автор: Наоки Ямагути
Помощник технического менеджера
Американская корпорация NB

Поскольку новое оборудование для перемещения требует большей точности, скрещенные роликоподшипники получили широкое распространение для использования в устройствах, снижающих трение. Вот более подробный обзор его функций и пригодности для вашего дизайна системы движения.

Ролики в полимерном каркасе можем быть ближе друг к другу. Ползучесть обоймы можно предотвратить с помощью шпилек, которые вкатываются во впадины дорожек качения.

Линейные подшипники быстро эволюционировали, чтобы выдерживать более тяжелые нагрузки, занимать меньше места и надежно обеспечивать точное позиционирование. Например, при исследовании рака, чтобы обнаружить одну раковую клетку на предметном стекле, содержащем миллиард клеток, микроскоп зависит от расположения образца, фокусировки изображений и установки соответствующих фильтров для получения изображения в трех цветах. Автоматизированные движения внутри прибора работают согласованно друг с другом для получения разноцветных изображений образца клеток, находящегося в камере. Линейные подшипники должны соответствовать определенным требованиям для достижения идеального позиционирования. Они определяются объемом пространства внутри упаковки изделия, расстоянием, которое необходимо преодолеть, грузом, который необходимо перевезти, и, что наиболее важно, необходимой степенью точности.

Когда речь идет о линейных подшипниках, обычно подразумеваются устройства, в состав которых входят шарикоподшипники – это означает, что трение между движущимися частями уменьшается за счет циркуляции шариков (обычно металлических). Втулки, шариковые шлицы, линейные направляющие и ползуны обычно оснащены шарикоподшипниками с обратной циркуляцией.

Фиксатор из смолы облегает ролик таким образом, что вся форма может соприкасаться с грузом

Поскольку новое оборудование для перемещения предъявляет повышенные требования к точности, в устройствах, снижающих трение, получил распространение другой тип подшипников – скрещенные роликоподшипники. Высокотехнологичные микроскопы, оборудование для производства пластин, роботы и системы визуального контроля все чаще используют скрещенные роликоподшипники.

Направляющие со скрещенными роликами или подшипники являются наиболее точной формой механического компонента линейного перемещения. Также известные как скрещенные роликовые направляющие, эти подшипники работают аналогично шарикоподшипниковым направляющим, за исключением того, что те, что размещены внутри каретки, имеют форму цилиндра, а не шара. Ролики пересекают друг друга под углом 90° и перемещаются между двумя параллельными направляющими (поочередно называемыми столом и станиной), которые окружают ролики. Ролики находятся между V-образными направляющими с канавками или дорожками качения, отшлифованными из направляющих. Перемещение подвижной направляющей/стола заканчивается, когда оно наталкивается на торцевую крышку, ограничивающий компонент.

Перекрещивающиеся роликовые направляющие обеспечивают линию контакта по сравнению с точечным контактом шарикоподшипника. Линия соприкосновения создает более широкую контактную поверхность, которая может выдерживать более тяжелую нагрузку. Такая особенность обеспечивает большую жесткость, меньшую деформацию и, следовательно, большую точность по сравнению с точечным контактом шариков. Кроме того, благодаря постоянному контакту скрещенных роликов между кареткой и основанием эрозия происходит медленнее. Рециркуляция шарикоподшипников создает вибрацию, когда шарики покидают несущий путь для рециркуляции. Поскольку большинство скрещенных роликоподшипников не имеют элементов рециркуляции, этот источник вибрации устраняется.

Грузоподъемность: полимерные каркасы по сравнению с металлическими
Контакт ролика с рельсом определяет грузоподъемность. Конечно, ролики обеспечивают большую площадь контакта, поскольку они обычно не подвергаются рециркуляции, все они несут нагрузку, что обеспечивает большую жесткость, а также высокую грузоподъемность. Шарики обычно соприкасаются в одной точке, хотя поверхности дорожки качения могут быть выполнены в виде кривых, чтобы увеличить количество точек соприкосновения.

Существует прямая зависимость между площадью контакта скрещенных роликов и грузоподъемностью. Грузоподъемность может быть увеличена на целых 250% за счет конструкций с большим контактом ролика с рельсом. Чем ближе друг к другу расположены ролики, тем больше роликов можно разместить в одном и том же пространстве и тем больший вес на дюйм может выдержать линейное устройство.

То, как обойма удерживает ролики, также определяет величину площади контакта роликов на дюйм. Поскольку количество пространства между роликами является фактором при расчете площади роликов на дюйм, доступной для выдерживания нагрузки, конструкция каркаса, окружающего ролики, имеет важное значение.

