Najważniejszymi cechami współczesnych niewielkich napędów liniowych, niezależnie od tego, w jakich aplikacjach mają być zastosowane, są: wysoka dokładność, praca z możliwie dużymi przyspieszeniami oraz płynność wykonywanych ruchów – bez szarpnięć i nagłych skoków. Dodatkowo postępująca miniaturyzacja wszelkich podzespołów mechanicznych i elektromechanicznych narzuciła jeszcze jedną cechę – kompaktowość konstrukcji.
W praktyce jedynym rozwiązaniem technologicznym, zapewniającym spełnienie jednocześnie wszystkich wspomnianych wcześniej wymogów, są napędy liniowe ze śrubą ślimakową i nakrętką kulkową, przetwarzające moment obrotowy silnika elektrycznego na ruch posuwisty. Możliwe jest również ich działanie odwrotne – zamiana naporu siły działającej liniowo na ruch obrotowy wału silnika. Kluczowym elementem takiej konstrukcji jest sama nakrętka kulkowa, wewnątrz której w specjalnych rowkach znajdują się małe kulki, poruszające się na wale śruby ślimakowej. Eliminują one nadmierne luzy przekładni oraz zapewniają stabilne ruchy wspartej na nakrętce konstrukcji. Dobór odpowiedniego napędu liniowego do konkretnej aplikacji nie jest sprawą oczywistą i warto przy nim oprzeć się na przynajmniej ośmiu najistotniejszych kryteriach.
1 – Rozwiązania systemowe i konstrukcje własne
Niektórzy z użytkowników systemów elektromechanicznych niejednokrotnie projektują i realizują własne konstrukcje napędów liniowych z indywidualnie dobranymi śrubami ślimakowymi i nakrętkami kulkowymi. W takich przypadkach doświadczeni inżynierowie muszą dokładnie zaprojektować przede wszystkim układ śrubowy napędu elementu wykonawczego, odpowiednio dobierając rozmiary i parametry techniczne śruby, nakrętki kulkowej wraz z torami wiodącymi kulek. Nie bez znaczenia jest również jakość i parametry mechaniczne wsporników utrzymujących cały mechanizm śrubowy w konstrukcji napędu. Ostatecznie po praktycznym zmontowaniu układu konieczne jest jego przetestowanie i doświadczalny dobór nastaw, zapewniających optymalne warunki pracy.
Coraz więcej firm i użytkowników decyduje się jednak na zakup gotowych napędów liniowych, dostępnych na rynku w co najmniej pięciu różnych rozmiarach, zarówno biorąc pod uwagę średnicę wału, jak i długość drogi, po jakiej może być wykonywany ruch posuwisty napędu. Zwykle producenci dopuszczają jeszcze wprowadzenie drobnych korekt nastaw przez samego użytkownika. W ten sposób bez angażowania zespołu specjalistów, po wstępnym zdefiniowaniu wymogów stawianych napędowi i analizie danej aplikacji, użytkownik kupuje napęd, otrzymując gotowe rozwiązanie konstrukcyjne z gwarancją jego poprawnej pracy przy zachowaniu odpowiednich warunków i zasad eksploatacji. Pamiętać jednak należy o wspomnianej tu dokładnej analizie konkretnej aplikacji systemowej. Wybierając napęd, trzeba zwrócić szczególną uwagę na: wymiary poruszającej się liniowo konstrukcji, długość i jakość toru ruchu, ułożyskowanie, jakość śruby i nakrętki kulkowej oraz wytrzymałość materiałów obudowy. Wszystkie te czynniki mają bowiem bezpośredni wpływ na funkcjonalność i osiągi napędu w trakcie eksploatacji.
2 – Kompaktowość
Dobór indywidualnych elementów napędu liniowego, spełniających wymogi technologiczne projektu i ich dopasowanie do zaprojektowanej obudowy, przysparza zwykle sporo trudności i z reguły wiąże się z koniecznością zwiększenia planowanych wcześniej gabarytów modułu wykonawczego. Dlatego też zaleca się stosowanie gotowych modułów napędów liniowych, przede wszystkim ze względu na ich bardziej zwartą budowę, integrację szyny prowadzącej z konstrukcją elementu wykonawczego oraz dokładne dopasowanie nakrętki kulkowej i śruby ślimakowej.
