Назначение

Подвижные узлы промышленного оборудования исторически воспринимались в первую очередь как вращательные механизмы, состоящие из валов, ременных и цепных передач, приводов. В них нашли широкое применение подшипники качения. Линейные направляющие для обеспечения линейных перемещений считались вспомогательными узлами. Для уменьшения трения в них использовались только узлы скольжения. Современное производство, транспорт, медицинская и бытовая техника потребовали создание устройств линейного перемещения, обеспечивающих малые потери на трение, точное и управляемое позиционирование.

Устройства линейного перемещения - это высокоточные узлы механизмов и машин, позволяющие их частям выполнять прямолинейные перемещения относительно друг друга. Устройства линейных перемещений находят самое широкое применение в машиностроении, робототехнике, медицинском оборудовании, электронике, строительстве, пищевой промышленности, полиграфии, изготовлении бумаги, текстильной промышленности, автомобилестроении, переработке древесины, на железнодорожном транспорте и т. д.

Скоростное, точное, с малым трением линейное перемещение одной части механизма относительно другой в таких устройствах достигается за счёт шариков, размещённых между движущимися частями. Трение скольжения заменяется на трение качения.

По аналогии с подшипниками вращения узел трения качения в устройствах линейного перемещения назвали линейным подшипником. Иногда линейными подшипниками называют узлы, в которых каретка перемещается по направляющей в условиях, когда между ними действуют силы трения, а не качения.

Далее под линейным подшипником мы будем понимать по только узлы, в которых есть шарики (ролики), обеспечивающие взаимодействие движущихся частей за счёт трения качения.

Ниже мы рассмотрим три типа устройств линейного перемещения, использующие трение качения:

· рельсовые;

· винтовые;

· телескопические.

На принципах линейного подшипника выпускается широкий спектр изделий: – винтовые передачи качения; планетарные передачи; системы позиционирования; координатные столы; электромеханические линейные приводы; телескопические колонны и т.д.

Даже в мебельных изделиях в настоящее время находят всё более широкое применение электромеханические линейные приводы – их используют, чтобы обеспечить легкость и точность выдвижения ящиков из тумб и столов.

Рельсовые устройства линейного перемещения

Представим прямой гладкий вал – цилиндр, и муфту (каретку) с цилиндрическим отверстием диаметром несколько больше диаметра цилиндра. Используя соответствующий привод, можно организовать линейное движение каретки вдоль вала. В таком механизме движению каретки будут противодействовать силы трения скольжения. Это вызывает снижение КПД, уменьшение точности позиционирования, необходимость приложения к каретке больших усилий при начале движения и т.п.

Указанные недостатки можно устранить за счет использования шариковых втулок, рисунок ЛП-1.

Рисунок ЛП-1. Линейные подшипники (линейные шариковые втулки).

Линейные шариковые втулки (линейные подшипники) имеют систему возврата (рециркуляции) шариков и предназначены для прямолинейного перемещения втулки (каретки) с неограниченным ходом.

Система возврата представляет канал в форме вытянутого овала (рисунок ЛП-2). Линейные стороны овала лежат на разном расстоянии от оси втулки. На стороне с меньшим расстоянием от оси втулки шарики катятся по рабочей дорожке втулки и взаимодействуют с направляющей осью. Затем шарики под воздействием накатывающихся по рабочей дорожке шариков вытесняются в канал возврата, проходят по нему в обратном по отношению к движению втулки направлению, и снова принимают нагрузку между втулкой и валом (направляющей).

Рисунок ЛП-2. Возврат (рециркуляция) шариков в линейном подшипнике.

Линейные шариковые втулки выпускаются в различных исполнениях. Корпуса втулок выполняются целиком из металла или литьем под давлением из пластика с металлическими вставками - дорожками качения. Для специальных условий выпускаются втулки в антикоррозионных исполнениях.

