Линейные направляющие

Одним из основных направлений компании HIWIN (ХИВИН) является производство высококачественных систем линейного перемещения, в которые входят профильные линейные направляющие качения - узлы, предназначенные для перемещения инструмента, заготовок по заданной траектории с требуемой точностью. Направляющие качения пришли на смену направляющим скольжения, у них есть ряд преимуществ, например направляющие качения лишены таких недостатков как трение и высокое тепловыделение, так же в профильных направляющих HIWIN достигнуты плавность и равномерность движения, точность установочных перемещений и продолжительное сохранение настроек точности.

Конструкция направляющих HIWIN подразумевает циркуляцию шариков или роликов, которые свободно возвращаются на рабочую дорожку по каналу возврата. Такая конструкция применяется для больших длин хода. Длина профильных рельсов HIWIN может достигать 5600 мм, а при соединении их в стык длина хода может ограничиваться только приводным механизмом. Материал и конструктивные формы направляющих качения сходны с направляющими скольжения. Однако для направляющих качения необходимы твердые и однородные рабочие поверхности. Применение чугуна в данном случае не возможно, поэтому материалом служат закаленные стали, стали из специальных твердых сплавов или нержавеющие стали.

В рельсовых направляющих HIWIN есть такое понятие, как предварительный натяг. Предварительный натяг в направляющих качения устраняет вредное влияние зазоров и обеспечивает повышение жесткости направляющих в 2 – 3 раза. В замкнутых направляющих HIWIN предварительный натяг создается калибровкой размеров тел качения. Этот способ конструктивно прост и обеспечивает высокую жесткость, однако в процессе эксплуатации и с износом поверхности качения, жесткость снижается. Направляющие качения без натяга применяют в узлах, в которых опрокидывающие моменты малы (столы шлифовальных станков, столы и каретки координатно-расточных станков), в узлах большого веса (тяжелые шпиндельные бабки и т.п.), с длинными направляющими (столы шлифовальных станков). Предварительный натяг необходим в узлах с вертикальными направляющими.

Направляющие с циркуляцией тел качения выполняют без сепаратора со сплошным потоком шариков/роликов или с сепаратором, в который встроены шарики/ролики. Сепаратор обеспечивает равномерное распределение тел качения, исключая их столкновение между собой, что обеспечивает равномерность и плавность движения на высоких скоростях, а также исключает шум, создаваемый ударами шариков/роликов друг о друга. Сохранение смазки в сепараторе позволило увеличить срок службы линейных направляющих HIWIN.

Линейные направляющие HIWIN

Рельсовая направляющая осуществляет линейное перемещение используя тела качения, такие как шарики или ролики. Благодаря рециркуляции тел качения между рельсом и кареткой достигается высокая точность линейного перемещения. По сравнению с традиционным скольжением, коэффициент трения для рельсовой направляющей составляет только 1/50 часть. Благодаря принудительному перемещению каретки по рельсе, рельсовая направляющая может выдерживать нагрузку как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Благодаря этим особенностям рельсовые направляющие достигают высокой точности перемещения, особенно в сочетании с высокоточными ШВП.

Корпорация Hiwin предлагает несколько линейных направляющих серий, каждая из которых имеет различные варианты размеров, возможностей загрузки, точности и многого другого:

Серия HG с высокой грузоподъемностью
Серия HG спроектирована, как более грузоподъёмная и жёсткая, по сравнению с аналогичными продуктами, со специально оптимизированным полукруглым профилем и конструкцией. Это обеспечивает равномерное распределение нагрузки во всех направлениях и самоустановку для избежания ошибок при установке. Таким образом, направляющие серии HG имеют длительный срок службы, высокие скоростные показатели, высокую точность и плавность перемещения.

Серия RG с высокой жесткостью
В новых профильных рельсовых направляющих серии RG от HIWIN шариковые тела качения заменены на ролики. Модели серии RG обладают сверхвысокой жёсткостью и грузоподъёмностью. Угол контакта составляет 45 градусов. Благодаря линейной рабочей поверхности соприкосновения минимизируется деформация из-за воспринимаемых нагрузок и достигается очень высокая жёсткость и грузоподъёмность во всех 4-х направлениях действия нагрузки. Линейные направляющие серии RG обеспечивают высокую производительность в особо точном производстве и имеют большой ресурс.

