Как выбрать линейный модуль ШВП: полное руководство по выбору

Выборлинейный модуль ШВПтребует большего, чем просто сравнение характеристик максимальной нагрузки и хода. Правильная модель должна одновременно соответствовать нагрузке, перемещению, скорости, точности позиционирования, ориентации установки, мощности двигателя и условиям эксплуатации.

Модуль слишком большого размера может увеличить стоимость оборудования и подвижную массу, а модуль меньшего размера может вызвать чрезмерную вибрацию, ошибки позиционирования, преждевременный износ ШВП или перегрузку двигателя. Систематический процесс отбора помогает сбалансировать производительность, надежность и стоимость.

В этом руководстве объясняется, как выбрать линейный модуль ШВП путем оценки требований применения, грузоподъемности, хода, диаметра винта, шага, скорости, точности, ориентации установки, выбора двигателя и условий окружающей среды.

1. Определите требования к приложению

Первый шаг – четко определить, что именнолинейный модульдолжен выполнить. Выбор следует начинать с фактического цикла движения, а не с предпочтительного размера модуля или модели двигателя.

Соберите следующую информацию о приложении:

• Вес заготовки, приспособления и оснастки
• Требуемый эффективный ход
• Горизонтальная, вертикальная или наклонная установка
• Максимальная рабочая скорость
• Ускорение и замедление
• Требуемая точность позиционирования
• Требуемая повторяемость
• Время цикла и часы работы в день
• Внешние силы, действующие на каретку
• Радиальные моменты, моменты тангажа, рыскания и крена
• Доступное место для установки
• Требования к двигателю и контроллеру
• Температура, пыль, влажность и условия в чистом помещении

Полный профиль движения должен включать расстояние перемещения, время ускорения, время поддержания постоянной скорости, время замедления и время ожидания. Эти параметры определяют необходимую скорость двигателя, крутящий момент и рабочую скорость ШВП.

2. Рассчитайте общую движущую нагрузку.

Общая движущая нагрузка не ограничивается заготовкой. В него входят все компоненты, установленные на каретке.

Движущаяся масса может включать в себя:

• Заготовка
• Крепеж или поддон
• Захват или концевой эффектор
• Кронштейн датчика
• Модуль вторичной оси
• Двигатель или редуктор, установленный на подвижной оси
• Кабели и силы кабельной несущей

Базовую силу ускорения можно оценить как:

F = м × а

Где:

• Фэто сила ускорения в ньютонах
• мобщая движущаяся масса в килограммах
• аускорение в метрах в секунду в квадрате

При горизонтальной установке шарико-винтовая передача в основном преодолевает силу ускорения, трение и внешние технологические силы.

При вертикальной установке привод также должен преодолевать силу тяжести:

Ф_{вертикальный}= м × г + м × а + F_трение+ Ф_{внешний}

При ускорении вниз сила тяжести может способствовать движению, но двигатель и тормоз все равно должны безопасно контролировать нагрузку во время замедления и потери мощности.

Примените соответствующий коэффициент безопасности

Расчетная тяга не должна быть равна максимальной номинальной тяге модуля. Коэффициент безопасности необходим для учета изменений нагрузки, ударов, отклонений сборки и неожиданного сопротивления.

Для стабильных приложений с низким уровнем воздействия обычно учитывается коэффициент запаса прочности примерно от 1,5 до 2,0. Приложения, связанные с ударными нагрузками, высоким ускорением, частыми пусками и остановками или неопределенными внешними силами, могут потребовать более высокого коэффициента.

Всегда проверяйте как допустимую полезную нагрузку модуля, так и номинальную динамическую нагрузку ШВП.

3. Оцените моментные нагрузки

Каретка линейного модуля может подвергаться не только прямой вертикальной нагрузке. Смещенная нагрузка создает моментные силы, действующие на линейную направляющую и каретку.

