Ремень ГРМлинейный модульможно устанавливать вертикально, но вертикальная работа требует более тщательного выбора, чем горизонтальная. По вертикальной оси двигатель должен преодолевать силу тяжести при движении вверх и контролировать опускающуюся нагрузку при движении вниз. Система также должна предотвращать падение каретки и полезного груза при остановке двигателя, потере мощности сервопривода или выходе из строя ремня ГРМ.

По этой причине для линейного модуля с вертикальным зубчатым ремнем обычно требуется двигатель с тормозом, достаточный крутящий момент двигателя, соответствующий коэффициент безопасности и надежные меры предотвращения падения. Устройства противовеса также можно использовать, когда полезная нагрузка тяжелая или ось работает с высокой частотой.

Vertical timing belt linear module with brake motor and falling prevention design
Линейный модуль с вертикальным ремнем ГРМ с тормозным двигателем, контролем гравитационной нагрузки и защитой от падения.

Можно ли установить линейный модуль ремня ГРМ вертикально?

Да.Линейные модули ремня ГРМшироко используются в качестве вертикальных подъемных осей в системах захвата и перемещения, упаковочном оборудовании, погрузочно-разгрузочных машинах,портальные роботы, инспекционное оборудование и автоматизированные производственные линии.

Однако не каждый модуль ремня ГРМ автоматически подходит для вертикальной установки. Перед выбором необходимо проверить следующие условия:

  • Ремень ГРМ должен иметь достаточную прочность на растяжение.
  • Двигатель должен обеспечивать достаточный крутящий момент, чтобы поднять груз против силы тяжести.
  • Двигатель должен иметь электромагнитный тормоз.
  • Направляющая и каретка должны выдерживать приложенную нагрузку и момент.
  • Конструкция должна включать защиту от отключения питания и меры по предотвращению падения.
  • Выбранная нагрузка должна оставаться ниже допустимой вертикальной нагрузки модуля.
  • Ускорение, скорость, ход и рабочая частота должны рассматриваться вместе.

Модуль с высокой горизонтальной грузоподъемностью может иметь гораздо меньшую допустимую нагрузку при вертикальной установке, поскольку на движущийся узел постоянно действует сила тяжести.

Чем вертикальная установка отличается от горизонтальной?

При горизонтальном применении сила тяжести в основном поддерживается линейной направляющей. Двигатель в первую очередь преодолевает силу ускорения, трение и внешнее сопротивление процесса.

При вертикальном применении двигатель должен постоянно поддерживать или контролировать вес каретки, инструментов и полезной нагрузки. Поэтому сила, необходимая для ускорения вверх, значительно выше.

Фактор отбора Горизонтальная ось Вертикальная ось
Влияние гравитации В основном осуществляется гидом Действует непосредственно на приводную систему
Моторный тормоз Обычно необязательно Обычно требуется
Риск отключения питания Каретка обычно остается на месте Коляска может упасть
крутящий момент двигателя Основано главным образом на ускорении и трении. Должны учитывать гравитацию, ускорение и трение.
Безопасный дизайн Стандартная защита от движения Тормоз, механический стопор и защита от падения.
Противовес Редко требуется Полезно для тяжелых или многоцикловых нагрузок.

Рассчитайте нагрузку по вертикальной оси

Подвижная масса вертикального модуля ремня ГРМ включает в себя больше, чем полезная нагрузка клиента. Общая движущаяся масса должна включать:

  • Вес заготовки или изделия
  • Вес приспособления, захвата или инструмента
  • Вес движущейся каретки
  • Установленные датчики, кабели и кронштейны
  • Любой дополнительный движущийся механизм

Основная сила тяжести рассчитывается как:

Фг= м × г

Где:

  • Фг— сила тяжести в ньютонах.
  • м— общая движущаяся масса в килограммах.
  • г— ускорение свободного падения, примерно 9,81 м/с².

Например, если полная движущаяся масса составляет 20 кг:

Фг= 20 × 9,81 = 196,2 Н

Двигатель должен обеспечивать усилие более 196,2 Н, поскольку для ускорения, трения и потерь в трансмиссии требуется дополнительная сила.

