Рассмотрим пять звеньев в цепочке элементов конструкции, столь важных для точной работы.

Система линейного движения сильна настолько, насколько сильны наиболее компромиссные звенья в ее цепи механических и электромеханических элементов. Понимание каждого компонента и функции (и их влияния на результат проектирования) улучшает решения и повышает вероятность того, что окончательный проект полностью будет соответствовать требованиям приложения. В конце концов, люфт системы, точность и другие аспекты производительности можно отнести к элементам конструкции и изготовления ходового винта, противолюфтовой гайки, муфт, двигателя и стратегии управления.

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

Рассмотрим несколько примеров проектов, требующих максимальной производительности. В некоторых типах 3D-печати разрешение слоев снижается до 10 мкм на слой. В медицинских приборах дозаторы должны выдавать жизненно необходимые лекарства и контролировать дозы вплоть до микролитров. Такую же высокую точность можно увидеть в оптическом и сканирующем оборудовании, оборудовании для обработки чипов и пластин в полупроводниковой промышленности, а также в области автоматизации лабораторий.

Только конструкции с линейным перемещением, созданные с использованием целостного подхода к выбору и интеграции компонентов, могут удовлетворить эти постоянно возрастающие требования к производительности. Часто наиболее подходящим решением для таких сборок является винт и гайка с электроприводом и соответствующей архитектурой управления. Итак, давайте рассмотрим ключевые моменты и эксплуатационные характеристики каждого звена линейного узла этого типа.

Ссылка первая: Качество ходового винта и гайки.

Ходовые винты существуют уже несколько десятилетий в различных формах, с разнообразными конструкциями гаек и материалами. Большую часть этого времени машины, используемые для производства ходовых винтов, регулировались 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 ходового винта на новый уровень.

Например, в таких операциях используются управляемая ЧПУ подача, регулировка перекоса и контроль давления для процесса нарезания резьбы, чтобы обеспечить наиболее последовательную форму резьбы ходового винта. Поверхность этих ходовых винтов всегда гладкая и не имеет потертостей, которые могут повредить полимерные гайки… что обеспечивает беспрецедентную точность и срок службы системы.

В то же время передовые методы метрологии и контроля, позволяющие отслеживать форму и форму резьбы ходового винта, показывают результаты, обеспечивающие точность перемещения от точки к точке, которая до трех раз выше, чем при использовании традиционных ручных методов. Это постоянно обеспечивает точность шага до 0,003 дюйма/фут по длине винта.

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

Новое автоматизированное производственное оборудование с ЧПУ, процессы и методы детального контроля обеспечивают более строгий контроль и качество, так что верхняя и нижняя точки в пределах отдельной резьбы значительно повышают точность субротации — другими словами, меньше опьянения. Это, в свою очередь, помогает ходовым винтам поддерживать повторяемость позиционирования за один оборот до 1 мкм. Это особенно важный показатель производительности в таких приложениях, как обработка дорогих пластин и чипов для полупроводниковой промышленности и точное дозирование лекарств в шприцевом насосе.

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

Последним этапом производства ходовых винтов является нанесение тефлонового покрытия. Только гладкая поверхность обеспечивает долгий срок службы и производительность системы. Непоследовательное нанесение ПТФЭ (в результате неоптимальной среды покрытия или оборудования) может привести к образованию питтингов, 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 конструкцию, состоящую из нескольких частей, которая требует, чтобы винтовая пружина перемещала цангу линейно вдоль гайки, чтобы сомкнуть пальцы и контролировать посадку между винтом и гайкой.

Проблемами, которые способствуют выходу из строя этих конструкций, являются спорадическая и переменная сила пружины, прерывистое проскальзывание цанги на гайке и колебания давления по мере износа материала гайки. Напротив, одна альтернативная гайка, предназначенная для приложения постоянной силы, включает упрощенную конструкцию, состоящую из двух частей, которая оказывает давление на пальцы гайки радиально, что является направлением, необходимым для контроля зазора или люфта между гайкой и винтом.

Рассмотрим традиционную конструкцию винтовой пружины и цанги для гайки ходового винта с защитой от люфта. Здесь винтовая пружина переменной силы создает осевую силу, которая преобразуется в радиальную силу за счет механического воздействия. Конструкция основана на компонентах, отлитых под давлением, которые равномерно распределяют силу на пальцы. Контрольные испытания подтверждают, что предварительная нагрузка резко меняется в течение первых 1000 циклов.

Напротив, некоторые гайки ходового винта с постоянным усилием и защитой от люфта обеспечивают характеристики люфта, которые в два-четыре раза лучше, чем у традиционных конструкций, что подтверждено испытаниями FDA, проведенными заказчиком лабораторной автоматизации. Конструкция пружины постоянной силы обеспечивает постоянную предварительную нагрузку на протяжении всего срока службы оси. Самосмазывающийся материал гайки с добавлением ПТФЭ для обеспечения смазывающей способности и повышения эффективности.

Одним из самых больших преимуществ гаек ходового винта постоянной силы с защитой от люфта является их возможность настройки в зависимости от применения с регулировкой пружины и других параметров. Эта настройка позволяет оптимизировать предварительную нагрузку, люфт, силу сопротивления и рабочий зазор в соответствии с требуемыми спецификациями. Каждая комбинация винта и гайки, а также каждый полностью заправленный двигатель и винтовой узел могут быть проверены на предмет каждой из этих рабочих характеристик во время валидации и окончательной проверки.