К основным направлениям момента относятся:

• Момент подачи:вращение вокруг поперечной оси
• Момент отклонения:вращение вокруг вертикальной оси
• Момент крена:вращение вокруг оси перемещения

Упрощенный расчет момента:

М = Ф × Л

Где:

• Мэто приложенный момент
• Фэто приложенная сила
• лрасстояние между силой и центром каретки

Даже умеренная нагрузка может создать большой момент, если она установлена ​​далеко от центра каретки. Поэтому одной полезной нагрузки недостаточно для выбора модуля.

Когда приложенный момент приближается к допустимому пределу модуля, учитывайте:

• Увеличение длины каретки
• Использование более широкого модуля
• Установка двух параллельных модулей
• Уменьшение смещения нагрузки
• Добавление внешнего руководства по поддержке

4. Определите необходимый ход

Указанный ход должен основываться на фактическом рабочем ходе плюс дополнительное расстояние, необходимое для безопасной работы.

Требуемый ход модуля может включать в себя:

• Эффективное процессуальное путешествие
• Разрешение на погрузку и разгрузку
• Расстояние активации датчика
• Дистанция ускорения и замедления
• Механический запас прочности
• Доплата за исходное положение

Не следует выбирать модуль, каретка которого постоянно работает в пределах механических пределов. Зарезервируйте подходящий ход на обоих концах для датчиков ограничения, аварийного замедления и регулировки установки.

Ход не совпадает с общей длиной

Общая длина модуля превышает эффективный ход, поскольку в корпусе должны размещаться каретка, опоры подшипников, опора двигателя и концевые конструкции.

Прежде чем подтвердить ход, проверьте:

• Общая длина модуля
• Длина удлинения двигателя
• Размеры муфты и крепления двигателя
• Пространство для изгиба кабельной несущей
• Доступ для обслуживания и смазки

5. Выберите диаметр шарико-винтовой передачи.

Диаметр шарико-винтовой передачи влияет на осевую мощность, жесткость, критическую скорость, сопротивление короблению и срок службы. Больший диаметр винта обычно обеспечивает большую осевую жесткость и выдерживает более высокие нагрузки, но также увеличивает инерцию вращения, размер модуля и стоимость.

Диаметр винта следует выбирать в соответствии с:

• Осевая нагрузка
• Ход модуля
• Максимальная скорость вращения
• Ориентация при установке
• Требуемая жесткость
• Опорно-несущее устройство
• Ожидаемый срок службы

Приложения с длинным ходом

По мере того как винт становится длиннее, его критическая скорость вращения уменьшается. Если винт вращается слишком быстро, это может привести к вибрации, шуму и биению.

Для длинного хода дизайнеру может потребоваться:

• Используйте винт большего диаметра.
• Выберите больший шаг, чтобы уменьшить скорость винта.
• Уменьшите максимальную линейную скорость
• Улучшить расположение винтовой опоры
• Используйте фиксированную конфигурацию подшипника.
• Рассмотрим другой метод передачи для очень дальних поездок.

Вертикальные приложения

Вертикальные установки создают постоянную осевую нагрузку на шариковый винт. Диаметр винта и номинальная нагрузка шариковой гайки должны выдерживать подвешенную массу, сохраняя при этом достаточную безопасность от коробления и неожиданного движения вниз.

6. Выберите правильный ход шарико-винтовой передачи.

Ход шарикового винта — это линейное расстояние, которое проходит гайка за один оборот винта. Свинец напрямую влияет на скорость, тягу, крутящий момент двигателя, разрешение и эффективность управления.

Взаимосвязь между линейной скоростью, шагом винта и скоростью вращения:

п = v × 60 ÷ L

Где:

• нскорость винта в оборотах в минуту
• влинейная скорость в миллиметрах в секунду
• л- ход винта в миллиметрах на оборот

Например, когда требуемая линейная скорость составляет 500 мм/с, а шаг винта составляет 10 мм:

n = 500 × 60 ÷ 10 = 3000 об/мин

ШВП с малым шагом

Меньшее отведение обычно обеспечивает:

• Более высокое механическое преимущество
• Большая тяга при том же крутящем моменте двигателя
• Более точное теоретическое движение на оборот двигателя
• Лучшее управление на низкой скорости

Однако небольшой шаг требует более высокой скорости вращения винта для достижения той же линейной скорости.

