Обзор направляющих для станков
Направляющие всегда были важнейшими составляющими конструкций на предприятиях разного рода и направленности.Именно от них зависит, как работают механизмы, станки, измерительные приборы, роботы, а также насколько высок их уровень технического оснащения. Ведь все подвижные узлы в перечисленных выше системах движутся именно по направляющим.
Чаще всего направляющие можно увидеть в работе станков, поэтому целесообразнее будет рассмотреть их применение именно в этой среде.
В качестве начального примера возьмём оборудование для станков, осуществляющие резку металла. Здесь возможна установка двух видов направляющих систем. Первый – это
направляющие скольжения станочного оборудования, которые классифицируются по различным режимам трения, а именно граничным, гидродинамическим, аэростатическим, гидростатическим, смешанным. Второй вид получил название направляющих качения. Они могут различаться:
• типом тела качения (чаще всего это ролики или шарики);
• конструктивными формами;
• по виду кинематики направляющие могут обладать или не обладать возвратом тел качения.
Возможны также случаи применения комбинированных направляющих, то есть скольжения и качения с разных сторон.
Среди покупателей наибольшую популярность приобрели направляющие скольжения, которые имеют смешанный режим трения. Общий объём смазки в такой системе не полностью разделяет касающиеся друг друга поверхности неподвижных и подвижных элементов. Полностью разделение возможно в трёх оставшихся типах этого вида направляющих. Преимущества подобной системы в простоте и компактном устройстве, такие направляющие обладают большой нагрузочной возможностью, жёсткостью, способностью демпфировать и, что немаловажно, порадуют невысокой стоимостью. Безусловно, направляющие скольжения со смешанным режимом трения имеют и отрицательные моменты. Сильное трение является ограничителем скорости перемещения узлов, это ведёт к активному износу направляющих частей. Если направляющие части работают на низких скоростях или часто трогаются с места, то для движений характерна скачкообразность, мешающая точному позиционированию узловых элементов.
Все эти недостатки частично можно исправить путём использования полимерных накладок. Это могут быть накладки из торсайта, наполненного фторопластом, тефлоном. Также помогут специальные «антискачковые» смазки. Однако производитель должен помнить,что использование этих средств не является 100% гарантией устранения всех недостатков.
Основные положительные черты гидродинамических и гидростатических направляющих заключаются в незначительном показателе трения и высоком уровне демпфирования. Всё это способствует плавности хода узлов, при этом направляющие не прилагают больших усилий для перемещения станков и, как результат, не изнашиваются. Правда в отличие от направляющих со смешанным режимом трения, гидростатические и гидродинамические типы способны производить избыточное тепло. Это приводит к нагреву смазки. Последние типы направляющих непросты в использовании и превышают смешанные по стоимости. Они окупаемы лишь с применением в тяжёлых и особо уникальных станках.
Рассмотрим также аэростатические направляющие. Они обладают большей точностью движения и долговечностью. Но имеют ограничения по нагрузочной способности, для них также характерны периодические отказы в работе. Аэростаитческие направляющие применимы в координатно-измерительных системах, на алмазно-токарных станках и станках для работы с печатными платами – во всех устройствах, которые переносят небольшую нагрузку на направляющие.
Следующий тип, который будет изучен в статье – направляющие качения.
Их показатель трения чрезвычайно мал – 0,005. А значит оборудование плавно перемещается даже во время ускорения и при высоких скоростях. Их неоспоримые достоинства – это высокая степень нагрузки, точное перемещение, долговечность и жёсткость. Но с другой стороны, направляющие качения подвержены влиянию загрязнений, плохо противодействуют скачкам и при этом и стоят недёшево. Последнее часто является решающим фактором при выборе типа направляющей для станка.
Многие покупатели предпочитают устанавливать комбинированные направляющие. Они также имеют как свои преимущества, так и отрицательные моменты. Они объединили в себе свойства направляющих качения и скольжения. Трение от направляющей скольжения положительно влияет на демпфирование колебаний, а трение от направляющей качения устраняет переориентацию узлов на боковых гранях. При этом скорость комбинированного вида направляющих ограничена, и конструкцией не предусмотрено ускорение перемещения узлов.
При всех положительных качествах комбинированный тип используется относительно редко. Наибольшей популярностью пользуется тип направляющих качения. Именно их можно чаще всего увидеть в функционировании современных станков, работающих с большими скоростями. Конструкции этого вида направляющих постоянно изменяются, улучшаются их качественные характеристики и функциональные особенности. 50-е года 20 века можно считать началом использования направляющих качения. Они заменили собой направляющие скольжения. Основная сфера применения новых направляющих была ограничена координатно-расточными, заточными, шлифовальными станками, для которых была важна дискретность 0,001 мм при перемещении узлов. Из-за многочисленных скачков такая дискретность была практически невозможна на других видах направляющих систем.
