Wybór napędu siłownika liniowego - proces precyzyjnej analizy dostępnych opcji

Dokonanie właściwego wyboru jest w mniejszej mierze uzależnione od pojedynczej cechy danego produktu, a bardziej od wypracowania właściwej równowagi pod względem wydajności, wynikającej z wielu różnych czynników. Przeanalizowanie dostępnych opcji pozwala uniknąć kosztownych pomyłek podczas projektowania efektywnych i oszczędnych systemów sterowania ruchem.

Większość elektromechanicznych siłowników liniowych składa się z pięciu podstawowych typów układów napędowych: śruby kulowej, śruby pociągowej, paska zębatego, prowadnic z mechanizmem zębatkowym i silników liniowych.

Poznanie mocnych i słabych stron każdego układu i wyważenie ich cech w odniesieniu do wymagań projektowych stanowi najbardziej logiczne podejście. Nie da się ukryć, że siłowniki liniowe mają niezwykle szeroki zakres zastosowań - od zautomatyzowanych linii pakowania i systemów typu pick-and-place po złożone maszyny wymagające precyzyjnego pozycjonowania - takie jak przykładowo drukarki 3D.

NAJPOPULARNIEJSZE UKŁADY NAPĘDOWE

W ruchu liniowym układy napędowe pełnią podwójną funkcję. Są one używane głównie do powtarzalnego pozycjonowania, muszą zatem zapewniać zadowalający poziom dokładności i powtarzalności (możliwość wielokrotnego powrotu do tej samej pozycji zadanej) w zależności od celu, do którego są stosowane. Jednocześnie wywierają one nacisk na odległość, dlatego muszą mieć wystarczającą wytrzymałość na rozciąganie.

Popularny i powszechnie stosowany układ napędowy w postaci śruby kulowej składa się z gwintowanego pręta i dopasowywanej nakrętki kulkowej wraz z obiegowym łożyskiem kulkowym pomiędzy nakrętką a powierzchnią śruby.

Śruby kulowe są idealnym rozwiązaniem w przypadku trudnych warunków pracy oraz w zastosowaniach wymagających dużego zagęszczenia mocy, dokładności i powtarzalności. Łożyska toczne zmniejszają tarcie i zapewniają wysoką sprawność mechaniczną, nawet podczas pracy ciągłej. Śruba kulowa może osiągać przeciętną prędkość.

Śruby pociągowe składają się z gwintowanego pręta i dopasowanej powierzchni ślizgowej z nakrętką gwintowaną. Są one odpowiednie do zastosowań o niskiej intensywności użytkowania lub do zastosowań wymagających niewielkich korekt położenia.

Wydajność pracy śrub pociągowych równa jest zazwyczaj zaledwie około połowy wydajności śruby kulowej, dlatego też śruby pociągowe wymagają podwójnej wartości momentu obrotowego, aby osiągnąć taki sam efekt posuwu.

Z drugiej strony, stanowią one opłacalne i kompaktowe rozwiązanie w zastosowaniach wymagających dużego zagęszczenia mocy. Ponadto, są odporne na samowolny powrót siłownika z ustalonej pozycji, dlatego nie wymagają hamulca utrzymującego ładunek w miejscu w razie zaniku zasilania.

Pasek zębaty, najprostszy i najpopularniejszy układ napędowy w systemach ruchu liniowego, składa się z dwóch kół pasowych, zazwyczaj jednego z napędem i jednego biernego, podłączonych do paska zębatego z przymocowanym wózkiem.

Paski zębate stanowią odporny mechanizm w przypadku zastosowań wymagających dużych prędkości oraz długiej żywotności i minimalnej konserwacji, w których wystarcza precyzja większa niż 100 mikronów. Paski zębate są wydajne i proste w obsłudze.

Mogą pracować przy 100% cyklu pracy oraz są dostępne w większych długościach niż napędy śrubowe, dzięki czemu stanowią idealne rozwiązanie w zastosowaniach z długim skokiem, wymagających wysokiej dynamiki. Ze względu na elastyczność paska wymagany jest system napinający, który ogranicza dokładność układu.

Mechanizmy zębatkowe składają się z listwy zębatej oraz współpracującego koła zębatego. Zazwyczaj koło zębate jest ruchome, a listwa - zamocowana. Ten rodzaj przeniesienia napędu sprawdza się w zastosowaniach wymagających bardzo dalekiego skoku z dużą prędkością, ale nie jest zbyt precyzyjny.

Oferuje dużą gęstość mocy, ale wymaga konserwacji w celu utrzymania smarowania układu. Ponadto, w tego rodzaju układzie napędowym nie zawsze możliwe jest usunięcie luzu międzyzębnego, może być on również dość głośny.

Silniki liniowe składają się z rzędu magnesów - w uproszczeniu ze "spłaszczonego" silnika rotacyjnego - które oddziałują na elektromagnetyczny wózek i w ten sposób przemieszczają ładunek w kierunku liniowym.