ШВП с большим шагом

Более крупное отведение обычно обеспечивает:

• Более высокая линейная скорость при более низкой скорости шнека
• Снижение риска превышения критической скорости винта
• Сокращение времени цикла для длительных путешествий

Однако больший шаг требует большего крутящего момента двигателя для того же осевого усилия и обеспечивает большее линейное перемещение на один оборот двигателя.

Баланс выбора потенциальных клиентов

Правильное отведение должно уравновешивать:

• Требуемая скорость
• Требуемая тяга
• Номинальная скорость двигателя
• крутящий момент двигателя
• Разрешение позиционирования
• Критическая скорость винта
• Производительность ускорения

7. Проверьте максимальную скорость.

Максимальная скорость модуля ограничена более чем максимальной скоростью вращения двигателя. Вся система должна оставаться в пределах допустимого рабочего диапазона ШВП, подшипников, муфты, линейной направляющей и системы смазки.

Проверьте следующие ограничения:

• Критическая скорость ШВП
• Допустимая частота вращения ШВП
• Номинальная и максимальная скорость двигателя
• Допустимая скорость сцепления
• Допустимая скорость подшипника
• Рабочая скорость линейной направляющей
• Состояние смазки
• Требования к шуму и вибрации

Модуль не должен работать непрерывно с максимальной теоретической производительностью. Выбор разумного эксплуатационного запаса повышает стабильность и срок службы.

Ускорение и время цикла

Сама по себе высокая скорость не гарантирует короткое время цикла. При коротком ходе модулю может не хватить расстояния для достижения максимальной скорости.

Цикл движения следует оценивать с помощью:

• Время ускорения
• Время в пути с постоянной скоростью
• Время замедления
• Время урегулирования
• Время задержки процесса
• Время обратного пути

Для коротких высокочастотных движений способность к ускорению и устойчивость могут быть более важными, чем максимальная скорость.

8. Определите требуемую точность

Характеристики точности должны основываться на фактических требованиях процесса. Выбор излишне высокой точности может увеличить стоимость без улучшения производительности производства.

Важные условия точности включают в себя:

Точность позиционирования

Точность позиционирования описывает разницу между заданным положением и фактическим положением во время перемещения модуля.

Повторяемость

Повторяемость описывает способность модуля неоднократно возвращаться в одно и то же положение при одних и тех же условиях эксплуатации.

Люфт

Люфт – это потеря движения, которая может возникнуть при изменении направления движения. Шариковые гайки с предварительным натягом позволяют уменьшить осевой зазор и улучшить характеристики реверса.

Разрешение

Разрешение — это наименьшее теоретическое движение, которым может управлять двигатель и система управления. Это зависит от шага винта, разрешения энкодера и электронной интерполяции.

Высокое разрешение команд не гарантирует автоматически высокую точность позиционирования. На фактическую точность также влияют:

• Ошибка хода шарикового винта
• Люфт
• Прямолинейность направляющей
• Точность монтажной поверхности
• Структурная деформация
• Тепловое расширение
• Выравнивание муфты
• Производительность кодировщика
• Настройка контроллера

Сопоставьте точность с процессом

9. Учитывайте ориентацию установки

Ориентация установки изменяет нагрузку, действующую на ШВП, направляющие и двигатель.

Горизонтальная установка

В горизонтальной конфигурации линейная направляющая поддерживает вес, а шариковый винт в основном обеспечивает ускорение и технологическое усилие. Обычно это наименее требовательная ориентация системы привода.