Миниатюрная серия MG
Миниатюрные линейные направляющие HIWIN серии MG применяются для перемещений легких узлов конструкции, и в тоже время требующих компактность конструкции. В основном подходят для использования в автоматических медицинских и прочих измерительных приборах, в которых требуется точность перемещения и малые габариты.

Серия EG с низким профилем
Конструкция серии EG предлагает низкий профиль, высокую допустимую нагрузку и жёсткость системы. А также равномерное распределение нагрузки во всех четырёх направлениях, самовыравнивание для устранения ошибок при установке с целью повышения точности системы. Кроме того, более низкий профиль и длина делают направляющие серии EG наиболее подходящими для высокоскоростных автоматизированных систем и механизмов, где есть размерные ограничения по установке.

Преимущества и особенности линейных направляющих

Высокая точность позиционирования
Когда груз перемещается с помощью рельсовой направляющей, фрикционный контакт между грузом и основанием представлен контактом качения. Коэффициент трения составляет 1/50 часть от традиционногоконтакта, и разница между динамическим и статическим коэффициентом трения мала. По этой причине отсутствует проскальзывание во время движения.

Длительный срок службы при высокой точности перемещения
При традиционном скольжении неточности в позиционировании объясняются встречным потоком масляной плёнки. Недостаточная смазка является причиной износа контактных поверхностей, что приводит ко все большим неточностям. В отличие от этого, контакт качения имеет незначительный износ, поэтому оборудование достигает длительного срока службы при высокой точности перемещения.

Высокоскоростное перемещение при незначительном тяговом усилии
По причине того, что профильные направляющие имеют низкое фрикционное сопротивление, для перемещения груза необходимо приложить незначительное усилие. Это приводит к экономии энергии, особенно в подвижных частях системы. Это особенно актуально для возвратно-поступательных механизмов.

Равная грузоподъёмность во всех направлениях
Благодаря специальному дизайну рельсовые направляющие выдерживают нагрузки как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Обычные линейные направляющие скольжения выдерживает незначительные нагрузки в направлении, параллельном контактной поверхности. Также существует значительная вероятность потери точности при нагрузке в этом направлении.

Легкость установки
Установка профильной направляющей отличается простотой. Соответствующая подготовка поверхности, следование рекомендациям по установке, и затяжке крепёжных винтов даёт высокоточное линейное перемещение.

Лёгкость смазки
В традиционных системах скольжения недостаточность смазки приводит к износу контактных поверхностей. Также может быть достаточно сложно обеспечить соответствующую смазку контактных поверхностей по причине сложности нахождения соответствующего места ввода смазки. В рельсовой направляющей смазка может быть легко подана через специальный ниппель, расположенный на каретке. Также есть возможность использовать центральную систему смазки.

Взаимозаменяемость
По сравнению с традиционными системами, рельсовые направляющие могут быть легко заменены в случае возникновения поломки. Для высокого уровня точности рекомендуется использовать несменные системы, настраиваемые на предприятии-изготовителе.

Принципы выбора линейных направляющих

Базовые нагрузки линейных направляющих

Базовая статическая нагрузка

Статическая грузоподъёмность (C₀)
Локальная остаточная деформация будет возникать между поверхностью дорожек качения и телами качения в случае, если направляющая подвержена сверхвысоким нагрузкам или ударам, как в статике, так и во время движения. Если степень остаточной деформации превышает определённый предел, возникают помехи для беспрепятственного перемещения направляющей. В общем, определение базовой статической нагрузки - это статическая нагрузка, как постоянная величина и прямой результат в суммарной остаточной деформации 0.0001 диаметра элемента качения и дорожки качения в точке контакта при максимальном воздействии на неё. Уровень данной величины указан в таблицах для каждой рельсовой направляющей. Максимальная статическая нагрузка, оказываемая на рельсовую направляющую, не должна превышать базовую статическую нагрузку.

