Urządzenia techniki liniowej uwzględnia się w aplikacjach, w których ładunek wymaga stałego i dokładnego przesuwu przy zastosowaniu minimalnego nakładu pracy i energii.
Systemy przemieszczeń, bazujące chociażby na prowadnicach i wózkach liniowych, są niezbędne niemal w każdym segmencie przemysłu. Stanowią nieodzowny element centrów obróbczych, pras, tokarek oraz maszyn drukarskich, znajdują także zastosowanie w branży meblarskiej, spożywczej i elektronicznej. Filip Granowski z firmy Elesa Ganter Polska twierdzi, że mechanizmy przesuwu (wózki liniowe) pozwalają skrócić czas przezbrajania różnego typu maszyn i urządzeń. – Przyspieszenie czasu przezbrajania, zależnie od jego częstotliwości czy kosztów przestoju maszyny, wpływa w znacznym stopniu na ekonomikę danego procesu produkcyjnego. Dlatego oszczędności wynikające z wprowadzenia mechanizmów techniki liniowej mają zazwyczaj większe znaczenie niż sam koszt tych elementów – mówi Granowski.
Oferta rynkowa w zakresie urządzeń techniki liniowej jest bardzo bogata. Do wyboru są np. rozwiązania do przemieszczeń elementów przy użyciu ruchu ślizgowego oraz tocznego z uwzględnieniem niewielkiego współczynnika tarcia.
Napędy liniowe do aplikacji przemysłowych
Jedną z zalet napędów liniowych jest możliwość precyzyjnego i dowolnego pozycjonowania z dokładnością do 0,02 mm. Istotnym elementem tych mechanizmów jest ochrona przed zanieczyszczeniami i przedostawaniem się niewielkich elementów w okolice prowadnicy. Właściwości w tym zakresie zapewnia pełna obudowa śruby, opcjonalnie dostępna jako dodatkowa osłona prowadnicy. Główną rolę w urządzeniu odgrywa otwarty interfejs silnika, który umożliwia adaptację do istniejących standardów. Kompletny zestaw napędu liniowego bazuje na płaskim elektrycznym napędzie miniaturowym ze sztywną prowadnicą, zapewniającą łagodne przyspieszanie i hamowanie obciążeń użytecznych do 4 kg.
Należy podkreślić, że miniaturowe napędy liniowe bardzo często uwzględnia się w zastosowaniach pionowych i zadaniach wymagających krótkiego zmiennego skoku. Chodzi przede wszystkim o precyzyjne pchanie, chwytanie oraz wkładanie z zachowaniem nieliniowości i równoległości w zakresie 0,01 mm, nawet pod dużym obciążeniem mechanicznym. Typowe miniaturowe napędy liniowe pozwalają na skok do 300 mm w czterech pozycjach co 90°.
Bez wątpienia zaletą napędów liniowych jest też możliwość prostego i ekonomicznego uzupełnienia ich wyłącznikami krańcowymi, dzięki zintegrowanym gniazdom na czujniki po lewej i prawej stronie. Oprócz tego producenci oferują oprogramowanie narzędziowe przeznaczone do konfiguracji i uruchamiania liniowego.
W napędach liniowych istotną rolę odgrywają prowadnice. Zazwyczaj wykonuje się je w oparciu o szynę prowadzącą z aluminium anodowanego, z pryzmatycznym układem prowadnic. Ważne są przy tym nastawne plastikowe elementy ślizgowe, niejednokrotnie ze zintegrowanymi hamulcami. W prowadnicach uwzględnia się złożony system uszczelnień z plastikowymi i filcowymi zgarniaczami, przeznaczonymi do usuwania zanieczyszczeń i smarowania prowadnic. W razie potrzeby znajdują zastosowanie wersje odporne na korozję. W saniach prowadnicy instalowane są pryzmowe rolki, zazwyczaj z dwoma rzędami łożysk kulkowych.
Produkowane są również prowadnice hartowane z szyną stalową. W prowadnicach tego typu implementowane są również pokrywy z wycieraczką i smarowniczką. Dostępna jest niemal każda długość skoku. Od pewnej długości skoku uwzględnia się podpory, które zapobiegają nadmiernemu ugięciu i wibracjom napędu liniowego.