Zapewniają one wysoką prędkość, przyspieszenie i precyzję działania. Główną wadą jest koszt wprowadzenia takiej technologii ze względu na ceny niezbędnych magnesów i urządzeń liniowego sprzężenia zwrotnego.

Gęstość mocy jest także niższa niż w przypadku innych układów napędowych. Brak połączenia mechanicznego pomiędzy ruchomymi i statycznymi elementami silnika liniowego powoduje trudności z zastosowaniem takiego rozwiązania w układach pionowych.

ZASADA PETS

Lista potencjalnych cech wpływających na wydajność, którymi może być zainteresowany projektant, jest długa, tak więc aby precyzyjnie ograniczyć możliwość wyboru, dostępne opcje można podzielić na następujące kategorie: precyzja, oczekiwany czas pracy, przepustowość oraz warunki szczególne, w skrócie z angielskiego PETS (Precision, Expected life, Throughput and Special considerations).

W przypadku gdy najistotniejsze znaczenie ma precyzja, najpierw należy zawsze rozpoznać potrzeby w odniesieniu do proponowanych rozwiązań. Inne czynniki warte rozważenia to powtarzalność, dokładność, jak również kontrola szybkości.

Silniki liniowe i precyzyjne śruby kulowe mają zazwyczaj najlepsze charakterystyki dotyczące precyzji. (Większość zastosowań ruchu nie wymaga aż tak wysokich poziomów dokładności, dlatego pasek zębaty jest nadal najbardziej powszechnie stosowaną technologią).

Po przeanalizowaniu oczekiwanego okresu życia poszczególnych rozwiązań, wydajność mechaniczna będzie czynnikiem numerem jeden, chyba że układ będzie pracował w zanieczyszczonym lub w innym trudnym środowisku.

Wysoka sprawność układu napędowego jest synonimem długiego czasu pracy i niższego zużycia energii. Kwestie takie jak wytrzymałość na zużycie, odporność na zanieczyszczenia i wymagania konserwacyjne to równie istotne czynniki, które należy uwzględnić w tej kategorii. Ze względu na wysoką skuteczność i niewielkie potrzeby konserwacyjne, paski zębate stanowią dobry wybór w przypadku układu napędowego w tej kategorii.

Kategorię przepustowości można rozważyć poprzez przeanalizowanie cech prędkości, przyspieszenia lub zwolnienia każdej technologii - w zależności od wymaganej długości skoku liniowego. Jeżeli wymagane są dalekie skoki, w których większość cyklu przeznaczona jest na posuw przy dużej prędkości, najważniejszym czynnikiem będzie prędkość.

Jeśli zastosowanie wymaga krótszych skoków, pierwszeństwo mieć będą przyspieszanie i zwalnianie. W zależności od zastosowania, należy wziąć pod uwagę także inne kryteria, jak np. reakcja na częstotliwość, cykl pracy.

Z perspektywy przepustowości silniki liniowe nie mają sobie równych ze względu na ich zdolność do osiągania dużej prędkości i przyspieszenia, a biorąc pod uwagę fakt, że nie wymagają one zgodności mechanicznej, zapewniają wysoką częstotliwość.

Pewne warunki szczególne, które należy wziąć pod uwagę przy rozpatrywaniu każdej technologii, obejmują koszty materiałowe i koszty wdrożeniowe. Pozwoli to na osiągnięcie odpowiedniej kombinacji funkcjonalności przy minimalnych kosztach.

Zagęszczenie mocy również staje się coraz bardziej istotnym czynnikiem do rozważenia, ponieważ maszyny ulegają stałej miniaturyzacji. Ma to szczególne znaczenie podczas określania mechanizmów roboczych lub zamontowanego oprzyrządowania na osi.

PROCES PRECYZYJNEJ ANALIZY DOSTĘPNYCH OPCJI

Niektóre zastosowania w znacznym stopniu ułatwiają wybór napędu liniowego. Na przykład, jak wyraźnie widać na powyższych przykładach, napędy z paskiem zębatym są idealne w zastosowaniach wymagających dalekiego skoku oraz dużej prędkości liniowej i przyspieszenia.

Jeżeli długość skoku i wymagana prędkość są umiarkowane, ale przyspieszenie powinno być duże, lub jeżeli wymagana jest wysoka dokładność pozycyjna, napęd oparty na silniku liniowym będzie prawdopodobnie lepszym wyborem.

W przypadku gdy wybór nie jest tak oczywisty, należy dokładnie rozważyć wszystkie dostępne parametry, aby dokonać najlepszego wyboru. Jeżeli zoptymalizowana zostanie jedna kluczowa cecha wydajności, prawdopodobnie niekorzystnie odbije się to na innym wskaźniku wydajności.

Na początku należy przeprowadzić analizę wymagań w odniesieniu do cech każdej technologii z wykorzystaniem zasady PETS lub skontaktować się z ekspertem Parker Hannifin w celu uzyskania specjalistycznej porady w zakresie modułowych napędów liniowych.

Olaf Zeiss
Parker Hannifin Sales CEE s.r.o. sp. z o.o.