Ознайомтеся з п’ятьма ланками в ланцюжку елементів дизайну, які настільки важливі для точної роботи.

Система лінійного руху настільки сильна, наскільки міцні найкомпромісніші ланки в її ланцюзі механічних і електромеханічних елементів. Розуміння кожного компонента та функції (і його впливу на результати розробки) покращує рішення та ймовірність того, що кінцевий дизайн повністю відповідатиме вимогам програми. Зрештою, люфт системи, точність та інші аспекти продуктивності можна простежити до елементів конструкції та виробництва ходового гвинта, гайки проти люфта, муфт, двигуна та стратегії керування.

Співпраця з постачальниками систем лінійного руху, які мають досвід у всіх ланках проекту, є найкращим способом отримати найвищу продуктивність дизайну. Зрештою, оптимізовані системи керування рухом схожі на високопродуктивний спортивний автомобіль, у якому всі елементи добре збалансовані… для якого двигун потрібного розміру + правильна трансмісія + правильні шини + чудові функції керування (такі як антиблокувальні гальма та контроль тяги) = чудово. продуктивність.

Розглянемо кілька прикладів конструкцій, які вимагають найвищої продуктивності. У деяких типах 3D-друку роздільна здатність шарів знижується до 10 мкм на шар. У медичних пристроях блоки роздачі повинні видавати рятувальні ліки та контролювати дози до мікролітрів. Такий самий тип високої точності можна спостерігати в оптичному та скануючому обладнанні, обладнанні для обробки мікросхем і пластин у напівпровідниковій промисловості та в лабораторній автоматизації.

Лише моделі лінійного руху, створені з цілісним підходом до вибору та інтеграції компонентів, можуть задовольнити ці все більш високі вимоги до продуктивності. Часто найбільш прийнятним рішенням для таких конструкцій є гвинт і гайка з приводом від двигуна з відповідною архітектурою керування. Отже, давайте розглянемо ключові міркування та характеристики продуктивності для кожної ланки в цьому типі лінійної збірки.

Посилання перше: якість ходового гвинта та гайки

Ходові гвинти існують десятиліттями в різних формах із різноманітними конструкціями гайок і матеріалами. Протягом більшої частини цього часу машини, які використовувалися для виготовлення ходових гвинтів, регулювалися вручну, обмежуючи якість можливостями машини та рівнем кваліфікації оператора. Більшість виробників сьогодні все ще використовують цей тип обладнання, але сучасні автоматизовані процеси виводять якість ходового гвинта на новий рівень.

Наприклад, у таких операціях використовується контрольована ЧПК система врізання, регулювання перекосу та керування тиском для процесу нарізування валків, щоб отримати найбільш узгоджену форму різьби ходового гвинта. Поверхня цих ходових гвинтів незмінно гладка та вільна від потертостей, які можуть порвати полімерні гайки… для безпрецедентної точності та довговічності системи.

У той же час передові методи метрології та перевірки, які відстежують форму та форму різьблення ходового гвинта, дають результати з точністю відведення від точки до точки, яка в три рази краща, ніж у традиційних ручних методів. Це стабільно підтримує точність свинцю до 0,003 дюйма/фут по довжині гвинта.

Для додатків транспортного типу, коли деякий об’єкт переміщується від точки до точки вздовж осі, достатнім є традиційний метод перевірки точності свинцю кожні 300 мм або шість дюймів. Але для застосування з найвищою точністю важлива точність кожної різьби вала. Відхилення від відповідної геометрії різьби відоме як сп'яніння різьби.

Нове автоматизоване виробниче обладнання з ЧПК, процеси та методи детальної перевірки забезпечують суворіший контроль і якість, завдяки чому висока й низька точки в межах окремої різьби демонструють значно покращену точність суб-обертання — іншими словами, менше сп’яніння. Це, у свою чергу, допомагає ходовим гвинтам підтримувати повторюваність позиціонування за один оберт до 1 мкм. Це особливо важливий показник продуктивності в таких програмах, як обробка дорогих пластин і мікросхем для напівпровідникової промисловості та точне дозування ліків у шприцевому насосі.