Усилие, необходимое при ускорении вверх

Приблизительную восходящую движущую силу можно рассчитать как:

Фвверх= м × (г + а) + Fж+ Фе

Где:

  • аэто ускорение вверх.
  • Фж– расчетное сопротивление трения.
  • Фелюбая дополнительная внешняя технологическая сила.

Тогда расчетная сила должна включать коэффициент безопасности:

Фдизайн= Фвверх× С

Для типичной вертикальной оси обычно рассматривается коэффициент запаса прочности от 1,5 до 2,0. Более высокий коэффициент может потребоваться для ударных нагрузок, частых запусков и остановок, неопределенной полезной нагрузки или критически важного с точки зрения безопасности оборудования.

Сила во время движения вниз

Гравитация способствует движению вниз, но это не означает, что движение вниз не требует крутящего момента двигателя. Двигатель должен контролировать опускающуюся массу и не допускать превышения скорости.

Во время быстрого замедления двигатель может работать в генераторном режиме. Поэтому для сервопривода может потребоваться тормозной резистор или рекуперативный блок, особенно когда движущаяся масса, скорость или ход велики.

Расчет крутящего момента двигателя

После определения необходимой линейной силы крутящий момент на зубчатом шкиве можно оценить с помощью:

Тшкив= Фдизайн× р ÷ н

Где:

  • Тшкив– необходимый крутящий момент шкива.
  • р- радиус шага шкива ГРМ.
  • илиэто эффективность передачи.

Если используется редуктор, требуемый крутящий момент двигателя можно оценить как:

Тмотор= Тшкив÷ (i × nг)

Где:

  • яэто передаточное число коробки передач.
  • илигэто КПД коробки передач.

Выбор двигателя не должен основываться только на номинальном крутящем моменте. Также следует проверить следующие значения:

  • Номинальный крутящий момент двигателя
  • Пиковый крутящий момент двигателя
  • Требуемый момент ускорения
  • Максимальная рабочая скорость
  • Инерция двигателя и коэффициент инерции нагрузки
  • Среднеквадратичный крутящий момент в течение всего рабочего цикла
  • Регенеративная энергия при торможении вниз
  • Удерживающий момент тормоза

Серводвигатель обычно предпочтительнее для вертикального ремня ГРМ, поскольку он обеспечивает контролируемое ускорение, точное позиционирование, контроль скорости и защиту от перегрузки.

Почему вертикальной оси нужен двигатель с тормозом

Электромагнитный тормоз двигателя является одним из наиболее важных компонентов системы вертикального перемещения. Когда сервопривод отключен или прерывается электропитание, сила тяжести может привести к движению каретки вниз. Тормоз удерживает вал двигателя и помогает удерживать вертикальную ось в нужном положении.

Тормоз должен быть нормально замкнутым, с пружинным приводом и электрическим отпусканием. Это означает, что тормоз включается автоматически при отключении электропитания.

Требуемый статический удерживающий момент на шкиве можно оценить как:

Тдержать= м × г × р ÷ п

Затем следует применить коэффициент запаса прочности:

Ттормоз≥ Тдержать× Сб

Выбранный тормозной момент должен превышать расчетный удерживающий момент. Тормоз также должен учитывать каретку, инструменты и все другие движущиеся компоненты.

Важный:Стандартный тормоз серводвигателя обычно предназначен для статического удержания, а не для многократной остановки движущегося груза. Обычное замедление должно быть завершено двигателем до срабатывания тормоза.

Рекомендуемая последовательность управления тормозом

  1. Включите сервопривод и установите удерживающий момент двигателя.
  2. Отпустите электромагнитный тормоз.
  3. Перед началом движения убедитесь в отпускании тормоза.
  4. Завершите движение и остановите ось с помощью серводвигателя.
  5. Дайте команду тормозу включиться.
  6. Убедитесь, что тормоз включен.
  7. Отключайте сервопривод только после того, как тормоз закрепит груз.

В программу управления должна быть включена задержка для учета времени механического открытия и закрытия тормоза.

Варианты противовеса для вертикального движения

Противовес снижает эффективную гравитационную нагрузку, действующую на двигатель. Это может снизить крутящий момент двигателя, снизить потребление энергии, уменьшить износ тормозов и улучшить стабильность вертикальной оси.