Decydując się na budowę układu napędu liniowego z osobnych, różnych części, trzeba liczyć się z tym, że mogą się pojawić między nimi pewne niedopasowania, które zwykle prowadzą do niemal 30-proc. wzrostu całkowitych wymiarów zewnętrznych napędu w stosunku do układu gotowego, już fabrycznie zmontowanego.
3 – Dobór elementu wykonawczego
Aby dobrać odpowiedni, optymalny dla danej aplikacji element wykonawczy napędu liniowego, konieczne jest uprzednie zebranie kilku podstawowych informacji. W szczególności chodzi o takie dane, jak: planowana wielkość obciążenia, wymagana szybkość działania, długość linii posuwu, warunki środowiska pracy napędu oraz żądana dokładność pozycjonowania. Przy pełnej znajomości tych parametrów można dokonać optymalnego wyboru elementów wykonawczych projektowanego napędu liniowego, śruby ślimakowej i nakrętki kulkowej.
4 – Obciążalność napędu
Obciążalność napędu liniowego, podobnie jak rozmiary nakrętki kulkowej i szyny prowadzącej, zależna jest od rozmiaru wybranych kulek stalowych obracających się pomiędzy ruchomym blokiem nakrętki i rowkami śruby ślimakowej oraz od ich liczby i sposobu przemieszczania się.
Jedną z metod zwiększenia obciążalności napędu jest wybór większej nakrętki kulkowej oraz szyn prowadzących. Inną metodą, która nie wiąże się bezpośrednio z jednoczesnym zwiększeniem gabarytów zewnętrznych napędu, jest zwiększenie liczby „wianuszków” kulkowych w nakrętce. W większości standardowych nakrętek kulkowych znajduje się jeden wianuszek kulek. Dodanie drugiego wianuszka prowadzi zwykle równocześnie do podwojenia dopuszczalnej wartości obciążenia napędu. Na przykład dla napędu o długości szyny wiodącej 1 m i całkowitej długości toru kulek 1380 mm (dwa wianuszki), maksymalne obciążenie to 37 kN. Przy podwojeniu liczby wianuszków kulkowych obciążenie wzrasta do 74 kN.
Dla najmniejszych standardowych napędów z długością toru kulkowego 100 mm i z dwoma wianuszkami kulkowymi, dopuszczalne obciążenie wynosi 3,9 kN. Zwiększenie liczby wianuszków do czterech powoduje wzrost dopuszczalnego obciążenia do 7,9 kN.
5 – Dokładność napędu
Urządzenia wykonawcze z napędami liniowymi dostępne są zwykle w dwóch lub trzech klasach (poziomach) dokładności. Najniższa z nich to tzw. klasa „komercyjna”, kolejna to klasa „standardowa” i wreszcie najwyższa klasa „precyzyjna”. By jednak ściśle oszacować dokładność napędów przynależących do wybranych klas, nie wystarczy jedynie sprawdzić ich podstawowych parametrów jakościowych. Konieczne jest dokładne poznanie i porównanie danych technicznych podawanych przez producentów, dotyczących dokładności i powtarzalności pozycjonowania, równoległości biegu napędu oraz dopuszczalnych luzów i momentu startowego.
Czynnikami, które w największym stopniu decydują o dokładności i poprawności funkcjonowania napędów liniowych, są poprawnie wykonane szyny prowadnic i przekładnie, wpływające bezpośrednio na płynność ruchu ruchomego bloku oraz śruby ślimakowej wraz z nakrętką kulkową. W małych napędach o długości posuwu do 1 m, nawet niewielkie luzy czy odchyłki ustawienia kulek w mechanizmie przekładni mogą skutkować znaczną niedokładnością pracy napędu, szybkości reakcji i pozycjonowania. Dlatego tak istotne jest w tej grupie napędów dokładne wykonanie i montaż wszystkich elementów mechaniki.
