метод — это прямая посадка винта на полый вал внутри двигателя и крепление винта лазерной сваркой на задней стороне двигателя. Этот метод обеспечивает максимальное зацепление при посадке винта с двигателем, что приводит к максимально возможной точности выравнивания. В некоторых случаях сварной шов можно заменить промышленным клеем, который создает постоянную связь между винтом и двигателем. Этот метод сборки также обеспечивает наивысший уровень точности, обеспечивая наименьшее биение винта, что приводит к увеличению срока службы и минимизации необходимости в обслуживании.

Оптимизация выравнивания ходового винта, гайки и муфты продлевает срок службы всей системы. В качестве основы для сравнения с другими элементами системы, тестирование в различных ориентациях с различными выводами и с диапазоном нагрузок и скоростей. Результаты показали, что срок службы превышает стандартный срок службы подшипника L10 в 40 раз.

Другими словами, традиционные установки двигателя и ходового винта включают несколько компонентов, которые требуют сборки и которые трудно выровнять. Они вносят люфт и наложение допусков, что ухудшает точность и увеличивает вероятность отказа. Большое количество компонентов также приводит к более высокой общей стоимости сборки. Но интегрированные гибридные установки линейного привода включают ходовой винт, выровненный и зафиксированный непосредственно с двигателем — для меньшего количества компонентов. Это обеспечивает большую жесткость, точность и надежность … а также общую ценность конструкции.

Ссылка четвертая: Выбор типа и конструкции двигателя

Линейные актуаторы поставляются с выбором вариантов двигателей, при этом наиболее распространенными вариантами двигателей являются шаговый двигатель с открытым контуром, версия с закрытым контуром, использующая либо установленное на плате управление, либо промышленный смарт-шаговый двигатель, и, наконец, бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC). Каждый из них имеет собственное предложение производительности или скоростей и нагрузочных возможностей, а также имеет свой собственный набор плюсов и минусов, касающихся стоимости, интеграции, управления и многого другого, что мы рассмотрим позже.

Наибольшее влияние на производительность линейного движения двигателя требует взгляда под капот на внутреннюю конструкцию двигателя. Типичные двигатели общего назначения используют волнистую шайбу для удержания подшипников и узла на месте. Этого обычно достаточно для вращательных применений и часто может применяться также и для линейных. Однако волнистые шайбы обеспечивают некоторую степень податливости внутри двигателя, которая может вызывать небольшие осевые или линейные люфты, которые приводят к неточностям линейного положения.

Чтобы облегчить это, один или оба из двух элементов могут быть изменены в конструкции. Можно вставить более крупные подшипники, чтобы увеличить осевую нагрузку узла, а также можно добавить гаечный ключ и отрегулировать его до заданного крутящего момента, чтобы убрать люфт из системы.

Ссылка пятая: Выбор вариантов управления

Последнее звено, которое объединяет все элементы, — это то, как физическое линейное движение должно направляться и контролироваться. Традиционно для этого требовалось несколько отдельных частей, включая усилитель и контроллер. Каждой из них требовался шкаф и связанное с ним оборудование, проводка, энкодер и датчики для обратной связи. Эти установки могут стать сложными и громоздкими для установки, устранения неполадок и эксплуатации.

Появление готовых решений для интеллектуальных двигателей позволило упростить проводку и сократить количество разъемов и датчиков, связанных с достижением производительности и управления шагового сервопривода. Это обеспечивает экономию средств благодаря меньшему количеству компонентов, а также меньшему времени и трудозатратам, связанным с установкой. Эти двигатели также поставляются в предварительно собранных промышленных корпусах, которые герметизируют и защищают плату и управление от неправильного использования или загрязнения с рейтингами IP65 или IP67.

Когда приложение требует определенных индивидуальных функций, имеет минимизированные соображения по пространству и размеру или низкая стоимость является критическим фактором, пользовательское неинкапсулированное управление двигателем IP20 является полезным вариантом. Это особенно актуально для приложений большого объема, размещенных в стилизованных корпусах или оборудовании. Такие приводы обеспечивают преимущества интеллектуальных двигателей (обычно при существенной экономии затрат), а управление осуществляется непосредственно на двигателе для более простой и быстрой связи с ведущим устройством или ПЛК.