Третье соединение: парное или прямое подключение к приводу.

Следующее звено в цепи — то, как винт крепится к двигателю. Этого можно добиться тремя основными способами.

Первый — это наиболее традиционный метод, при котором муфта вводится в сборку в качестве компонента между винтом и двигателем, имеющим выдвижную шпильку. Эта конструкция требует больше места по длине муфты и любого связанного с ней корпуса крепления, а также может создать проблемы с выравниванием. Из-за увеличения количества компонентов сложнее удержать все на центральной линии. Если один или несколько компонентов имеют некруглую форму или не выровнены, результатом может стать эффект кулачкового типа, который сильно влияет на производительность и срок службы системы.

При втором методе винт вставляется в коническое отверстие, чтобы механически закрепить его на месте (сзади) с помощью болта. Такая сборка часто встречается на двигателях, требующих частого обслуживания, и является быстрым методом разборки и повторной сборки. Недостаток заключается в том, что выравнивание трудно удерживать и это может вызвать эффект снежного конуса, который усиливает неточности по длине винта. Кроме того, это колебание снежного конуса в винте создает точки износа, которые могут вызвать необходимость технического обслуживания и преждевременный выход системы из строя.

Третий метод — это прямая посадка винта на полый вал внутри двигателя и фиксация винта лазерной сваркой на задней части двигателя. Этот метод обеспечивает максимальное зацепление винта с двигателем, что обеспечивает максимально возможную точность выравнивания. В некоторых случаях сварной шов можно заменить промышленным клеем, который создает прочное соединение между винтом и двигателем. Этот метод сборки также обеспечивает высочайший уровень точности, обеспечивая минимальное биение винта, что приводит к увеличению срока службы и минимизации необходимости технического обслуживания.

Оптимизация выравнивания ходового винта, гайки и муфты продлевает срок службы всей системы. В качестве основы для сравнения с другими элементами системы можно использовать испытания в различных положениях с различными проводами, а также с различными нагрузками и скоростями. Результаты показали, что срок службы подшипника превышает стандартный срок службы подшипника L10 в 40 раз.

Другими словами, традиционные конструкции с двигателем и ходовым винтом включают в себя множество компонентов, которые требуют сборки и которые трудно выравнивать. Они вводят совокупность люфтов и допусков, которые снижают точность и увеличивают вероятность неудачи. Большое количество компонентов также увеличивает общую стоимость сборки. Но интегрированные гибридные линейные приводы включают в себя ходовой винт, совмещенный и закрепленный 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 приводы поставляются с различными вариантами двигателей, наиболее распространенными вариантами двигателей являются шаговый двигатель с разомкнутым контуром, версия с замкнутым контуром, использующая либо установленное на плате управление, либо интеллектуальный шаговый двигатель в промышленном корпусе, и, наконец, бесщеточный двигатель постоянного тока (bldc). У каждого из них есть свои собственные предложения по производительности или скорости и возможностям нагрузки, а также у каждого есть свой набор плюсов и минусов, касающихся стоимости, интеграции, контроля и многого другого, о чем мы поговорим позже.

Наибольшее влияние на характеристики линейного движения двигателя требует заглянуть под капот и внутреннюю конструкцию двигателя. В типичных двигателях общего назначения используется волнистая шайба для удержания подшипников и узла на месте. Обычно этого достаточно для вращающихся устройств, но часто можно применять и для линейных. Тем не менее, волнистые шайбы обеспечивают определенную податливость двигателя, что может вызвать небольшой осевой или линейный люфт, приводящий к неточностям линейного положения.

Чтобы облегчить эту проблему, в конструкции можно изменить один или оба элемента. Можно вставить подшипники большего размера, чтобы увеличить устойчивость узла к осевой нагрузке, а также можно добавить накидную гайку и отрегулировать ее до заданного крутящего момента, чтобы устранить люфт в системе.

Ссылка пятая: Выбор вариантов управления

Последним звеном, которое объединяет все элементы, является то, как следует направлять и контролировать физическое линейное движение. Традиционно для этого потребуется несколько отдельных частей, включая усилитель и контроллер. Каждому потребуется шкаф и соответствующее оборудование, проводка, энкодер и датчики для обратной связи. Эти настройки могут оказаться сложными и громоздкими в установке, устранении неполадок и эксплуатации.

Появление готовых решений для интеллектуальных двигателей позволило упростить проводку и уменьшить количество разъемов и датчиков, связанных с повышением производительности и контроля шагового сервопривода. Это обеспечивает экономию средств благодаря меньшему количеству компонентов, а также меньшему количеству времени и труда, связанных с установкой. Эти двигатели также поставляются в предварительно собранных промышленных упаковках, которые герметизируют и защищают плату и систему управления от неправильного обращения или загрязнения и имеют класс защиты IP65 или IP67.

Когда приложение требует особых настраиваемых функций, требует минимального пространства и размера или низкая стоимость является критическим фактором, полезным вариантом является специальная неинкапсулированная плата управления, монтируемая на двигателе со степенью защиты IP20. Это особенно актуально для крупногабаритных приложений, размещенных в стилизованных корпусах или оборудовании. Такие приводы обладают преимуществами интеллектуальных двигателей (обычно при существенной экономии средств), а управление осуществляется прямо на двигателе, что упрощает и ускоряет связь с ведущим устройством или ПЛК.