W maszynach przemysłowych często znajdują zastosowanie systemy przemieszczeń liniowych z mechanizmem napędowym wózka za pomocą paska zębatego. Stosowany jest ponadto pasek zębaty ze wzmocnieniem stalowym, prowadzonym na zewnątrz aluminiowego profilu kształtowego. Maksymalna prędkość liniowa wynosi 10 m/s. W napędach z paskami zębatymi nie występują luzy podczas zmiany kierunku posuwu. Maksymalna długość układu z jednego profilu aluminiowego wynosi 6 tys. mm, przy maksymalnej dopuszczalnej sile posuwu wynoszącej 5900 N. Z kolei maksymalna dopuszczalna siła poprzeczna wynosi 12 000 N, przy maksymalnej sile obciążenia 6000 N.
W specjalnych zastosowaniach i aplikacjach warto zwrócić uwagę na napędy liniowe w wykonaniu przeciwwybuchowym ATEX 95 II 2G c IIB T4 = 135°C, ATEX 95 II 3D T3 = 125°C oraz podwójne, obustronne i z wydłużonym wózkiem.
Technika liniowa w fabrykach
Większość współczesnych fabryk nie może obejść się bez liniowych napędów pneumatycznych, które dostarczają firmy: Festo, SMC, a także NSK i Prema. Nieco mniej zakładów korzysta z liniowych napędów elektrycznych z oferty firm: Bosch Rexroth, Copley, LinMot, SMC, Siemens, SEW Eurodrive. Z kolei same maszyny przemysłowe, z zaimplementowanymi układami napędów linowych, zwykle nie obejdą się bez prowadnic liniowych. Nieco mniejszym uznaniem cieszą się wózki liniowe i systemy przesuwu.
W większości wypadków w procesie sterowania siłowników zastosowanie znajduje dedykowany sterownik tego samego producenta. Zazwyczaj jest on zakupiony w zestawie z urządzeniem techniki liniowej. Nieco rzadziej używa się sterownika innego producenta. W szczególności chodzi o urządzenia firm Fatek, Baldor, Estun, a także Siemens i Bosch Rexroth. Jeżeli aplikacja wymaga jedynie stałej prędkości pracy, stosowane są proste sterowniki, bez regulacji, firm Omron i Fatek.
W przypadku firm, które w 2014 r. zwiększyły swoje wydatki na zakup urządzeń techniki liniowej w porównaniu z 2013 r., wzrost ten wynosił z reguły 10150% w stosunku do 2013 r.
Parametry techniczne i funkcjonalność
Przedstawiciele fabryk na etapie wyboru urządzeń techniki liniowej biorą pod uwagę w pierwszym rzędzie niezawodność i trwałość elementu. Kluczową rolę odgrywają koszty eksploatacji, prosta obsługa oraz możliwość regulacji w szerokim zakresie prędkości przesuwu. Nieco mniej uwagi przywiązuje się do ceny zakupu, możliwości łatwego łączenia urządzeń w zespoły napędowe (synchronizacja itp.), jakości oprogramowania przeznaczonego do konfiguracji lub sterowania sprzętem, stabilności prędkości obrotowej, a także szybkości i charakteru reakcji urządzenia na zmianę momentu obciążenia.
Towar prawie na czas
Przedstawiciele firm, które wsparcie ze strony dostawców urządzeń techniki liniowej oceniają bardzo dobrze, podkreślają, że niektórzy z nich pomagają przy całym procesie wdrażania aplikacji. Zazwyczaj uzyskuje się odpowiedzi na pytania pojawiające się na etapie eksploatacji urządzenia.
Jeden z przedstawicieli fabryk i zakładów przemysłowych żartobliwie podkreślił, że „towar dostarczany jest prawie na czas”. Jednak na rynku nie brakuje dostawców urządzeń techniki liniowej, których ocenia się słabo. Przede wszystkim zwraca się uwagę na brak odpowiedniego wsparcia technicznego i drogi serwis.
Oferta rynkowa
Firma SKF w zakresie techniki liniowej oferuje przede wszystkim tuleje toczne liniowe, prowadnice liniowe, wózki prowadzące, prowadnice liniowe ślizgowe, mechanizmy śrubowo-toczne, a także stoły liniowe i siłowniki liniowe (siłowniki elektromechaniczne, actuators). Oprócz tego oferowane są sanie z napędem ręcznym w postaci kompaktowych stołów krzyżowych TS, sanie z połączeniem „jaskółczy ogon” oraz sanie precyzyjne RSK. Produkowane są również sanie z napędem silnikowym, chociażby takie jak sanie z liniowymi łożyskami kulkowymi LZAB/LZBB, sanie z profilowanymi prowadnicami szynowymi i śrubą kulkową LTB czy sanie z profilowanymi prowadnicami szynowymi napędzane silnikiem liniowym LTS.