Для шариковых втулок существует два стандартных метрических размерных ряда:

· компактные шариковые втулки по ISO 1;

· шариковые втулки повышенной грузоподъемности по ISO 3.

Некоторые американские компании до сих пор выпускают шариковые втулки с дюймовыми размерами.

Практически все известные производители придерживаются стандартов ISO. Поэтому возможна замена отслуживших своё линейных шариковых подшипников одной компании на подшипники другой компании.

Выпускаются линейные подшипники с круглыми или квадратными фланцами.

Выпускаются самоустанавливающиеся линейные втулки. Самоустанавливающиеся линейные втулки допускают отклонение оси вала относительно оси втулки на величину до одного углового градуса. Линейные самоустанавливающиеся втулки снижают влияние ошибок изготовления и монтажа направляющих валов на работу устройства линейного перемещения.

Производятся линейные втулки с регулируемым внутренним зазором.

Линейный шарикоподшипник состоит из одной, двух или четырёх шариковых втулок, установленных в его корпусе, рисунок ЛП-3. Линейный подшипник ещё называют «кареткой». В линейном подшипнике втулки могут иметь систему регулировки внутреннего зазора.

Рисунок ЛП-3. Линейные подшипники с одной, двумя и четырьмя шариковыми втулками.

У «открытых» линейных шариковых втулок корпус изготовлен в форме цилиндра с «вырезанным» сегментом для обеспечения беспрепятственного движения втулки по валу, установленному на опору, рисунок ЛП-4.

Рисунок ЛП-4. Линейный подшипник с вырезанным сегментом для вала, установленного на опору.

Линейные шариковые подшипники предназначены только для линейных перемещений. Они не могут вращаться вокруг собственной оси во время работы.

Если необходимо организовать вращательное и поступательное движение одновременно, то для этой цели применяются специальные шариковые втулки.

Во втулках с ограниченным линейным ходом шарики в сепараторе из металлического сплава обеспечивают вращательное движение корпуса втулки относительно вала, рисунок ЛП-5.

Рисунок ЛП-5. Линейный подшипники с ограниченным ходом.

Примеры использования линейных подшипников: вертикальный робот-манипулятор, многоступенчатая ременная передача, устройство смены инструмента, поворотный стол.

Прецизионные валы

Прецизионным валом называют часть устройства линейного перемещения, которая, за счёт точности изготовления, совместно с линейным шариковым подшипником обеспечивает заданную точность и скорость перемещения каретки. Прецизионные валы используются также для обеспечения точных линейно-вращательных перемещений.

Прецизионные валы производятся из износостойкой стали с последующей индукционной высокочастотной закалкой, из нержавеющих сталей, а также с использованием различных антикоррозионных покрытий. Стандартная шероховатость составляет 0,4 Ra, твердость 54 – 64 HRC.

Производятся и полые валы. Их использование оправданно, если вал является подвижной частью механизма, т.к. полый вал уменьшает массу подвижных частей.

Использование открытых типов линейных подшипников обычно предполагает использование вала совместно с опорой, рисунок ЛП-6.

Рисунок ЛП-6. Прецизионный вал, линейный подшипник (каретка) и опора вала.

Профильные рельсовые направляющие

Если разработана система возврата шариков, то почему бы не выполнить устройство линейного перемещения, в котором линейное направление задаёт не вал, а другой профиль? Такие устройства получили широкое распространение. Это шариковые рельсовые устройства линейного перемещения, рисунки ЛП-7 и ЛП-8.

Рисунок ЛП-7. Устройство линейного перемещения рельсовое.

Рисунок ЛП-8. Устройство линейного перемещения рельсовое – внешний вид.

Каретка передвигается по рельсу, опираясь на тела вращения – шарики. Механизм возврата (рециркуляции) шариков в целом аналогичен механизму, используемому в шариковых втулках. Естественно, возможность вращения вокруг оси у каретки отсутствует.