W zasadzie to samo dotyczy ruchomego bloku i całego mechanizmu przekładniowego nakrętki kulkowej. Ponadto, w celu zapewnienia odpowiedniej dokładności pozycjonowania, niedopuszczalne są najmniejsze nawet luzy w rowkach (torach) wiodących kulki, które pozwoliłyby im na poruszanie się w różnych kierunkach. Na rynku spotkać można układy przeniesienia napędu z rowkami kulkowymi zapewniającymi dwa lub cztery punkty styku kulki z powierzchnią rowka. Rowki o kształtach eliptycznych zapewniają dwa punkty stykowe na przeciwległych stronach kulek i niestety dopuszczają tym samym możliwość pojawienia się niepożądanych luzów, zmniejszających dokładność pracy całego napędu. W rowkach o kształcie łukowym (zwanym łukiem gotyckim), w których kulki mają aż cztery punkty stykowe między poruszającymi się powierzchniami, wyeliminowano w praktyce do zera możliwość występowania luzów i dlatego też zalecane są one do stosowania we wszystkich aplikacjach wymagających najwyższej precyzji działania napędów liniowych.
6 – Sztywność
O sztywności konstrukcji i połączenia nakrętki kulkowej ze śrubą ślimakową w znacznej mierze decyduje budowa szyn wiodących. Bez zachowania tej sztywności rowki kulkowe po niedługim czasie funkcjonowania napędu zużywają się i układ zaczyna pracować nieprecyzyjnie. Za sztywność odpowiedzialne są w szczególności dolne krawędzie rowków kulkowych, które powinny cechować się odpowiednią grubością i wysoką wytrzymałością. Największą sztywność i wytrzymałość obciążeniową zapewniają rowki w kształcie litery U. Sztywność mechanizmu przekładni zwiększa również przeniesienie szyn wiodących poniżej środka nakrętki kulkowej. Rowki z kulkami, znajdujące się bliżej dolnej części szyn wiodących, umożliwiają przenoszenie większych obciążeń mechanicznych. Taka konstrukcja w połączeniu z dobrze zaprojektowanymi szynami wiodącymi gwarantuje najwyższą dokładność i minimalizację odkształceń, nawet przy dość znacznych obciążeniach. Kolejną korzyścią wynikającą z umiejscowienia szyn wiodących poniżej centralnej linii nakrętki kulkowej jest uzyskanie bardziej zwartej, kompaktowej konstrukcji napędu.
Sztywność przekładni napędu wzrasta również wraz ze wzrostem liczby kulek pośredniczących. Napędy z czterema kulkami są znacznie sztywniejsze od konstrukcji dwukulkowych.
7 – Dobór i wymiarowanie napędu do aplikacji
W zależności od aplikacji, długość prowadnic zależy przede wszystkim od szybkości, z jaką ma poruszać się obciążenie napędu. Zwykle, im większa wymagana szybkość ruchu, tym dłuższa prowadnica. Pamiętać jednak należy, że w celu osiągnięcia wyższej dokładności zaleca się z kolei stosowanie prowadnic jak najkrótszych. W ten sposób uzyskuje się podstawową korelację pomiędzy szybkością a długością i dokładnością aplikacji napędu liniowego. Na przykład, zakładając prędkość obrotową silnika na poziomie 50 obr./s, a długość prowadnicy rzędu 20 mm, prędkość pracy napędu będzie wynosić 1000 mm/s, zaś przy prowadnicy o długości 2 mm – prędkość wyniesie odpowiednio 100 mm/s. Oznacza to, że przy mniejszej prowadnicy spada prędkość, jednakże możliwe jest zwiększenie obciążenia napędu. Aby prędkość pozostała bez zmian przy skróceniu prowadnicy, zwiększyć należy moc napędzającego silnika.
8 – Szczególnie wymagające środowiska pracy napędów
Mechanizmy napędowe z nakrętkami kulkowymi zwykle umieszczane są w obudowach metalowych, które jednak nie są w stu procentach szczelne i mają niewielkie przerwy pomiędzy krawędzią obudowy a szynami wiodącymi napędu. Skutkiem tego niemożliwe jest ich bezpośrednie stosowanie wszędzie tam, gdzie występują płyny technologiczne, pyły lub inne substancje wnikające lub agresywne. Do takich aplikacji możliwe jest zamówienie napędów liniowych ze specjalnie projektowanymi obudowami, zabezpieczającymi elementy mechaniczne przed przenikaniem płynów i innych substancji z zewnątrz.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza – AGH Kraków
Autor: Naoki Yamaguchi