Общие методы противовеса включают в себя:

Противовес

Противовес соединяется с движущейся кареткой посредством ремня, шкива или тросовой системы. Он может компенсировать большую часть движущейся массы.

Противовесы эффективны при длинных ходах и тяжелых нагрузках, но требуют дополнительного места для установки и увеличивают общую инерцию перемещения системы.

Газовая пружина

Газовая пружина может обеспечить восходящую поддерживающую силу в компактных вертикальных механизмах. Он относительно прост, но его сила меняется в зависимости от хода и может не оставаться постоянной на протяжении всего хода.

Пневматический цилиндр

В качестве балансировочного цилиндра можно использовать пневматический цилиндр. Давление воздуха можно регулировать в зависимости от вертикальной нагрузки.

Этот метод подходит для машин, которые уже имеют стабильную подачу сжатого воздуха. При расчете безопасности необходимо учитывать потерю давления и утечку воздуха.

Пружина постоянной силы

Пружина постоянной силы может обеспечить примерно равномерную поддерживающую силу на протяжении всего рабочего хода. Его часто используют для относительно легких вертикальных осей и компактного оборудования.

Балансирующая сила обычно не должна превышать общую силу тяжести. Чрезмерный противовес может привести к подъему каретки при отключении двигателя.

Натяжение ремня ГРМ в вертикальном модуле

Правильное натяжение ремня ГРМ имеет важное значение для вертикальной работы. Если натяжение ремня слишком слабое, в системе могут возникнуть:

  • Подпрыгивание зубьев при разгоне или экстренной остановке
  • Ошибки позиционирования
  • Вибрация и ненормальный шум
  • Нестабильное движение вниз
  • Снижена жесткость трансмиссии

Если натяжение ремня слишком велико, это может привести к:

  • Чрезмерная нагрузка на двигатель
  • Повышенная нагрузка на подшипник шкива
  • Более высокое трение и температура
  • Ускоренный износ ремня и подшипников.
  • Уменьшенный срок службы

Натяжение ремня должно соответствовать значению, указанному производителем модуля. Его не следует увеличивать произвольно, чтобы компенсировать недостаточный крутящий момент двигателя или ремень недостаточного размера.

Ширина ремня, профиль зубьев, материал армирования и допустимая растягивающая нагрузка должны соответствовать расчетной вертикальной силе.

Защита от отключения питания и предотвращение падения

Тормоз двигателя сам по себе не может обеспечить достаточную защиту для любого вертикального применения. Соответствующий уровень безопасности зависит от движущейся массы, высоты установки, рабочей среды и последствий неконтролируемого падения.

Возможные меры предотвращения падения включают в себя:

  • Нормально закрытый моторный тормоз
  • Механическое устройство против падения
  • Предохранительный тормоз установлен на направляющей
  • Храповик или запорный механизм
  • Система противовеса
  • Механические концевые упоры
  • Энергопоглощающие буферы
  • Предохранитель или дополнительная опора
  • Резервный ремень или подъемный механизм
  • Сервосигнализация и контроль состояния тормозов

Если персонал может войти в зону под вертикальной осью, система не должна полагаться только на тормоз двигателя. Может потребоваться оценка риска и независимое механическое удерживающее устройство.

Защита от отказа ремня

Хотя правильно выбранный ремень ГРМ имеет длительный срок службы, износ ремня, неправильное натяжение, загрязнение, перекос шкивов или перегрузка могут в конечном итоге привести к выходу из строя.

Для оборудования, в котором отказ ремня может создать серьезную опасность, учитывайте следующее:

  • Схема с двумя ремнями
  • Вторичный страховочный трос
  • Предохранительный тормоз направляющей
  • Механический стопорный штифт
  • Плановый осмотр и замена ремня.
  • Защитный кожух, предотвращающий доступ ниже оси

Направляющая и моментная нагрузка

Вертикальную полезную нагрузку следует располагать как можно ближе к центру каретки. Смещенная полезная нагрузка создает моментные нагрузки на линейную направляющую.

Обычно проверяются основные моменты:

  • Момент качки
  • момент рыскания
  • Качающийся момент

Легкая полезная нагрузка, расположенная далеко от каретки, может создавать большую направляющую нагрузку, чем более тяжелая полезная нагрузка, установленная близко к центру каретки.

