Często pomijane korzyści wynikające z integracji szybkiego ruchu wieloosiowego na jednym wale
Gdy projektanci systemów ruchu potrzebują skomplikowanych, szybkich i wieloosiowych ruchów, mogą najpierw pomyśleć o skomplikowanych, gotowych ramionach robota. Jeśli potrzebują tylko paru osi, mogą pomyśleć o skonfigurowaniu oddzielnego profilu lub okrągłej szyny dla każdej osi. Jednak pomiędzy tymi opcjami kryje się prosta i sprawdzona, choć często zapominana, technologia prowadnic wieloklinowych tocznych. To rozwiązanie ruchu wieloosiowego jest stosowane od wielu lat i nadal sprawdza się w wielu współczesnych, złożonych schematach ruchu. Prowadnice wieloklinowe toczne wykorzystują wyjątkową architekturę integrującą ruch obrotowy i liniowy na jednym wale, co zapewnia im większą elastyczność w realizacji złożonych schematów ruchu w mniejszych przestrzeniach, zapewniając tym samym kontrolę ruchu w trybie 2 w 1. (Ilustracja 1)
Ilustracja 1. Prowadnice wieloklinowe toczne Thomson umożliwiające ruch obrotowy i liniowy na pojedynczym wale zapewniają wysoką niezawodność i żywotność w zmieniających się warunkach pracy. Ilustracja dzięki uprzejmości Thomson Industries, Inc.
Integracja ruchu obrotowego i liniowego
Prowadnice wieloklinowe toczne umożliwiają przenoszenie zarówno ruchu liniowego, jak i obrotowego. Osiąga się to dzięki zastosowaniu wspólnego wału wykonującego dwa niezależne ruchy. (Ilustracja 2) Patrząc na wał, można zauważyć, że wzdłuż jego długości znajdują się osiowe rowki szlifowane zwane „wieloklinami”. W skład tego rozwiązania wchodzi również nakrętka wielowypustowa, która porusza się wzdłuż osiowych rowków szlifowanych i blokuje ruch obrotowy lub obciążenia momentem promieniowym. Każda nakrętka jest podparta za pomocą łożyska i najczęściej także wspólnego punktu zakotwiczenia w postaci okrągłej rurki, która jest przymocowana do wspornika podtrzymywanego przez mechanizm. Każda nakrętka będzie niezależnie napędzana silnikiem (często napędzanym paskiem), który kontroluje odpowiednią oś ruchu.
Aby wprawić w ruch obrotowy osiowy, należy obrócić nakrętkę wielowypustową. W nakrętce tej umieszczono szereg kulek, które umożliwiają swobodny ruch wzdłuż osi (tj. nakrętka może przesuwać się wzdłuż wału z minimalnym tarciem). Podczas obrotu te same kulki wywierają siłę prostopadłą na wał poprzez wycięte rowki wielowypustowe, powodując jego obrót.
Aby wprowadzić ruch liniowy, wał wielowypustowy przesuwa się do przodu lub do tyłu za pomocą siłownika liniowego, np. tłoka hydraulicznego, pneumatycznego lub elektrycznego. Gdy nakrętka wielowypustowa przesuwa się wzdłuż wału, łożyska kulkowe toczą się w rowkach. Toczenie się zamiast ślizgania charakteryzuje się niższym współczynnikiem tarcia i zużycia oraz umożliwia płynny, precyzyjny ruch liniowy i większe prędkości. Kulki łożyska krążą wewnątrz nakrętki, zapewniając ciągły kontakt toczny z wałem.
Ze względu na zakotwiczenie/podparcie, taki układ jest także bardzo odporny na obciążenia skrętne (tj. wał stawia opór obrotowi, jeśli nie jest napędzany silnikiem). Jeżeli na wał podczas jego wydłużania/cofania/stania zostanie przyłożone obciążenie skrętne, zostanie ono podparte przez nakrętkę wielowypustową i wytrzyma to obciążenie. Oprócz funkcji ruchu „2 w 1” na wale, funkcja ta jest równie ważna ze względu na jej użyteczność w projektowaniu aplikacji.
Użycie jednego wału do tego celu niesie ze sobą wiele korzyści. Zapewnia lepsze wykorzystanie przestrzeni, zwiększa obciążalność, prędkość i precyzję przy znikomym tarciu oraz poprawia trwałość przy minimalnej konserwacji.