Допустимый статический момент (M₀)
Статический допустимый момент относится к моменту в выбранном направлении и величине, когда максимальное воздействие на тела качения в системе равно воздействию, вызванному статической грузоподъёмностью. Статический допустимый момент в линейной системе характеризуется для трёх направлений: M_R, M_P and M_Y.

Статический запас прочности
Состояние определяется, когда система находится в статике или в низкоскоростном движении. Статический запас прочности, который зависит oт внешних и рабочих условий, надлежит рассматривать в совокупности. Статический запас прочности особенно важен для направляющих, подверженных ударным нагрузкам (см. таблицу ниже). Статическая нагрузка может быть рассчитана, используя формулу, представленную ниже.

Базовая динамическая нагрузка

Динамическая грузоподъёмность (C)
Базовая динамическая грузоподъёмность - важный фактор для расчёта срока службы рельсовой направляющей. Она определяется, когда нагрузка неизменна по направлению и величине и результирует в номинальный срок службы - 50 км пробега для рельсовой направляющей (100 км - роликовый тип). Уровень базовой динамической нагрузки для каждой направляющей указан в таблице. Он может быть использован для расчёта срока службы выбранной рельсовой направляющей.

Прилагаемые нагрузки

Расчёт нагрузки
Различные факторы влияют на расчёт нагрузки, воздействующей на направляющую (такие как расположение центра тяжести объекта, осевой упор и силы инерции при старте и остановке). Чтобы определить правильный уровень нагрузки, все данные факторы должны быть учтены.

Пример расчета нагрузок на каретку
Макет	Распределение нагрузок	Нагрузка на каретку
W : Прилагаемый вес l : Расстояние от внешней силы c : Расстояние между направляющими	Pn : Нагрузка (радиальная), n=1~4 F : Внешние силы d : Расстояние между каретками	a, b, k : Расстояние от внешних сил до центра Ptn : Нагрузка (боковая), n=1~4 h : Расстояние от центра тяжести

Нагрузки с силами инерции

Расчет нагрузок с силами инерции
Учёт ускорения и торможения	Нагрузка на одно каретку
	Постоянная скорость Усукорение Торможение
W: Вес объекта (N) g: Ускорение свободного падения (9.8m/sec2) Pn: Нагрузка (радиальная) (N), n=1~4 Vc: Максимаьная скорость (m/sec) t1 (t3): Время разгона (торможения) (s)	t2: Время движения с постоянной скоростью (s) с: Расстояние между направляющими (m) d: Расстояние между каретками (m) l: Расстояние от центра масс до привода (m)

Расчёт средней нагрузки при переменных нагрузках

Когда нагрузка на направляющую значительно колеблется, данный фактор должен быть учтён при расчёте срока службы. Значение средней нагрузки равно нагрузке, эквивалентной допустимой циклической нагрузке под воздействием изменяющихся нагрузок. Она может быть рассчитана по таблице ниже.

Примеры расчета средней нагрузки (Pm)
Условия эксплуатации	Средняя нагрузка
	Pm: Средняя нагрузка Pn: Шаг L : Общая длина перемещения Ln : Длина перемещения под нагрузкой Pn
	Pm : Средняя нагрузка Pmin : Min. нагрузка Pmax : Max. нагрузка
	Pm : Средняя нагрузка Pmax : Max. нагрузка

Трение

Коэффициент трения для рельсовой направляющей (качения) составляет 1/50 часть от традиционного скольжения. В общем, коэффициент трения для рельсовой направляющей составляет 0.004. Когда нагрузка составляет 10% или менее базовой статической грузоподъёмности, наибольшее сопротивление исходит от вязкости смазки и трения между телами качения. Если нагрузка превышает базовую статическую грузоподъёмность, сопротивление исходит, в основном, от веса.

F: Трение (kN)
S: Сила трения (kN)
µ: Коэффициент трения
W: Номинальная нагрузка (kN)