Если инструмент имеет большой вылет, рассмотрите возможность использования:

  • Более длинная карета
  • Два направляющих блока
  • Более широкий модуль
  • Два параллельных вертикальных модуля
  • Внешняя направляющая структура

Требования к конструкции вертикальной установки

Модуль должен быть установлен на жесткой и плоской раме машины. Недостаточная жесткость рамы может вызвать вибрацию, смещение направляющих и низкую точность позиционирования.

Во время установки:

  • Убедитесь, что модуль выровнен вертикально.
  • Поддерживайте модуль вдоль рекомендованных монтажных поверхностей.
  • Затяните болты крепления, соблюдая указанную последовательность и момент затяжки.
  • Избегайте перекручивания алюминиевого профиля.
  • Обеспечьте гибкое направление троса для движущейся каретки.
  • Следите за тем, чтобы тросы не тянули каретку вниз или в сторону.
  • Установите датчики верхнего и нижнего пределов.
  • Установите программные ограничения перемещения внутри механических ограничений.
  • Обеспечьте достаточную дистанцию ​​замедления до конечной остановки.
  • Установите механические буферы на случай ненормального перебега.

Процедура выбора вертикального модуля ремня ГРМ

  1. Рассчитайте общую движущуюся массу.Включите полезную нагрузку, приспособление, каретку и все движущиеся аксессуары.
  2. Определите штрих.Добавьте запасы безопасности и расстояние замедления к необходимому ходу.
  3. Определить скорость и ускорение.Используйте фактический профиль движения, а не только максимальную скорость машины.
  4. Рассчитайте восходящую движущую силу.Включите гравитацию, ускорение, трение и внешнее сопротивление.
  5. Примените коэффициент безопасности.Увеличьте коэффициент для ударных нагрузок или неопределенных условий эксплуатации.
  6. Проверьте пропускную способность ремня.Проверьте допустимое натяжение, прочность зубьев и ширину ремня.
  7. Рассчитайте крутящий момент шкива.Используйте радиус шага шкива и эффективность трансмиссии.
  8. Выберите двигатель и коробку передач.Проверьте номинальный крутящий момент, пиковый крутящий момент, скорость, инерцию и среднеквадратичный крутящий момент.
  9. Выберите тормоз двигателя.Убедитесь, что удерживающий момент тормоза превышает требования к удержанию под действием силы тяжести.
  10. Проверьте направляющую нагрузку и моменты.Укажите вылет полезной нагрузки и размеры инструментов.
  11. Оцените регенеративную энергию.При необходимости добавьте тормозной резистор или рекуперативный блок.
  12. Создайте защиту от падения.Выберите защиту в соответствии с оценкой рисков для машины.
  13. Проверьте срок службы.Учитывайте частоту циклов, ежедневные часы работы и ожидаемые интервалы технического обслуживания.

Пример расчета вертикальной оси

Рассмотрим вертикальный модуль ремня ГРМ со следующими условиями:

  • Общая движущаяся масса: 20 кг.
  • Ускорение вверх: 1,5 м/с²
  • Расчетное сопротивление трению: 50 Н
  • Внешняя технологическая сила: 0 Н
  • Коэффициент безопасности: 1,5
  • Радиус шага шкива: 25 мм или 0,025 м.
  • Эффективность передачи: 90%

Восходящая сила равна:

Фвверх = 20 × (9.81 + 1.5) + 50

Фвверх= 276,2 Н

После применения коэффициента безопасности:

Фдизайн= 276,2 × 1,5 = 414,3 Н

Требуемый крутящий момент шкива составляет:

Тшкив = 414.3 × 0.025 ÷ 0.90

Тшкив≈ 11,5 Н·м

Статический удерживающий момент силы тяжести составляет:

Тдержать = 20 × 9.81 × 0.025 ÷ 0.90

Тдержать≈ 5,45 Н·м

Выбранный двигатель, редуктор и тормоз необходимо проверить на соответствие этим значениям. При окончательном выборе также необходимо учитывать рабочую скорость, пиковый крутящий момент, инерцию двигателя, время цикла и рекуперативную энергию.

