Yüksek hızlı, çok eksenli hareketi tek bir şaftta entegre etmenin sıklıkla göz ardı edilen faydaları
Hareket sistemi tasarımcıları karmaşık, yüksek hızlı ve çok eksenli harekete ihtiyaç duyduklarında, ilk önce ayrıntılı, önceden paketlenmiş robot kollarını kullanma seçeneğini dikkate alabilir. Veya sadece birkaç eksene ihtiyaçları varsa, her eksen için ayrı bir profil veya yuvarlak ray yapılandırmayı seçebilirler. Ancak bu seçeneklerin arasında basit ve başarısı kanıtlanmış olsa da sıklıkla unutulan bilyalı yiv teknolojisi gizlidir. Bu çok eksenli hareket çözümü yıllardır varlığını sürdürmektedir ve günümüzün karmaşık hareket düzenlerinin çoğu açısından önemini korumaktadır. Bilyalı yivler, döner ve lineer hareketi tek bir şaft üzerinde birleştiren benzersiz bir mimariden faydalanır ve bu sayede daha dar alanlarda karmaşık hareket şemalarını uygulamak için daha fazla esneklik sağlayarak hareket kontrolünde 2'si 1 arada bir işlev sunar. (Şekil 1)
Şekil 1. Tek bir şaft üzerinde döner ve lineer hareket sağlayan bilyalı yivler, değişen çalışma koşulları altında yüksek güvenilirlik ve kullanım ömrü beklentisi sağlar. Görüntü Thomson Industries, Inc.'in izniyle kullanılmıştır
Döner ve lineer hareketin entegrasyonu
Bilyalı yivler hem lineer hem de döner hareketin iletilmesine imkân verir. Bu, iki bağımsız hareketi gerçekleştirmek için ortak bir şaftın uygulanmasıyla gerçekleştirilir. (Şekil 2) Şaft uzunluğu boyunca “yiv” adı verilen eksenel taşlama olukları görülebilmektedir. Bu düzenleme, eksenel zemin olukları boyunca hareket eden ve dönme hareketini veya radyal moment yüklerini kilitleyen bir bilyalı yivli somunu da içerecektir. Her somun bir rulman ve çoğunlukla mekanizma tarafından desteklenen bir brakete tutturulmuş yuvarlak bir boru gibi ortak bir bağlantı noktasıyla desteklenir. Her somun, kendi hareket eksenini kontrol etmekten sorumlu bir motor (genellikle kayış tahrikli) tarafından bağımsız olarak tahrik edilir.
Eksenel dönüşü sağlamak için bilyalı yivli somun döndürülür. Bu somun, eksen boyunca serbest hareket sağlayan bir dizi bilyaya sahiptir (bu şekilde somun, şaft üzerinde minimum sürtünmeyle kayabilir). Aynı bilyalar döndürüldüğünde, yiv kesim olukları vasıtasıyla şafta dik bir kuvvet uygulayarak şaftı döndürür.
Yivli şaft, lineer hareketi sağlamak için hidrolik, pnömatik veya elektrikli piston gibi lineer bir aktüatör kullanılarak ileri veya geri hareket ettirilir. Yivli somun şaftın uzunluğu boyunca hareket ettikçe bilyalı rulmanlar oluklar içerisinde yuvarlanır. Kayma yerine yuvarlanma işlevi, daha düşük sürtünme ve aşınma katsayısına sahip olup, düzgün, hassas lineer harekete ve daha yüksek hızlara ulaşılmasına imkân verir. Bilyalı rulmanlar somunun içinde dolaşarak şaft ile sürekli yuvarlanma teması sağlar.
Bu düzenleme, ankraj/destek nedeniyle burulma yüklerine karşı da oldukça dirençlidir (başka deyişle, şaft, motor tarafından tahrik edilmediği sürece dönmeye karşı direnç gösterir). Şaftın uzama/geri çekilme/sabit kalma durumunda dışarıdan bir burulma yükü uygulanırsa, şaft yivli somun tarafından desteklenir ve bu yüke karşı koyar. Bu özellik, şaftta “2’ye 1” hareket imkânının yanı sıra, uygulama tasarımında da kullanışlılığı açısından önemlidir.
Bunu tek bir şaft üzerinde sağlamanın sayısız faydası vardır. Alanın daha iyi kullanılmasını sağlar; yük kapasitesini, hızı ve doğruluğu ihmal edilebilir sürtünmeyle artırır ve minimum bakım gerektiren şekilde dayanıklılığı iyileştirir.