Ilustracja 2. Umożliwiając zarówno ruch liniowy, jak i obrotowy na jednym wale, prowadnice wieloklinowe toczne zapewniają szereg korzyści w projektach robotycznych, w tym zwiększoną zwartość, obciążalność, prędkość i dokładność. Ilustracja dzięki uprzejmości Thomson Industries, Inc.
Lepsze wykorzystanie przestrzeni
Połączenie kilku osi w jedną sprawia, że prowadnice wieloklinowe toczne zajmują znacznie mniej miejsca niż tradycyjne rozwiązania łożyskowe. Taka konstrukcja oznacza mniejszą liczbę komponentów i ruchomych części oraz większą nośność w danej przestrzeni niż byłoby to możliwe w przypadku porównywalnych łożysk liniowych.
Większa obciążalność
Szerokie, precyzyjnie szlifowane rowki pozwalają na zwiększenie możliwości przenoszenia obciążeń, a także poprawiają sztywność i wytrzymałość przy przenoszeniu większych obciążeń chwilowych — wytrzymują niemal dwukrotnie więcej niż tradycyjne zespoły łożysk. Prowadnice wieloklinowe toczne rozkładają również większe obciążenie na długości wału. Dzięki temu mogą przenosić większe obciążenia niż tradycyjne łożyska, które mogą być bardziej podatne na lokalne koncentracje naprężeń. Prowadnice wieloklinowe toczne lepiej sprawdzają się także w przypadku obciążeń niecentralnych, jakie często występują przy wymianie narzędzi i zastosowaniach typu pick-and-place.
Nieznaczne tarcie
System prowadnic kulkowych zapewnia ruch niemal bez tarcia dzięki precyzyjnemu kontaktowi z punktami stycznymi toczących się kulek, prowadzonych przez rowki wału wielowypustowego i bieżnię wewnątrz nakrętki.
Wyższe prędkości
Prowadnice wieloklinowe toczne wymagają jedynie niewielkich sił, aby przemieścić nakrętkę wielowypustową osiowo, przenosząc moment obrotowy i minimalizując tarcie. Dzięki temu uzyskano około 20-procentowy wzrost prędkości w porównaniu z tradycyjną kulową śrubą pociągową i płynniejszą pracę. Prowadnice wieloklinowe toczne wytrzymują prędkości do 2 m/s.
Wysoka precyzja i dokładność
Prowadnice wieloklinowe toczne zapewniają wysoką precyzję i dokładność pozycjonowania, dzięki czemu idealnie nadają się do zastosowań, w których wymagana jest precyzyjna kontrola. Dokładne spasowanie gwarantuje brak luzów obrotowych lub utraty ruchu przy zmianie kierunku. Prowadnice wieloklinowe toczne zachowują precyzję i niskie tarcie nawet przy dużych obciążeniach, gwarantując dokładny i płynny ruch.
Łatwa instalacja i konserwacja
Montaż jest łatwy i zazwyczaj wymaga wstępnego nawiercenia otworów montażowych i nagwintowania ich w celu zabezpieczenia nakrętki kołnierzowej lub wstępnego nawiercenia otworów i wpustu w przypadku nakrętki okrągłej. Prosta konstrukcja sprawia, że prowadnice wieloklinowe toczne są łatwiejsze w konserwacji i usuwaniu usterek. Zespół zajmujący się konserwacją może po prostu wyciągnąć wielowypust z wału, nasmarować go i zamontować z powrotem, w przeciwieństwie do szyn profilowych i kulowych śrub pociągowych, które wymagają większych nakładów przy konserwacji.
Wysoka trwałość
Prowadnice wieloklinowe toczne charakteryzują się dłuższą żywotnością w porównaniu do niektórych tradycyjnych łożysk, co wynika ze zwiększonej powierzchni styku kulek, redukującej naprężenia i zwiększającej obciążalność. Im mniejsze naprężenia kulek, tym większy ciężar mogą one udźwignąć, a jednocześnie są bardziej odporne na zużycie i zapewniają stabilne działanie przez długi czas.
Prowadnice wieloklinowe toczne często mogą być wyposażone w uszczelki i osłony ochronne, które chronią łożyska kulkowe przed zanieczyszczeniami, takimi jak kurz i pył, co dodatkowo wydłuża ich żywotność. Konstrukcja prowadnicy wieloklinowej tocznej zapewnia bezpieczną obciążalność pod każdym kątem, w przeciwieństwie do łożyska promieniowego, w którym kulki muszą być odpowiednio i starannie rozmieszczone, aby zrównoważyć obciążenie.
