+7 (495) 797-88-66

Сделать заказ
Skype Me™!
Сделать заказ

Краткий обзор линейных направляющих

Направляющие, по которым перемещаются подвижные узлы станков, машин, механизмов, измерительных приборов, роботов и других устройств, являются одним из основных элементов конструкции, и в значительной мере определяют их возможности и технический уровень.

В настоящей статье направляющие рассматриваются, главным образом, с точки зрения их использования в станках, так как это наиболее показательный и распространенный тип применения.

Например, в металлорежущих станках применяются два основных типа направляющих:

  • направляющие скольжения с различными режимами трения (граничного, смешанного, гидродинамического, гидростатического, аэростатического);
  • направляющие качения с различными типами тел качения (в основном, конечно, шарики и ролики), видами кинематики(без возврата тел качения, с возвратом тел качения) и конструктивными формами, которые будут подробнее рассмотрены ниже.

В некоторых станках применяются комбинированные направляющие, у которых по одним граням используется скольжение, а по другим — качение.

Наиболее распространены направляющие скольжения со смешанным характером трения, при котором слой смазки не обеспечивает полного разделения трущихся поверхностей неподвижного и подвижного элементов направляющей, которое имеет место в гидродинамических, гидростатических и аэростатических направляющих.

Направляющие скольжения имеют смешанный характер трения, при котором слой смазки не обеспечивает полного разделения трущихся поверхностей неподвижного и подвижного элементов направляющей, которое имеет место в гидродинамических, гидростатических и аэростатических направляющих.

Основными преимуществами направляющих скольжения со смешанным характером трения являются простота и компактность конструкции, высокая нагрузочная способность и жесткость, демпфирование, невысокая стоимость. Однако в современных условиях тип направляющих со смешанным трением имеет существенные недостатки, основными из которых являются большое трение, ограничивающее скорость перемещения узлов, большой износ направляющих, а также скачкообразность движения при трогании с места и на малых скоростях, не позволяющая осуществлять точное позиционирование узлов.

Применение накладок из полимерных материалов (наполненный фторопласт, торсайт, тефлон и др.) и специальных «антискачковых» смазок (например, серии ИНСп и И-ГН-Е) позволяет в значительной мере, но далеко не полностью, устранить указанные недостатки обычных направляющих скольжения.

Гидродинамические и гидростатические направляющие имеют не большое трение, высокую демпфирующую способность, обеспечивают высокую плавность хода и малые усилия перемещения, практически неизнашиваемы.

Однако их жесткость не столь высока, как у направляющих смешанного трения, при высоких скоростях перемещения они генерируют избыточное тепло, вызывающее нагрев смазки и всего кинематического узла, требуют сложной навесной гидроаппаратуры и, в целом, значительно дороже других типов направляющих, что ограничивает область их применения (главным образом, это особо тяжелые и уникальные станки).

Аэростатические направляющие имеют особо малое трение, обеспечивают высокую точность перемещений, обладают высокой долговечностью, однако так же имеют ограниченную нагрузочную способность и подвержены случайным отказам, что сужает область их применения (координатно-измерительные машины, станки для обработки печатных плат, алмазно-токарные станки и некоторые другие типы станков с малыми нагрузками на направляющие).

Рис. 1. V-образная и плоская роликовые направляющие стола координатно-расточного станка

Рис. 1. V-образная и плоская роликовые
направляющие стола координатно-расточного станка

Направляющие качения, обладают малым трением (коэффициент трения составляет 0,003…0,005), обеспечивают высокую плавность перемещений, допускают высокие скорости и ускорения перемещений. В соответствующем исполнении (см. ниже) они обеспечивают высокую нагрузочную способность, жесткость и долговечность системы, точность установочных перемещений. Их основными недостатками являются сравнительно низкое демпфирование, повышенная чувствительность к загрязнению, а также высокая стоимость, которая во многих случаях является существенным фактором, ограничивающим их использование.

Комбинированные направляющие позволяют использовать преимущества направляющих и скольжения, и качения, в то же время они обладают и их недостатками. Часто такие направляющие на основных нагруженных гранях имеют трение скольжения, что обеспечивает хорошие показатели демпфирования колебаний, и трение качения (с преднатягом) на боковых гранях для устранения переориентации узлов при реверсах.

Однако такая конструкция направляющих ограничивает скорость и ускорение перемещения узлов в высокоскоростных станках.

Комбинированный тип имеет сравнительно меньшую область применения, чем первые два типа направляющих. Направляющие качения являются основным типом направляющих в наиболее прогрессивных современных высокоскоростных станках, их конструкция (в отличие от направляющих скольжения) непрерывно совершенствуется. Новейшие исполнения таких направляющих будут подробнее рассмотрены в настоящей работе.