Şekil 2. Tek bir şaft üzerinde hem lineer hem de döner hareketi mümkün kılan bilyalı yivler, robotik tasarımlar için artan kompaktlık, yük kapasitesi, hız ve doğruluk gibi birçok avantaj sağlar. Görüntü Thomson Industries, Inc.'in izniyle kullanılmıştır
Daha iyi alan kullanımı
Birden fazla eksenin tek bir eksende sıkıştırılması, bilyalı yivleri geleneksel rulman çözümlerine göre çok daha fazla alan tasarrufu sağlayan bir seçenek haline getirmektedir. Bu tasarım, daha az sayıda bileşen ve hareketli parçanın bulunması ve bu alanda karşılaştırılabilir lineer rulmanlarla mümkün olabilecek olandan daha büyük bir yük kapasitesinin sağlanması anlamına gelmektedir.
Daha yüksek yük kapasitesi.
Geniş, hassas zemin olukları, geleneksel rulman tertibatlarının iki katına kadar ulaşabilecek daha büyük momentli yükleri ele almak üzere daha yüksek yük taşıma kapasitesinin yanı sıra iyileştirilmiş sertlik ve sıkılık sağlar. Bilyalı yivler ayrıca daha fazla yükü şaftın uzunluğu boyunca dağıtır. Bu da yerel stres konsantrasyonlarına daha fazla maruz kalabilen geleneksel rulmanlardan daha yüksek yükleri taşımalarına imkân verir. Bilyalı yivler, takım değiştirme ve alma-yerleştirme uygulamalarında yaygın olan merkez dışı yüklerde de daha iyidir.
Önemsiz sürtünme
Bilyalı yönlendirme sistemi, yiv şaft kanalları ve somun içindeki yuva tarafından yönlendirilen haddelenmiş bilyaların teğetsel noktalarıyla hassas temas yoluyla neredeyse sürtünmesiz hareket sağlar.
Daha yüksek hızlar
Bilyalı yivler, torku iletirken ve sürtünmeyi en aza indirirken yivli somunu eksenel olarak yerinden oynatmak için yalnızca küçük kuvvetlere ihtiyaç duyar. Bu, geleneksel bilyalı vidaya kıyasla yaklaşık yüzde 20 oranında hız artışı ve daha düzgün çalışma sağlar. Bilyalı yivler 2 m/s'ye kadar hızlara dayanabilir.
Yüksek hassasiyet ve doğruluk
Bilyalı yivler konumlandırmada yüksek hassasiyet ve doğruluk sunar, bu da onları hassas kontrolün gerekli olduğu uygulamalar için ideal hale getirir. Sıfır boşluk, yön değiştirirken dönme hareketinin veya hareket kaybının olmamasını sağlar. Bilyalı yivler ağır yükler altında bile bu hassasiyeti ve düşük sürtünmeyi koruyarak doğru ve tutarlı hareket sağlar.
Kolay kurulum ve bakım
Montajı kolaydır, genellikle flanşlı somunu sabitlemek için kaba bir delik açılması ve montaj deliklerinin delinmesi ve diş açılması veya yuvarlak bir somun için kaba bir delik açılması ve kama yuvası açılması gerekir. Tasarımlarının basit olması, bilyalı yivlerin arızalarının giderilmesini ve bakımını kolaylaştırır. Profil ray ve bilyalı vidaların daha yüksek bakım gereksinimlerinin aksine, bakım ekibi sadece yivi şafttan çıkarabilir, yağlayabilir ve tekrar yerine takabilir.
Yüksek dayanıklılık
Bilyalı yivler, bazı geleneksel rulmanlara kıyasla stresi azaltarak yük kapasitesini artırma yoluyla bilyalı rulman nokta temaslarının artması nedeniyle daha uzun bir kullanım ömrüne sahiptir. Bilyalar üzerindeki stres ne kadar az olursa, o kadar fazla yükü kaldırabilirler, aynı zamanda aşınmaya karşı direnç gösterirler ve zaman içinde tutarlı performans sağlarlar.
Bilyalı yivler genellikle bilyalı rulmanları toz ve döküntü gibi kirleticilere karşı koruyan contalar ve koruyucu kapaklarla tasarlanabilir ve bu sayede kullanım ömürleri daha da uzatılabilir. Bilyalı yiv mimarisi, yükü dengelemek için bilyaların uygun ve özenli bir şekilde konumlandırılmasını gerektiren radyal rulmanlardan farklı olarak, her açıdan güvenli bir yük kapasitesine sahiptir.