Первые станки с использованием направляющих качения представляли собой сочетания плоской и V-образной частей. По этим элементам перемещались ролики, опирающиеся на плоскости корпусных деталей из чугуна, прошедшего обработку. Так как чаще всего скорость движения узлов не превышала 2-3 м/мин, и нагрузки были небольшими, конструкции направляющих полностью подходили производителям. Со временем в компании «Кольб» вместе роликами стали использоваться шарики. Они двигались по профильным ланкам на поверхности стола и станины.
Чуть позже направляющие качения перестали использовать на таких типах станков, как фрезерный, горизонтально-расточный и пр. Всему виной их небольшая демпфирующая способность и дороговизна. До определенного момента производители не нуждались в высоких скоростях движения и чрезвычайно точном позиционировании. Ситуация изменилась, когда появилось оборудование, работающее с помощью программного обеспечения. Одновременно потребовалось увеличить силовые нагрузки и расширить функции станков. Так появились станки с ЧПУ и обрабатывающие центры с расширенным количеством функций, которые актуальны и сегодня.
Изменения в первую очередь коснулись скоростных показателей перемещений узлов. В начале развития технологии скорость составляла 10-15 м/мин, сегодня она уже может быть 100 м/мин на отдельных станках. Увеличился также коэффициент ускорения во время торможения и разгона. Коэффициент роста составил 0,5 м/с2-10-20 м/с2. Показатель точности позиционирования достиг 5 мкм в условиях дискретности перемещений равной 0,1 мкм максимум. Таких показателей можно достичь, работая с методами объемной и высокоскоростной обработки контуров. Изменилась и внутренняя составляющая станков. Они были дополнены высокодинамичными цифровыми приводами, оптоэлектронными измерительными системами и другими решениями. Такие системы станков получили названия «gantry» и «box in box».
Вместе с развитием станков ожидаемо было повышение внимания к направляющим, ведь они отвечали за возможность нагрузки, точность движения и скорость функционирования рабочей системы. Модификация направляющей скольжения в основном выражалась в использовании синтетических покрытий на основе торсайта, тефлона и фторопласта. Они устраняли скачки, снижали потери энергии в процессе трения, увеличивали узловую скорость. Причём работа над новыми проектами оказалась настолько успешной, что они активно используются и в наше время. При всех достоинствах коэффициент трения направляющих скольжения превалирует над коэффициентом трения других направляющих. По этой причине такой вид не может использоваться в ситуациях, когда необходима работа с высокими скоростями, предварительный натяг, жёсткость и точность. Эту проблему можно отнести ко всем типам направляющих скольжения. По сравнению с ними очевидные достоинства приобретает вид направляющих качения.
Направляющие качения также подверглись некоторым изменениям со временем. Они выражались в появлении стальных накладок, подпружиненных роликов, создающих преднатяг. Кроме того, линейный сепаратор был заменён на роликовые блоки, которые получили название «танкетки». «Танкетка» примыкает к подвижному узлу, опорой для роликов служит рабочая дорожка, и во время работы механизма «танкетки» отвечают за совершение возвратно-поступательных движений. Изобретение такого механизма существенно увеличило узловую скорость и убрало зазор между направляющими. При этом значительно увеличилась нагрузочная способность отдельных моделей. С роликовыми направляющими можно повысить скорость перемещения. Пожалуй, единственный существенный недостаток технологии – это ограничение точности до класса «П». Изменить ситуацию удалось лишь после усовершенствования направляющих качения.
Однако в дальнейшем разработчики выявили ряд трудностей, связанных с эксплуатацией подобных направляющих.
• Максимальные нагрузки по чугуну были ограничены до 20-30. Поэтому чтобы нагрузочная способность находилась на высоком уровне, необходимо перемещать тела качения по закалённым поверхностям из стали.
• Точность перемещения зависит от качества обработки плоскостей направляющих планки. Тогда будет сохранён преднатяг на всех этапах движения узла.
• При использовании «танкеток» не должны иметь место перекосы в преднатяге, иначе систему может заклинить.
• Установка такого оборудования требует большого количества времени и особых навыков от профессионалов.
Чуть позже направляющие качения были усовершенствованы, и появился новый класс систем – рельсовые. Тела качения в них перемещаются по рельсам, которые крепятся на узле. Предварительно обрабатывать нужно лишь 2 верхние плоскости в направляющих. Сама же плоскость с рельсами имеет упорный бурт. Один элемент рельсов считается базовым, второй размещен «на параллельность». При этом разработчик решил важные технологические трудности, перечисленные выше в статье.
Именно такой класс направляющих сегодня пользуется особой популярностью. Он подходит для центров обработки, работающих со значительными скоростями и требующих точности, а также роботизированных систем.