Вертикальная установка

В вертикальной конфигурации мотор должен постоянно преодолевать силу тяжести. При выборе следует учитывать:

• Непрерывный подъемный момент
• Пиковый момент ускорения
• Моторный тормоз
• Аварийная остановка
• Защита от потери мощности
• Сопротивление продольному изгибу шарикового винта
• Требования к противовесу

Двигатель с тормозом обычно рассматривается в тех случаях, когда неконтролируемое движение вниз может привести к повреждению оборудования или угрозе безопасности.

Боковая установка

При установке модуля на бок меняется направление нагрузки относительно направляющих блоков. Проверьте допустимые нагрузки и моменты для фактического направления установки.

Наклонная установка

Наклонная ось объединяет горизонтальную и вертикальную составляющие силы. Силу гравитации вдоль направления движения можно оценить в зависимости от угла установки, и она должна быть включена в расчет тяги.

10. Выберите двигатель.

Двигатель должен обеспечивать достаточную скорость, постоянный крутящий момент, пиковый крутящий момент и ускорение на протяжении всего цикла движения.

Выбор двигателя должен включать:

• Максимальная скорость вращения
• Непрерывный рабочий крутящий момент
• Пиковый момент ускорения
• Инерция нагрузки
• Инерция вращения ШВП
• Эффективность связи
• Вертикальная гравитационная нагрузка
• Трение и внешнее сопротивление
• Рабочий цикл
• Требования к стояночному тормозу

Оцените крутящий момент привода

Крутящий момент, необходимый для создания осевой силы через шарико-винтовую передачу, можно оценить как:

Т = F × L ÷ (2π × η)

Где:

• Тнеобходимый крутящий момент
• Фэто осевая сила
• лэто ход шарико-винтовой пары
• илиКПД шарико-винтовой передачи

Общий крутящий момент двигателя должен также включать момент ускорения движущейся массы и вращающихся компонентов.

Проверьте скорость двигателя

Требуемая скорость двигателя определяется заданной линейной скоростью и шагом винта. Двигатель должен быть в состоянии поддерживать требуемую рабочую скорость без постоянной работы на абсолютном максимальном пределе.

Проверьте соответствие инерции

Высокое соотношение инерции нагрузки к двигателю может затруднить настройку сервопривода и снизить стабильность реакции. Когда инерция чрезмерна, возможные решения включают в себя:

• Использование более мощного двигателя
• Уменьшение ускорения
• Смена шага ШВП
• Добавление коробки передач
• Уменьшение движущейся массы

Серводвигатель или шаговый двигатель

11. Оцените условия окружающей среды

Условия эксплуатации влияют на уплотнение модуля, смазку, выбор материала и срок службы.

Пыль и частицы

Пыль может попасть в дорожку качения ШВП и линейную направляющую, что приведет к износу и нестабильному движению. Могут потребоваться защитные крышки, сильфоны, уплотнения или полностью закрытые модульные конструкции.

Влага и коррозионные условия

Влажная, промывная или химически агрессивная среда может потребовать:

• Коррозионностойкие компоненты
• Специальная обработка поверхности
• Герметичные подшипники
• Водостойкие датчики
• Подходящие защитные чехлы
• Экологичная смазка

Применение в чистых помещениях

Для оборудования чистых помещений могут потребоваться материалы с низким содержанием частиц, контролируемая смазка, закрытые компоненты трансмиссии и совместимая прокладка кабелей.

Высокая или низкая температура

Изменения температуры могут повлиять на вязкость смазки, зазор компонентов, надежность датчика и тепловое расширение. Прецизионные приложения должны оценивать влияние температуры на точность позиционирования.

Применение вакуума

Вакуумная среда требует совместимой смазки, материалов, кабелей и обработки поверхности. Стандартные модули не следует считать пригодными без подтверждения.

12. Проверьте жесткость модуля и точность монтажа.

Высокоточная ШВП не может компенсировать слабую раму станка или неровную монтажную поверхность.