Направляющие качения начали применяться вместо направляющих скольжения в середине прошлого века на координатно-расточных, шлифовальных, заточных и некоторых других прецизионных станках, где требовались точные малые (с дискретностью до 0,001 мм) установочные перемещения узлов. Такие перемещения на направляющих скольжения очень трудно выполнялись или вообще были невыполнимы из-за т. н. «скачков».

Основной конструктивной формой направляющих качения на первых станках являлась комбинация (пара) V-образной и плоской направляющих. По ним перемещались ролики, размещенные в линейном сепараторе. При этом ролики опирались непосредственно на обработанные поверхности чугунных корпусных деталей. Внешний вид одной из таких направляющих приведен на рис. 1.

При скоростях перемещений узлов в пределах 2…3 м/мин и сравнительно небольших нагрузках такие направляющие удовлетворяли требованиям, предъявляемым к таким станкам в те годы. Наряду с роликовыми на координатно-расточных станках начали применяться и шариковые направляющие качения (станки фирмы «Кольб»).

Шарики в линейном сепараторе перемещались по специальным закаленным планкам, смонтированным на станине и на столе станка, как это видно, например, на рис. 2.

Рис. 2. Шариковые направляющие стола координатно-расточного станка

Рис. 2. Шариковые направляющие стола координатно-расточного станка

Сравнительно невысокая несущая способность первых конструкций направляющих качения, их низкая демпфирующая способность, с одной стороны, отсутствие необходимости в сверхточном позиционировании и в быстрых перемещениях узлов, с другой стороны, и, кроме того, значительно более высокая стоимость явились причинами отказа от применения направляющих качения на фрезерных, горизонтально-расточных и многих других типах станков тех лет.

В последние годы, в особенности с появлением станков с числовым программным управлением, возросли требования к скоростям перемещений узлов и к точности их позиционирования в сочетании с повышенными силовыми нагрузками. Расширился ряд технологических операций и типов обработки на станках всех типов. Повысились требованияк производительности оборудования. Все это привело к появлению многоцелевых станков с ЧПУ, обрабатывающих центров, которые к настоящему времени стали основным типом обрабатывающего станочного оборудования.

Скорости линейных перемещений узлов у большинства обрабатывающих центров возросли сначала до 10…15 м/мин, затем до 20…30 м/мин, и в настоящее время у многих серийных моделей находятся на уровне 40…60 м/мин, а у отдельных станков достигают 90…100 м/мин и выше. Ускорения при разгоне-торможении узлов, ранее не превышавшие 0,1…0,5 м/с2, возросли сначала до 2…3 м/с2, а затем у ряда моделей достигли 8…10 м/с² и выше (в отдельных случаях — до 20 м/с2 и более).

Точность позиционирования узлов возросла до 5 мкм и выше при дискретности перемещений до 0,1 мкм, причем такая точность обеспечивается даже при высокоскоростной контурной и объемной обработке деталей со знакопеременной нагрузкой на узлы. Высокие требования к техническому уровню станков потребовали усовершенствования традиционных и разработки новых компоновок станков (типа «box in box», «gantry» и др.). Появились новые высокодинамичные цифровые приводы с применением усовершенствованных шлифованных шариковинтовых пар и линейных моторов, новые оптоэлектронные измерительные системы и новые решения для многих других узлов и устройств станков (шпиндельных узлов, мотор-редукторов, инструментальных магазинов и устройств автоматической смены инструментов и др.).
Соответственно, непрерывно повышались требования и к направляющим станков, в значительно мере обеспечивающих скоростные, точностные, нагрузочные и другие важнейшие характеристики. Направляющие скольжения совершенствовались главным образом за счет использования нанесения покрытий из синтетических материалов( фторопласт, торсайт, тефлон), позволивших устранить «скачки» при старт-стопных режимах, снизить потери на трение и значительно увеличить скорость перемещения узлов при сохранении высокой демпфирующей способности, благодаря чему на некоторых современных обрабатывающих центрах продолжают использовать такой тип направляющих.

Однако у таких направляющих коэффициент трения остается существенно выше, чем у направляющих качения. Он ограничивает возможность применения особо высоких скоростей перемещений и предварительного натяга, необходимого для обеспечения высокой жесткости и высокой точности при реверсах и знакопеременных нагрузках. Ограниченное применение имеют и гидродинамические, гидростатические и аэростатические направляющие скольжения из-за недостатков и ограничений, о которых говорилось ранее. Таким образом, основным типом направляющих на большинстве современных наиболее производительных высокоскоростных обрабатывающих центров являются новые типы направляющих качения.