Oszczędności kosztów
W przypadku tego alternatywnego sposobu wykonywania ruchu w dwóch osiach początkowe oszczędności są znaczne, a w przypadku większych ilości sztuk oszczędności te ulegają zwielokrotnieniu. W porównaniu do złożonych systemów wieloosiowych, prowadnice wieloklinowe toczne są znacznie tańsze. Są one również bardziej ekonomiczne niż zespoły szyn profilowych ze względu na małą liczbę komponentów i mniejszą liczbę ruchomych części. W stosunku do swojej ceny oferują lepszą odporność na obciążenia momentem obrotowym i wymagają mniejszego przygotowania powierzchni przed montażem. W porównaniu do szyn okrągłych, koszt prowadnic wieloklinowych tocznych jest podobny, ale zajmują one mniej miejsca i mają mniej osi. A patrząc w dłuższej perspektywie, mniej podzespołów będzie wymagało konserwacji, co przełoży się na oszczędność czasu i pieniędzy.
Zastosowania
Projektanci integrujący ruch liniowy i obrotowy powinni przyjrzeć się technologii prowadnic wieloklinowych tocznych, aby sprawdzić, czy ich zastosowanie na tym samym wałku przyniesie korzyści. Oto kilka przykładów zastosowań w automatyzacji fabryk, transporcie, opiece zdrowotnej i badaniach naukowych, w których wykorzystano funkcjonalność prowadnic wieloklinowych tocznych:
Automatyka zakładowa
- Powtarzalny montaż metodą „podnieś i umieść”, taki jak pozycjonowanie elementów półprzewodnikowych z dużą prędkością, w którym ramię podnosi element z powierzchni montażowej, obraca się i umieszcza go na innej powierzchni.
- Pozycjonowanie narzędzi CNC w operacjach obróbki skrawaniem i frezowania.
- Urządzenia pakujące umożliwiające precyzyjną kontrolę mechanizmów napełniania i zamykania.
Transport
- Sterowanie samolotem, takie jak rozkładanie klap i regulacja przepustnicy.
- Pojazdy wojskowe: ułatwianie obrotu, podnoszenie działa i kierowanie pojazdem.
Opieka zdrowotna i badania naukowe
- Roboty chirurgiczne wspomagające wykonywanie zabiegów chirurgicznych.
- Urządzenia do obrazowania medycznego: ułatwianie precyzyjnego ruchu tomografów komputerowych i innych urządzeń do akwizycji obrazu o wysokiej precyzji.
- Analityka laboratoryjna, np. stolik mikroskopu i pozycjonowanie próbki.
Zalety prowadnic wieloklinowych tocznych sprawiają, że idealnie nadają się one do wielu zastosowań, w tym (od lewej do prawej) obróbki CNC, bębnów w papierniach, systemów typu pick-and-place oraz automatyzacji maszyn. Ilustracja dzięki uprzejmości Thomson Industries, Inc.
Aby pomóc projektantom maszyn zoptymalizować prowadnice wieloklinowe toczne pod kątem ich zastosowań, niektórzy dostawcy oferują doradztwo online. Przykładowo, dostępne na rynku narzędzie do wyboru prowadnic wieloklinowych tocznych wykorzystuje pomoce wizualne, które w ciągu kilku minut pozwalają użytkownikom wybrać najlepszą konfigurację.
Znalezienie swojego miejsca
Prowadnice wieloklinowe toczne stanowią atrakcyjne rozwiązanie dla projektantów maszyn, którzy potrzebują ruchu na wielu osiach. W porównaniu do złożonych systemów wieloosiowych prowadnice wieloklinowe toczne wymagają mniej miejsca, można je stosować przy większych prędkościach, charakteryzują się mniejszym tarciem, większą precyzją, dłuższą i bardziej przewidywalną żywotnością oraz łatwiejszą konserwacją. Mogą być również tańsze.
Chociaż prowadnice wieloklinowe toczne mogłyby zastąpić gotowe ramiona robotów, ich oszczędność miejsca i zerowy luz sprawiają, że można je wykorzystać jako elementy tych zespołów, potencjalnie wydłużając skok pionowy lub wspomagając przenoszenie większych obciążeń promieniowych i osiowych.
W miarę jak operacje biznesowe stają się coraz bardziej złożone, a cyfryzacja, sztuczna inteligencja i postęp w zakresie mobilności wprowadzają więcej osi ruchu do strategii automatyzacji, wyjątkowa wydajność i wszechstronność prowadnic wieloklinowych tocznych mogą w końcu zyskać szacunek, na jaki zasługują.