Монтажная конструкция должна обеспечивать:

• Достаточная плоскостность
• Адекватная жесткость конструкции
• Надежные точки крепления
• Правильное выравнивание
• Устойчивость к вибрации
• Термическая стабильность

Когда два модуля устанавливаются параллельно, выравнивание становится особенно важным. Несоосность может привести к дополнительному трению, неравномерной загрузке направляющих и преждевременному износу.

13. Проверьте срок службы и рабочий цикл.

Срок службы шарико-винтовой передачи и линейной направляющей зависит от величины нагрузки, направления нагрузки, скорости, ускорения, смазки и рабочей частоты.

При выборе следует учитывать:

• Количество циклов в минуту
• Часы работы в день
• Ожидаемый срок службы оборудования
• Средняя и пиковая нагрузка
• Удар и вибрация
• Интервал смазки
• Доступность обслуживания

Модуль, отвечающий требованиям по максимальной нагрузке, все равно может оказаться непригодным для непрерывной высокочастотной работы, если его расчетная усталостная долговечность недостаточна.

14. Пример выбора линейного модуля ШВП

Рассмотрим приложение горизонтального позиционирования со следующими требованиями:

• Общая движущаяся масса: 35 кг.
• Эффективный ход: 800 мм
• Максимальная скорость: 600 мм/с
• Ускорение: 3 м/с²
• Требуемая повторяемость: ±0,02 мм.
• Установка: горизонтальная
• Действие: частое возвратно-поступательное движение.

Основная сила ускорения равна:

F = 35 × 3 = 105 Н

Затем необходимо добавить дополнительное трение, сопротивление кабеля и технологические силы. После применения соответствующего коэффициента запаса требуемое усилие можно использовать для выбора ШВП и двигателя.

Если выбран шаг шага 10 мм, скорость винта при 600 мм/с составит:

n = 600 × 60 ÷ 10 = 3600 об/мин

Проектировщик должен убедиться, что эта скорость ниже допустимой скорости ШВП и критической скорости для выбранного диаметра и хода винта.

Если скорость шнека слишком высокая, возможные регулировки включают в себя:

• Использование большего отведения
• Увеличение диаметра винта
• Снижение максимальной скорости
• Изменение конфигурации опорных подшипников

При окончательном выборе также необходимо подтвердить допустимый направляющий момент, пиковый крутящий момент двигателя, рабочий цикл, длину модуля и требования к пространству для установки.

15. Контрольный список выбора линейного модуля с шарико-винтовой передачей

Распространенные ошибки при выборе линейного модуля ШВП

• Выбор модуля только по полезной нагрузке
• Игнорирование моментных нагрузок, вызванных смещенным приспособлением
• Использование эффективного хода в качестве общей длины установки
• Выбор малого шага без проверки скорости вращения винта
• Выбор большого шага без проверки крутящего момента двигателя
• Игнорирование критической скорости в приложениях с длинным ходом
• Использование данных о горизонтальной нагрузке для вертикальной установки
• Игнорирование момента ускорения и замедления
• Разрешение энкодера путает с фактической точностью позиционирования
• Установка прецизионного модуля на неточную монтажную поверхность
• Непрерывная работа в соответствии с максимальными спецификациями каталога
• Игнорирование требований по защите от пыли и смазке

Заключение

Выбор линейного модуля ШВП требует полной оценки механической нагрузки, профиля движения, хода, диаметра винта, хода, скорости, точности, ориентации установки, двигателя и условий эксплуатации.

Начните с фактической движущейся массы приложения, внешних сил и моментных нагрузок. Затем рассчитайте необходимую тягу, определите ход, выберите подходящий диаметр и ход винта и проверьте скорость винта, критическую скорость и мощность двигателя. Наконец, подтвердите точность, условия монтажа, защиту окружающей среды, рабочий цикл и требования к сроку службы.

Правильно выбранный линейный модуль ШВП обеспечивает стабильное позиционирование, плавность хода, достаточную жесткость и надежную длительную работу без ненужного превышения размеров.