Существует большое количество типов рельсовых линейных устройств. Они отличаются формой рельса, типоразмерами, комплектностью поставки и пр. Рельсовые устройства нашли самое широкое применение в робототехнике, медицине, других отраслях промышленности и народного хозяйства.

Винтовые устройства линейного перемещения

Винтовая передача (Рисунок ЛП-9) – устройство, обеспечивающее преобразование вращательного движения в линейное. Используется в производстве сотен лет. Состоит из муфты (гайки) с нарезанной резьбой и вала (винта) с резьбой. Муфта фиксируется так, чтобы она не могла вращаться, но могла свободно перемещаться в осевом направлении. Тогда при вращении вала муфта будет совершать линейные перемещения. Винтовая передача используется, например, для организации перемещения резца токарного станка вдоль оси детали.

Рисунок ЛП-9. Винтовая передача. А) – муфта (гайка), Б) – вал (винт).

Основной недостаток винтовой передачи – большие потери на трение скольжения в нарезах резьбы винта и гайки, как следствие – их быстрый износ.

Шарико-винтовая передача (рисунки ЛП-10, ЛП-11) устраняет эти недостатки.

Шарико-винтовая передача (ШВП) – это линейный механический привод, преобразующий вращение в линейное перемещение и наоборот. Конструктивно она представляет собой длинный винт, по которому движется шариковая гайка. Внутри гайки между ее внутренней резьбой и резьбой винта по спиралевидной траектории катятся шарики. Рециркуляция шариков обеспечивается возвратными каналами, идущими под углом и параллельно оси винта.

Рисунок ЛП-10. Шарико-винтовая передача.

Рисунок ЛП-11. Шарико-винтовая передача. Схема.

Применение шариковинтовых передач позволяет достичь высокой точности позиционирования элементов линейного узла относительно друг друга, а также снизить или полностью устранить люфт.

Появление шарико-винтовой передачи стала возможным после разработки систем рециркуляции (возврата) шариков. Наиболее известны две системы:

· система возвращения после одного витка;

· система возвращения по канавке через всю гайку.

Системы возвращения после одного витка, (single-liner ball return system)

Схема возвращения после одного витка сконструирована так, что шарик после чуть менее одного оборота винта попадает в возвращающий канал, расположенный поперечно, точнее - лежащий под углом к канавке, обеспечивающей шаг винта, рисунок ЛП-12.

Для обеспечения заданного числа нагруженных витков при той или иной величине загрузки используется четыре и более возвратных каналов. Простота устройства обеспечивает надежность такой системы возврата шариков. Чаще всего схема используется для винтов с небольшим шагом.

Рисунок ЛП-12. Система возвращения шариков после одного витка.

Системы возвращения по канавке через всю гайку (endcap ball return system)

Для винтов с более крупным шагом предпочтительнее система с возвратом по канавке через все гайку, рисунок ЛП-13. Шарики двигаются вокруг винта по всей длине гайки, затем возвращаются обратно по канавке или трубке. Эта внутренняя канавка (трубка) связывает оба конца гайки, и шарики по ней возвращаются после того, как пробежали по винту весь цикл. В конце канала возврата они опять соприкасаются с винтом и начинают вращение и движение вокруг него, соприкасаясь с дорожками качения винта и муфты. Форма заглушки на конце возвратного канала исключает образование «мертвых зон» в муфте и оптимизирует нагрузочную способность. Форма возвращающего канала (канавки) зависит от скорости вращения. При высоких скоростях предпочтительнее использовать несколько возвратных каналов.

Рисунок ЛП-13. Система возвращения шариков через всю гайку.