Традиционные металлические каркасы в некоторой степени ограничивают площадь контакта роликов из-за того, как каркас удерживается в роликах. Однако более поздняя разработка полимерных фиксаторов предлагает больше вариантов дизайна. Полимерные фиксаторы/сепараторы могут быть сформированы таким образом, чтобы обеспечить большую площадь контакта при меньшем пространстве между роликами. Они также могут быть тоньше в критических местах.

Металлические и полимерные каркасы удерживают ролики по-разному. Металлические каркасы удерживают ролики с помощью выемок в верхней и нижней частях роликов. Однако фиксатор из смолы плотно прилегает к валику. Фиксатор из смолы способен удерживать всю форму целиком. Вся форма может соприкасаться с грузом, поскольку полимерный фиксатор обеспечивает необходимые зоны контакта. Это не ухудшает площадь контакта при удержании роликов.

Ролики в полимерном каркасе могут располагаться ближе друг к другу. Это увеличивает количество допустимых роликов в пределах длины сепаратора. Таким образом, либо клетка может быть короче при сохранении той же грузоподъемности, либо при сохранении той же длины клетки грузоподъемность будет увеличиваться с увеличением количества роликов на клетку. Полимерный каркас может обеспечить увеличение площади контакта по меньшей мере на 30-58% по сравнению с металлическим каркасом.

Металлические каркасы стоят дешевле и могут быть полностью изготовлены из нержавеющей или стальной стали. Поэтому их можно использовать при высоких температурах или в медицинских целях, связанных с водой. Металл также лучше подходит для работы в вакууме, поскольку смола может выделять отходящие газы.

Более глубокие V-образные канавки обеспечьте больший контакт роликов.

Длина хода
Чем длиннее путь, тем длиннее должен быть рельс. Однако, в отличие от шариковых втулок с рециркуляцией, для которых длина вала равна длине хода, с перекрещивающимися роликоподшипниками длина всей направляющей в сборе должна быть в два раза больше длины хода. Это связано с тем, что обе направляющие, содержащие скрещенные роликоподшипники, движутся в противоположных направлениях. Таким образом, вся сборка должна перемещаться в пространстве, которое в два раза больше длины перемещения. (Исключения составляют незначительное число случаев, когда линейные направляющие изделия со скрещенными роликами имеют циркулирующие скрещенные ролики или направляющие изделия с роликами, которые не перекрещиваются – имеют четыре оборота с противоположными ориентациями роликов. Этим изделиям не нужны направляющие, движущиеся в противоположных направлениях.)

При использовании полимерного каркаса длина хода на рейке заданной длины может быть больше, поскольку каркас может быть короче для заданной нагрузки.

Ограничения на поездки
Длина перемещения ограничена пространством, доступным для направляющих в рамках приложения. Поскольку рельсы движутся навстречу друг другу, требуемое пространство в два раза превышает расстояние, на которое будет переноситься груз. Концевой упор ограничивает длину перемещения. Поскольку разница между статическим и динамическим сопротивлениями трению невелика или вообще отсутствует – даже в условиях низкой нагрузки — скрещенные роликоподшипники хорошо подходят для небольших перемещений.

Носить
Для систем управления движением с чрезвычайно быстрым ускорением и замедлением (при размерах в диапазоне от 30 до 600 мм, роликах диаметром 2-12 мм) срок службы может составлять 150 миллионов циклов.

В скрещенных роликоподшипниках без механизмов защиты от ползучести сепаратора ползучесть сепаратора может потребовать замены направляющих и переналадки машины или установки. Это воздействие часто возникает в результате высокого ускорения и неравномерного предварительного нагружения или распределения нагрузки, а также ориентации (наклонной или вертикальной), которая может легко вызвать ползучесть.

Сглаженность
Преимуществом отсутствия рециркуляции является меньшее колебание сопротивления трению, что делает их чрезвычайно тихими и плавными. Перекрещивающиеся роликоподшипники почти так же бесшумны, как линейные подшипники без рециркуляции с ограниченным сепаратором, использующие шарики.

Точность и отклонение
Скрещенные ролики обеспечивают большую площадь контакта, что уменьшает упругую деформацию. Благодаря этой большей жесткости скрещенные ролики обеспечивают неизменно точное перемещение.

Скрещенный ролик менее чувствителен к неточностям монтажной поверхности из-за жесткости линейных подшипников и их конструкции. Они гораздо менее чувствительны к неточной монтажной поверхности, чем шарикоподшипники с рециркуляцией. Для обеспечения точности циркуляции шарикоподшипников допускается отклонение от 5 до 10 микрон.