Firma Albeco oferuje m.in. kompletne moduły pozycjonowania firmy Hepco, dzięki którym zyskuje się oszczędność czasu projektowania i specyfikacji produktów. Na typowy system składają się napędzane przy użyciu pasów zębatych moduły liniowe, silniki AC z falownikiem oraz kompaktowe przekładnie planetarne, przeznaczone do współpracy z serwonapędem. Standardowy system dostępny jest w długości do 8 m, a w razie potrzeby jest możliwe przygotowanie dłuższego wykonania. Zwraca się uwagę na hartowaną i szlifowaną prowadnicę wykonaną w klasie P2. Konstrukcja bazuje na dwurzędowych łożyskach z nakładkami uszczelniającymi, wraz z poliuretanowym pasem wzmacnianym kordem stalowym.
Z kolei firma Multiprojekt do skomplikowanych i wymagających aplikacji oferuje kompleksowe systemy pozycjonujące firmy Hiwin, łącznie z modułami liniowymi, na przykład z serii KK. Jako zalety rozwiązań tego typu wymienia się przede wszystkim zwartą budowę, możliwość montażu w pozycji pionowej i poziomej oraz dowolnego łączenia w systemy wieloosiowe. W razie potrzeby można uwzględnić wyposażenie dodatkowe w postaci czujników, silników krokowych (lub serwo) oraz kołnierzy łączących. Moduł liniowy może być otwarty lub zamknięty, dodatkowo zabezpieczony osłoną aluminiową lub harmonijkową.
Siłowniki LinMot to w zasadzie silniki liniowe z rdzeniem magnetycznym w kształcie wałka. Konstrukcja ta umożliwia stosowanie ich w aplikacjach, gdzie do tej pory używane były siłowniki pneumatyczne. Firma igus® zaprezentowała drylin SLT-BB – oś liniową ze śrubą napędową o niewielkiej wysokości instalacyjnej oraz drylin SLW-25120 – stolik liniowy ze śrubą trapezową do dużych obciążeń. Oba modele zaprojektowano na potrzeby maszyn i urządzeń przemysłu spożywczego, o szczególnych wymaganiach względem wielkości instalacyjnych i dopuszczalnych obciążeń. Warto podkreślić, że boczne ułożenie śruby, wraz z liniowym systemem prowadzenia, pozwoliło na uzyskanie minimalnej wysokości konstrukcyjnej osi liniowej rzędu 20 mm i szerokości konstrukcyjnej 45 mm.
Z oferty firmy Elesa Ganter Polska można wybrać m.in. modułowy system techniki liniowej. Głównym jego elementem są prowadnice liniowe, które dzięki odpowiednim modułom łączącym pozwalają tworzyć precyzyjne wielopłaszczyznowe układy regulacji. Prowadnice liniowe bazują na korpusach (anodowane aluminiowe odlewy ciśnieniowe), precyzyjnych szynach prowadzących, utwardzonych powierzchniach tocznych (wysoka trwałość i nośność) oraz precyzyjnym wrzecionie prowadzącym.
Podsumowanie
W prawidłowej pracy maszyny bazującej na urządzeniach techniki liniowej zasadniczą rolę odgrywa dobór poszczególnych elementów systemu. Jak podkreśla Filip Granowski, właściwy wybór odpowiedniego układu techniki liniowej nie sprowadza się jedynie do analizy jego parametrów technicznych, ale przede wszystkim do umiejętności ich dopasowania do wymagań danej aplikacji. – Tylko trafnie dobrany produkt umożliwi długą i niezawodną pracę oraz zminimalizuje koszty eksploatacji. Z tego punktu widzenia elementem wpływającym w najwyższym stopniu na efektywność pracy mechanizmów techniki liniowej jest rzetelne doradztwo techniczne w zakresie ich doboru do wymagań konkretnej aplikacji.
Raport powstał na podstawie danych z ankiety, na którą odpowiedzieli czytelnicy czasopisma Inżynieria i Utrzymanie Ruchu Zakładów Przemysłowych. Raport nie jest pełnym obrazem rynku.
Autor: Damian Żabicki – dziennikarz, redaktor, autor tekstów, specjalizujący się w tematyce technicznej i przemysłowej. Specjalista public relations firm z branży technicznej.