Телескопические устройства линейного перемещения

Телескопические устройства линейного рельсового перемещения – ещё одна разновидность устройств линейного перемещения. Телескопические рельсы – это гибрид выдвижных салазок и «развернутого» по оси шарикоподшипника. Профили той или иной формы имеют возможность линейно перемещаться относительно друг друга. Но при этом они не соприкасаются между собой непосредственно, между ними расположены тела качения, например, шарики, катящиеся при линейных перемещениях профилей по дорожкам качения на профилях. Использование трех вложенных профилей позволяет рельсовой конструкции удлиняться более, чем в два раза.

Важной особенностью телескопических рельсов является материал, из которого они изготовлены, и технология изготовления. Материал – это холоднокатаная подшипниковая сталь. Высокая жесткость позволяет профилям почти не изгибаться под нагрузкой в раздвинутом положении, а также выдерживать удары и вибрации.

Существует несколько типовых решений для телескопических устройств.

1. Устройства с небольшим удлинением, рисунок ЛП-14, А), Б).

Рисунок ЛП-14. Телескопические устройства линейного перемещения с небольшим удлинением.

Устройства этого типа отличает простота конструкции, высокая грузоподъёмность, компактность. Устройства работоспособны в сложных условиях эксплуатации и при внешних механических воздействиях.

2. Устройства с большим удлинением, рисунок ЛП-15.

Рисунок ЛП-15. Телескопические устройства линейного перемещения с большим удлинением.

Устройства отличает возможность выдвижения на большую длину при значительной грузоподъёмности и при компактных размерах.

3. Устройства, использующие направляющие S-образного профиля, рисунок ЛП-16.

Рисунок ЛП-16. Телескопические устройства линейного перемещения с направляющими S-образного профиля.

Устройство отличает высокая жёсткость и значительный момент инерции, а также компактность.

4. Устройства, обеспечивающие очень большое удлинение, рисунок ЛП-17.

Рисунок ЛП-17. Телескопические устройства линейного перемещения с очень большим удлинением.

Обеспечивает большое удлинение, относительно малый прогиб и относительно высокую грузоподъёмность.

Помимо перечисленных телескопических устройств с высокой грузоподъёмность существуют легкие и ультралегкие конструкции, выполняющие те же функции, но в диапазоне нагрузок до десятков килограммов.

5. Телескопические линейные устройства

Телескопические линейные устройства могут использоваться как для линейных перемещений в горизонтальном направлении, так и для вертикальных линейных перемещений, рисунок ЛП-18.

Рисунок ЛП-18. Использование телескопических опор для линейных передвижений.

Пример использования телескопических опор

Под полом современных вагонов непременно устанавливаются тяжелые блоки аккумуляторных батарей. Батареи необходимо обслуживать, а значит – иметь удобный доступ к ним.

Альтернативой доступа через люк в полу является использование телескопических опор, рисунок 19. Для обслуживания опоры (в данном примере – S-образные) разблокируются, и батарея аккумуляторов выкатывается (извлекается) на них в направлении, перпендикулярном оси вагона из-под его пола. После окончания обслуживания или замены батарея возвращается под вагон одним рабочим, телескопические опоры фиксируются.

Рисунок ЛП-19. Использование телескопических опор для выдвижения батареи аккумуляторов.

Достоинства устройств линейного перемещения

Преимуществами устройств линейного перемещения являются:

· высокая точность;

· высокая нагрузочная способность;

· большой КПД, сокращение потерь энергии на преодоление трения;

· работа при больших нагрузках;

· высокая плавность хода;

· уменьшение усилий, необходимых для перемещения элементов устройства линейного перемещения друг относительно друга;

· возможность работы на больших линейных скоростях и ускорениях;

· точность позиционирования;

· большая жесткость;

· отсутствие люфтов;

· регулировка предварительного натяжения;

· длительный срок службы;

· относительная простота монтажа и обслуживания.

Конструкции и исполнения

Выбор типа, модели, исполнения для устройства линейного перемещения является сложной задачей. В её решении могут оказать существенную помощь каталоги, методики и автоматизированные системы расчёта, которые предлагают компании – производители подшипников и устройств линейного перемещения.