Поскольку скрещенные роликоподшипники очень точны, они должны иметь очень точную монтажную поверхность, чтобы полностью обеспечить их точность. Часто подшипники могут быть установлены с помощью монтажных столов, отточенных в соответствии со строгими стандартами. Это имеет смысл, поскольку для сверхточной обработки максимально допустимое отклонение от монтажной поверхности составляет 2 микрона.

Подгонка и взаимозаменяемость
Сепаратор в любом подшипнике предотвращает контакт шарика с шариком или ролика с роликом, что может привести к большему трению и износу. Независимо от того, изготовлен ли сепаратор, удерживающий скрещенные роликоподшипники, из металла, смолы или другого материала, это несколько изменяет размеры скрещенных роликоподшипников, что влияет на то, как они вписываются в конструкцию. Пробки также могут влиять на их размер и, следовательно, на посадку.

Смола, в отличие от металлических каркасов, позволяет скрещенным роликам располагаться гораздо ближе друг к другу, что позволяет увеличить общее количество роликов в одном пространстве. Кроме того, благодаря дополнительной площади контакта, обеспечиваемой полимерным каркасом, грузоподъемность также будет высокой. В любом случае, разумно связаться с производителем и сообщить ему необходимую длину хода, чтобы точно определить длину направляющих и клетей перед заказом.

Помимо стопоров, материала и конструкции сепаратора, еще одним фактором, влияющим на взаимозаменяемость, является конструкция механизма защиты от ползучести. Внешние механизмы защиты от ползучести часто исключают взаимозаменяемость. Внутренние механизмы гораздо более сговорчивы.

Ползучесть в клетке
В линейных компонентах без рециркуляции фиксатор плавает между направляющими и может смещаться (или ползти) из центрального положения. По мере того как роликовый каркас будет смещаться от центра, он начнет ограничивать перемещение ползуна. Со временем он будет расползаться, если не использовать полный ход, особенно при вертикальном монтаже. Если после смещения фиксатора снова использовать полный ход, фиксатор ударит по торцевому упору направляющей и будет вынужден заскользить, чтобы снова отцентрироваться. Это действие требует мощного двигателя и может привести к повреждению фиксатора, роликов и направляющей. При более высоком предварительном натяжении вернуть клетку на место становится еще сложнее и вреднее. Ползучесть каркаса вредна, потому что каждый раз, когда он ползет, элементы качения не катятся, вместо этого они проскальзывают и вызывают трение металла о металл, что очень быстро приводит к износу элементов.

Металлические клетки проденьте ролики через выемки в верхней и нижней частях роликов.

Механизмы защиты от ползучести каркаса
Термин “защита от ползучести” описывает метод, используемый для устранения любого проскальзывания фиксатора, удерживающего скрещенные ролики между двумя направляющими с V-образными канавками направляющей скольжения.

Благодаря исключению «проскальзывания» фиксатора направляющую можно использовать в любом направлении монтажа и с двигателями с меньшим импульсом, такими как линейные двигатели. Было разработано несколько сложных устройств для предотвращения ползучести, и производители использовали несколько различных подходов, таких как реечный механизм; внешнее крепление из пластиковых зубчатых колес снаружи рельса; и металлическое зубчатое колесо внутри рельса. Некоторые из этих устройств довольно дорогие.

Есть один механизм, который не использует шестеренку. Это механизм защиты от ползучести сепаратора, в котором используется ролик с круглыми шариками, усеянными шипами по всей его поверхности. Он обладает самым плавным отслеживающим движением и, следовательно, работает тише, чем устройство для защиты от ползучести, установленное снаружи. Этот механизм Studroller™ предотвращает проскальзывание, поскольку дорожка качения имеет углубления, которые отслеживают шипы или узелки, предотвращая проскальзывание – в любом положении.

Благодаря размещению шпилек в центральном ролике и механической обработке траектории вдоль направляющей этот фиксатор никогда не соскользнет. Он подходит для высоких ускорений, вертикального монтажа и неравномерного распределения нагрузки. Studroller™ имеет простую нескользящую конструкцию и использует шарикоподшипник в отличие от редуктора или внешнего управления, поэтому его стоимость почти такая же, как у стандартной направляющей; кроме того, нет затрат на перепроектирование для замены стандартной направляющей.

Обсудите это на Инженерной бирже:

Американская корпорация NB
www.nbcorporation.com

::Мир дизайна::