Після накочування різьблення передові постачальники гвинтів автоматично виправляють вали гвинтів, щоб мінімізувати помилки та биття, які можуть спричинити вібрацію, шум і передчасний знос. Прямолінійність вала гвинта є критичною, оскільки будь-яка помилка підкреслюється, коли він збирається з двигуном. Навпаки, традиційні (ручні) методи вирівнювання гвинтів можуть створити ефект снігового конуса в геометрії гвинтового вала — у формі однієї арки або кількох арок, які штопором обертаються навколо довгої осі вала. Знову ж таки, автоматичне вирівнювання та перевірка усувають ці помилки, що забезпечує стабільну роботу гвинта.

Останнім кроком у виробництві ходових гвинтів є нанесення PTFE покриття. Лише рівномірне гладке покриття забезпечує тривалий термін служби та продуктивність системи. Нерівномірне нанесення PTFE (внаслідок неоптимального середовища покриття або обладнання) може призвести до появи ямок, тріщин, бульбашок, відшарування або шорсткості поверхні, що спричинить передчасне зношування гайки та скорочення терміну служби збірки.

Друга ланка: взаємодія гайки та гвинта

У традиційних гайках із люфтом використовується багатокомпонентна конструкція, яка потребує спіральної пружини для лінійного переміщення цанги вздовж гайки, щоб закрити пальці та контролювати посадку між гвинтом і гайкою.

Проблеми, які сприяють виходу з ладу цих конструкцій, - це спорадичне та змінне зусилля пружини, ковзання цанги на гайці та коливання тиску під час зносу матеріалу гайки. На відміну від цього, одна альтернативна гайка, призначена для забезпечення постійного зусилля, включає спрощену конструкцію з двох частин, яка чинить тиск на пальці гайки радіально, у напрямку, необхідному для контролю зазору або люфта між гайкою та гвинтом.

Розглянемо звичайну спіральну пружину та конструкцію цанги для гайки ходового гвинта із запобіганням люфта. Тут спіральна пружина зі змінною силою створює осьову силу, яка перетворюється на радіальну силу через механічні перешкоди. Конструкція спирається на компоненти, виготовлені під тиском, щоб рівномірно застосовувати силу до пальців. Порівняльні тести підтверджують, що попереднє натяг різко змінюється в перші 1000 циклів.

Навпаки, певні гвинтові гайки зі постійним зусиллям забезпечують люфт, який у два-чотири рази кращий, ніж у звичайних конструкцій, як підтверджено тестуванням FDA замовника лабораторної автоматизації. Конструкція пружини постійного зусилля забезпечує постійне попереднє навантаження протягом усього терміну служби осі. Самозмащувальний матеріал гайки з PTFE для змащування та підвищеної ефективності.

Однією з найбільших переваг гайок зі постійним зусиллям проти люфту є їх здатність налаштовуватися відповідно до застосування за допомогою регулювання пружини та інших параметрів. Це налаштування дозволяє оптимізувати попереднє натягування, люфт, силу опору та робочий зазор, щоб відповідати необхідним характеристикам. Кожну комбінацію гвинта та гайки разом із кожним повним двигуном та гвинтовим вузлом можна перевірити на кожну з цих характеристик під час валідації та остаточної перевірки.

Посилання третє: сполучене або пряме підключення до приводу

Наступною ланкою ланцюга є кріплення гвинта до двигуна. Є три основні способи цього можна зробити.

Перший — це найбільш традиційний метод, коли з’єднувач вставляється в вузол як компонент між гвинтом і двигуном, побудованим із подовжуючим шпильковим валом. Ця конструкція вимагає більше місця для довжини з’єднувача та будь-якого пов’язаного з ним корпусу кріплення, а також може створити проблеми з вирівнюванням. Через збільшення кількості компонентів складніше тримати все по центральній лінії. Якщо один або більше компонентів не закруглені або вирівняні, результатом може бути ефект типу кулачка, який значно впливає на продуктивність і термін служби системи.

Другий спосіб вставляє гвинт у конічний отвір, щоб механічно закріпити його на місці (ззаду) за допомогою болта. Таке складання є звичайним для двигунів, які вимагають частого технічного обслуговування — і швидкого способу розбирання та повторного складання. Недоліком є ​​те, що вирівнювання важко утримувати, і це може спричинити ефект снігового конуса, який посилює неточності по довжині гвинта. Крім того, це коливання снігового конуса в гвинті створює точки зносу, які можуть викликати необхідність обслуговування та передчасний вихід системи з ладу.