Начальная конструкция направляющих качения, применявшихся на координатно-расточных, шлифовальных и других обрабатывающих станках, претерпела с течением времени ряд усовершенствований: появились накладки из закаленной стали на поверхности базовых деталей из чугуна, подпружиненные ролики на обратных планках на подвижных узлах для создания преднатяга, направляющие с линейным сепаратором уступили место направляющим качения с применением роликовых (или шариковых) блоков — линейных опор качения (так называемые «танкетки»).

Внешний вид и конструкция одной из форм «танкетки» показан на рис. 3.

Рис. 3. Конструкция роликовой опоры качения.

Рис. 3. Конструкция роликовой опоры качения.

Корпус «танкетки» крепится к подвижному узлу станка. Ролики опираются на рабочую дорожку корпуса и на направляющую неподвижного узла станка. «Танкетки» обычно устанавливаются по концам подвижного узла (а при необходимости — и в его средней части) и совершают возвратно-поступательное движение.

Их использование позволило значительно повысить скорость перемещения узлов (до 15…25 м/мин), обеспечить за счет предварительного натяга отсутствие зазора в системе направляющих. Практика использования роликовых опор на станках Ивановского завода тяжелого станкостроения подтвердила их особо высокую нагрузочную способность (например, нагрузочная способность компактной «танкетки» модели RUS 26102 фирмы INA с габаритными размерами LхBхH=102х40х26 мм равна 95 кН).

Системы роликовых направляющих обеспечивают возможность повышения скоростей быстрых перемещений узловдо 15…20 м/с с дискретностью перемещений до 0,001 мм. Однако точность станков на роликовых направляющих оказалась ограничена классом «П», и дальнейшее повышение точности станков (как и скоростей быстрых перемещений узлов) стало возможным только с применением более совершенных направляющих качения.

Дальнейшее внедрение направляющих с «танкетками» выявило серьезные технологические трудности, основными из которых были следующие.

  • Допустимые нагрузки на одно тело качения по чугуну примерно в 30 (для шариков) и в 20 раз (для роликов), меньше чем по закаленной стали. Соответственно, для обеспечения высокой нагрузочной способности и возможности создания необходимого предварительного натяга тела качения должны перемещаться не по поверхности станины, а по стальным закаленным (HRC 58…62) поверхностям специальных накладок или планок.
  • Направляющие планки (обычно прямоугольного сечения) для неподвижного узла должны быть точно (с допуском 10…20 мкм) обработаны по всей длине по верхним и боковым плоскостям для обеспечения точности перемещений и сохранения преднатяга на всем пути подвижного узла.
  • Комплект «танкеток» должен быть отрегулирован проставками или клиньями для создания нужного преднатяга и точно выставлен, так как даже незначительные перекосы могут привести к заклиниванию в системе направляющих.
  • Изготовление и монтаж на неподвижном узле станка (станине, стойке идр.) высокоточных шлифованных и закаленных накладок, регулировка «танкеток» связаны с большими временными затратами и требуют привлечения высококвалифицированных специалистов.

Дальнейшим усовершенствованием направляющих качения стало появление их нового класса — рельсовых направляющих качения.

Принципиальным улучшением у таких направляющих по сравнению с описанными выше системами роликовых направляющих с «танкетками» является перемещение тел качения не непосредственно по поверхностям неподвижного узла станка, а по точно обработанным рельсам, устанавливаемым на неподвижном узле.

При этом телакачения(шарики) размещены в блоке качения(каретке), которая поставляется в комплекте с рельсом и с нужным заказчику заранее выполненным предварительным натягом.

Рельсы (обычно два, реже — больше), устанавливаются на неподвижном узле станка, причем точной обработки требуют только две верхние плоскости блока направляющих станины. Плоскость станины, на которые монтируются рельсы, выполняется с упорным буртом (возможно исполнение и без бурта).

Один рельс выставляется первым и является базовым, второй устанавливается «на параллельность» базовому или по упорному бурту, после чего закрепляется. Таким образом, устраняются основные технологические трудности, о которых говорилось выше при рассмотрении систем направляющих с использованием «танкеток».

На каретки (обычно одна или две на одном рельсе, реже — больше) крепятся подвижные узлы станка. Рельсовые направляющие качения в настоящее время являются предпочтительным типом направляющих для наиболее производительных высокоскоростных обрабатывающих центров с ЧПУ, других типов станков особо высокой точности, высокоскоростных роботизированных систем, других машин и приборов.

Другие статьи из категории