Maliyet tasarrufu
İki eksenli hareketin bu alternatif şekilde gerçekleştirilmesi durumunda ilk etapta elde edilen tasarruflar kayda değer düzeydedir ve hacim arttıkça tasarruflar katlanarak artmaktadır. Paket halinde sunulan çok eksenli sistemlerle karşılaştırıldığında, bilyalı yivler büyük oranda daha düşük maliyetlidir. Ayrıca az sayıda bileşen ve daha az hareketli parça içermeleri nedeniyle profil ray düzeneklerine göre daha ekonomiktirler. Fiyatlarına göre daha iyi moment yük direnci sağlarlar ve montaj için daha az yüzey hazırlığı gerektirirler. Yuvarlak ray tertibatlarıyla karşılaştırıldığında, bilyalı yivlerin maliyeti benzerdir, ancak daha küçük bir alan kaplar ve daha az eksende uygulanabilirler. Uzun vadede ise daha az bileşenin bakıma ihtiyacı olacağından hem zamandan hem de maliyetten tasarruf sağlanır.
Uygulamalar
Hem lineer hem de döner hareketi entegre eden hareket tasarımcıları, bunları aynı şaft üzerinde yapılandırmanın bir avantaj olup olmayacağını görmek için bilyalı yiv teknolojisini değerlendirmelidir. Fabrika otomasyonu, ulaşım, sağlık ve araştırma alanlarında bilyalı yivlerin işlevselliğinden yararlanan bazı uygulama örnekleri:
Fabrika Otomasyonu
- Bir kolun parçayı montaj aşamasından alıp, dönüp başka bir yere yerleştirdiği yüksek hızlı yarı iletken nesne konumlandırması gibi tekrarlı alma ve yerleştirme eylemli montaj.
- Talaşlı imalat ve frezeleme işlemlerinde CNC takımlarını konumlandırma.
- Dolum ve kapaklama mekanizmalarının hassas kontrolü için ambalajlama ekipmanları.
Ulaşım
- Kanatçıkların açılması ve gaz kelebeği ayarı gibi uçak kontrolleri.
- Askeri araçlarda dönüş, silah yükseltme ve araç yönlendirme kolaylığı.
Sağlık ve Araştırma
- Robotik destekli cerrahi prosedürleri yönlendiren cerrahi robotlar.
- BT tarayıcılarının veya diğer yüksek hassasiyetli görüntü edinme cihazlarının hassas hareketini kolaylaştırmak üzere tıbbi görüntüleme cihazları.
- Mikroskop tablası ve numune konumlandırma gibi işlemlerde laboratuvar analizleri.
Bilyalı yivlerin sağladığı faydalar, bunları (soldan sağa) CNC işleme, kağıt fabrikası tamburları, alma ve yerleştirme ve makine otomasyonu dahil olmak üzere bir dizi uygulama için ideal hale getirir. Görüntü Thomson Industries, Inc.'in izniyle kullanılmıştır
Bazı tedarikçiler, makine tasarımcılarının uygulamaları için bilyalı yivleri optimize etmelerine yardımcı olmak amacıyla çevrimiçi rehberlik sunmaktadır. Örneğin, piyasadaki bir bilyalı yiv seçim aracı, kullanıcıları birkaç dakika içinde en iyi yapılandırmaya ulaştıran görsel yardımcılar kullanmaktadır.
Yeri bulma
Bilyalı yivler, birden fazla eksende harekete ihtiyaç duyan makine tasarımcıları için cazip bir çözümdür. Paket halinde sunulan çok eksenli sistemlere kıyasla, bilyalı yivler daha az yer kaplar ve daha yüksek hızlarda, daha düşük sürtünmeyle, daha yüksek hassasiyetle, daha uzun, daha öngörülebilir ömürle ve daha kolay bakımla uygulanabilir. Ayrıca bunların maliyeti de daha az olabilir.
Bir bilyalı yiv paket olarak sunulan robotik kolların yerini alabilirken, alan verimliliği ve sıfır boşluk sayesinde bu montajların bileşenleri olarak kullanılabilir ve bu şekilde dikey strokun uzatılması veya daha ağır radyal ve eksenel yüklerin desteklenmesi muhtemeldir.
İşletme operasyonları daha karmaşık hale geldikçe ve dijitalleşme, yapay zeka ve mobilite alanındaki gelişmeler otomasyon stratejilerine daha fazla hareket ekseni kattıkça, bilyalı yivlerin benzersiz performansı ve çok yönlülüğü nihayet hak ettiği saygıyı görebilecektir.