Третій спосіб полягає в безпосередній посадці гвинта на порожнистому валу в двигуні та прикріпленні гвинта за допомогою лазерного зварювання на задній частині двигуна. Цей метод забезпечує максимальне зчеплення гвинта з двигуном, що призводить до найвищої точності центрування. У деяких випадках зварювальний шов можна замінити промисловим клеєм, який створює міцне з’єднання між гвинтом і двигуном. Цей метод складання також забезпечує найвищий рівень точності, забезпечуючи найменше биття гвинта, що призводить до подовження терміну служби та мінімізації потреби в обслуговуванні.

Оптимізація центрування ходового гвинта, гайки та муфти подовжує термін служби всієї системи. Як базова лінія для порівняння з іншими елементами в системі, тестування в різних орієнтаціях з різними проводами та з діапазоном навантажень і швидкостей. Результати показали, що довговічність у ході перевищує стандартний термін служби підшипника L10 у 40 разів.

Іншими словами, традиційні двигуни та ходові гвинти включають кілька компонентів, які потребують складання та які важко вирівняти. Вони вводять люфт і накопичення допусків, які погіршують точність і збільшують потенціал відмови. Велика кількість компонентів також підвищує загальну вартість складання. Але вбудовані гібридні лінійні приводи включають хідовий гвинт, вирівняний і закріплений безпосередньо на двигуні — для меншої кількості компонентів. Це забезпечує більшу жорсткість, точність і надійність... а також загальну цінність конструкції.

Посилання четверте: вибір типу двигуна та конструкції

Лінійні приводи постачаються з вибором варіантів двигунів, причому найпоширенішим вибором двигунів є кроковий двигун із відкритим контуром, версія із закритим контуром із використанням керування, встановленого на платі, або інтелектуального крокового двигуна в промисловому корпусі, і, нарешті, безщітковий двигун постійного струму (bldc). Кожен має власну пропозицію щодо продуктивності або швидкості та можливостей навантаження, а також кожен має власний набір плюсів і мінусів щодо вартості, інтеграції, контролю тощо, які ми розглянемо пізніше.

Найбільший вплив на продуктивність лінійного руху двигуна вимагає зазирнути під капот до внутрішньої конструкції двигуна. У типових двигунах загального призначення використовується хвиляста шайба для утримання підшипників і вузла на місці. Зазвичай цього достатньо для роторних додатків і часто також можна застосовувати до лінійних. Однак хвилеподібні шайби забезпечують певну податливість у двигуні, яка може викликати невеликий осьовий або лінійний люфт, що призводить до неточностей лінійного положення.

Щоб полегшити це, один або обидва з двох елементів можна змінити в конструкції. Можна вставити підшипники більшого розміру, щоб збільшити здатність вузла до тягового навантаження, а гайку можна додати та відрегулювати відповідно до заданого крутного моменту, щоб зменшити люфт системи.

Посилання п'яте: вибір варіантів керування

Остання ланка, яка об’єднує всі елементи разом, полягає в тому, як фізичний лінійний рух має бути спрямований і контрольований. Традиційно для цього знадобиться кілька окремих частин, включаючи підсилювач і контролер. Для кожного знадобиться шафа та відповідне обладнання, проводка, кодер і датчики для зворотного зв’язку. Ці установки можуть стати складними та громіздкими для встановлення, усунення несправностей та експлуатації.

Поява готових рішень для інтелектуальних двигунів сприяла спрощенню електропроводки та зменшенню кількості роз’ємів і датчиків, пов’язаних із підвищенням продуктивності та керування кроковим сервоприводом. Це забезпечує економію коштів завдяки меншій кількості компонентів, а також зменшує витрати часу та праці на встановлення. Ці двигуни також поставляються в попередньо зібраних промислових упаковках, які герметизують і захищають плату та керування від зловживання чи забруднення з рейтингом IP65 або IP67.

Коли програма потребує спеціальних налаштованих функцій, має мінімізований простір і розмір, або низька вартість є критичним фактором, корисною опцією є спеціальна некапсульована плата керування на двигуні IP20. Це особливо актуально для великогабаритних програм, розміщених у стилізованих корпусах або обладнанні. Такі приводи надають переваги інтелектуальних двигунів (зазвичай при суттєвій економії коштів), а керування здійснюється прямо на двигуні для легшого та швидшого зв’язку з головним або ПЛК.