Распространенные ошибки вертикальной установки

Выбор двигателя только по полезной нагрузке

Полезная нагрузка сама по себе не представляет собой полную движущуюся массу. Игнорирование каретки, инструментов и принадлежностей может привести к недостаточному крутящему моменту двигателя.

Использование двигателя без тормоза

Серводвигатель может удерживать положение, пока находится под напряжением, но не может гарантировать удержание при отключении питания. Вертикальная ось обычно должна использовать двигатель с тормозом.

Относитесь к тормозу как к средству аварийной остановки

Повторное использование стояночного тормоза для остановки движущейся оси может привести к быстрому износу и выходу тормоза из строя. Сервопривод должен остановить движение до того, как сработает тормоз.

Игнорирование нисходящей регенерации

Тяжелая вертикальная нагрузка может вернуть энергию сервоприводу во время спуска. Без подходящей рекуперативной мощности привод может выдать сигнал тревоги о перенапряжении.

Чрезмерное увеличение натяжения ремня

Чрезмерное предварительное натяжение не может исправить ремень или двигатель недостаточного размера. Это увеличивает нагрузку на подшипник и может сократить срок службы модуля.

Полагаться только на ограничения программного обеспечения

Ограничения программного обеспечения не могут защитить машину в случае сбоя контроллера, отказа датчика или потери питания. Также должны быть предусмотрены механические ограничения и буферы.

Игнорирование превышения полезной нагрузки

Смещенное крепление может создавать чрезмерную моментную нагрузку, даже если вес полезной нагрузки находится в пределах номинального значения.

Часто задаваемые вопросы

Может ли модуль ремня ГРМ выдерживать вертикальную нагрузку без питания?

Только при наличии подходящего тормоза или механического удерживающего устройства. Сам серводвигатель не может надежно удерживать нагрузку после отключения питания.

Подходит ли шаговый двигатель для вертикальной оси ремня ГРМ?

Шаговый двигатель можно использовать для легких и тихоскоростных вертикальных нагрузок, но он должен иметь тормоз и достаточный запас крутящего момента. Серводвигатель обычно предпочтительнее для более высоких скоростей, более тяжелых нагрузок и приложений, требующих обратной связи по положению.

Нуждается ли каждая вертикальная ось в противовесе?

Нет. Противовес не является обязательным, если двигатель и тормоз могут безопасно выдерживать нагрузку. Он становится более полезным для тяжелых грузов, длинных ходов, высокой скорости цикла или энергочувствительного оборудования.

Какой коэффициент безопасности следует использовать?

Для предварительного выбора часто учитывается коэффициент примерно от 1,5 до 2,0. Фактический коэффициент следует определять в соответствии с неопределенностью нагрузки, ударами, рабочей частотой и требованиями безопасности машины.

Может ли тормоз двигателя остановить ось в аварийной ситуации?

Стандартный моторный тормоз в основном предназначен для удержания стационарной нагрузки. Аварийная остановка обычно должна осуществляться с помощью сервопривода, специального предохранительного тормоза или другого стопорного устройства соответствующего номинала.

Как предотвратить падение вертикального модуля в случае обрыва ремня?

В системах высокого риска могут использоваться предохранительный тормоз направляющей, вторичный трос, резервный ремень, механический запорный механизм или защитный кожух. Соответствующий метод следует выбирать на основе оценки машинного риска.

Заключение

При правильном выборе линейный модуль ремня ГРМ может обеспечить быстрое, длинноходное и точное вертикальное движение. При проектировании необходимо учитывать общую движущуюся массу, силу тяжести, ускорение, крутящий момент шкива, мощность ремня, направляющие моменты и рекуперативную энергию.

Обычно необходим тормоз двигателя, но тормоз не следует рассматривать как единственное защитное устройство. Для тяжелых грузов или применений, где падение может привести к травмам или повреждению оборудования, следует также рассмотреть возможность использования систем противовеса и независимой механической защиты от падения.

Сочетая точные расчеты нагрузки, достаточный запас прочности, правильное натяжение ремня и надежную защиту от отключения питания, модуль ремня ГРМ с вертикальным расположением может работать безопасно и стабильно в течение всего предполагаемого срока службы.