Могат ли линейните направляващи да се справят с тежки товари? Ръководство за избор и изчисляване

да Профилните линейни направляващи се използват широко в тежкотоварни машини, включително обработващи центрове с ЦПУ, тежко режещо оборудване, машини за леене под налягане, големи системи за автоматизация и оси на машинни инструменти.

Линейният направляващ пътека обаче не трябва да се класифицира като "тежкотоварен" просто защото релсата е голяма или машината е тежка. Правилният избор изисква проверка надинамично натоварване, статично натоварване, посока на натоварване, моментно натоварване, удар, количество блокове, разстояние между релсите, разстояние между блоковете, предварително натоварване, твърдост и точност на монтажа.

В много реални машини най-критичното условие не е общото вертикално тегло. Изместен център на тежестта, сила на рязане или ускорение могат да създадат голям момент на преобръщане и да концентрират много повече натоварване върху един блок, отколкото предполага просто изчисление „общ товар ÷ брой блокове“.

Какво означава „тежки условия“ за линеен направляващ път?

Няма универсално тегло, при което едно приложение внезапно става „тежкотоварно“.

Подвижна маса от 500 кг може да е лесна за едно разположение на направляващи, но трудно за друго. Резултатът зависи от това как се разпределя това натоварване и как работи машината.

Приложенията за тежкотоварни линейни направляващи обикновено включват едно или повече от следните:

• висока подвижна маса;
• големи сили на рязане или обработка;
• високо ускорение и забавяне;
• ударни или ударни натоварвания;
• офсетни полезни натоварвания, които създават моментни натоварвания;
• високи изисквания за твърдост;
• дълги работни цикли;
• тежки вертикални оси;
• големи машинни маси;
• висока стабилност на позициониране при натоварване.

Започнете с динамични и статични стойности на натоварване

Каталозите за линейни направляващи обикновено предоставят две важни стойности на натоварване:

Рейтинг	Смисъл	Основна употреба
В	Основна динамична товароносимост	Използва се при изчисляване на издръжливостта на умора на направляващата при многократно движение
C₀	Основен статичен товароносимост	Използва се при проверка на риска от постоянна деформация при високо статично или пиково натоварване

Тези оценки не трябва да се тълкуват като прости препоръчителни работни натоварвания.

Например, блок със статично натоварване от 50 kN не трябва автоматично да бъде проектиран да работи непрекъснато при 50 kN. Работното натоварване, ударът, коефициентът на безопасност, моментното натоварване, работният цикъл и необходимият живот все още трябва да бъдат взети предвид.

Истински пример за голямо натоварване на DLY HD25

Серията DLY HD е линейна направляваща за тежко натоварване от сферичен тип за машини с ЦПУ, машинни инструменти и промишлени системи за движение, изискващи баланс между товароносимост, твърдост и плавно движение.

Следните модели DLY HD25 показват как блоковата структура влияе на товароносимостта:

Модел	Тип блок	В	C₀	Г-Н	MP / MY
HDH25CA	Квадрат, стандартна дължина	26,48 kN	56,19 kN	0,64 kN·m	0,51 / 0,51 kN·m
HDH25HA	Квадрат, удължена дължина	32,75 kN	76,00 kN	0,87 kN·m	0,88 / 0,88 kN·m

Размерът на релсата е същата номинална серия HD25, но разширеният блок HDH25HA има по-високи динамични и статични стойности на натоварване и значително по-голям допустим момент.

Това илюстрира важен принцип за избор на тежък режим:

Не разделяйте общия товар на четири и спирайте дотук

Обикновеното изчисление на направляващи за тежък товар започва с:

P = F / n

където:

• П= средно натоварване на блок;
• Е= общо вертикално натоварване;
• п= брой блокове.

Това е полезно само като първа оценка.

Да предположим например, че масата на машината и полезният товар имат обща маса от 1000 kg.

Гравитационната сила е приблизително:

F = 1000 × 9,81 ≈ 9,81 kN

С четири водещи блока:

9,81 / 4 ≈ 2,45 kN на блок

На пръв поглед това може да изглежда като леко натоварване в сравнение с блок, оценен за десетки килонютони.

Но това изчисление предполага, че товарът е идеално центриран и равномерно разпределен. Реалните машинни структури рядко са толкова прости.

Моментното натоварване често е истинският проблем при тежки натоварвания

Ако центърът на тежестта е разположен над или далеч от монтажната равнина на направляващата, товарът създава момент на преобръщане:

M = F × h

където:

• М= моментно натоварване;
• Е= приложена сила;
• ч= перпендикулярно изместване от силата към опорната равнина на направляващия.

Използвайки предишния пример с 1000 kg, ако центърът на тежестта е 500 mm над равнината на направляващия:

M = 9,81 kN × 0,5 m = 4,905 kN·m

Този момент трябва да бъде устоен от цялостното разположение на релси и блокове.

Тогава точният товар, носен от всеки блок, зависи от:

• разстояние между двете релси;
• разстояние между предния и задния блок;
• положение на центъра на тежестта;
• посока на външната сила;
• вид и дължина на блока;
• машинно ускорение;
• твърдост на монтажа.

Ето защо една направляваща система, която лесно поддържа вертикалното тегло, все още може да бъде по-малка за действителната геометрия на машината.

За подробни методи за изчисляване на натоварването вижтеРъководство за избор на товароносимост на линейни направляващи релси и карета.

Защо две релси с четири блока са често срещани в тежките машини

Общата подредба машина-маса използва две успоредни релси с два блока на всяка релса.

Тази конфигурация осигурява няколко предимства:

• по-добро разпределение на вертикалното натоварване;
• по-голяма устойчивост на моменти на наклон, отклонение и въртене;
• по-добра стабилност на широка подвижна маса;
• по-голяма устойчивост на сили на рязане;
• подобрена твърдост в сравнение с еднорелсово разположение;
• по-голяма гъвкавост при регулиране на разстоянието между релсите и блоковете.

Четири блока обаче не означават автоматично, че всеки блок носи точно 25% от товара.

Ако полезният товар е изместен, една двойка блокове може да носи значително повече натоварване от другата двойка.

Увеличете разстоянието между релсите, за да подобрите устойчивостта на моменти

Когато моментът на преобръщане е ограничаващото условие, увеличаването на разстоянието между две успоредни релси може да намали силата, необходима на всяка релса, за да устои на този момент.

Това е основна механика на лост-рамо.

За същия момент:

Това означава, че простото преминаване от релса с размер 25 на релса с размер 30 не винаги може да бъде най-ефективното решение.

Ако основата на машината го позволява, увеличаването на разстоянието между релсите може понякога да подобри цялостната твърдост на системата и капацитета на момента по-ефективно.

Разстоянието между блоковете е също толкова важно

Разстоянието между два блока на една и съща релса влияе върху устойчивостта на наклон и отклонение.

Поставянето на блоковете много близо един до друг намалява ефективното налично рамо на лоста, за да устои на момент на преобръщане.

Увеличаването на разстоянието между блоковете може:

• намаляване на концентрацията на натоварване върху отделни блокове;
• увеличаване на стабилността на каретата;
• подобряване на устойчивостта на наклон и отклонение;
• намаляване на еластичното изместване при офсетно натоварване.

По-голямото разстояние обаче увеличава дължината на каретката и може да намали наличния ход на машината.

Поради това дизайнът на направляващи за тежки условия е баланс между:

Размер на релсата + разстояние между релсите + размер на блока + разстояние между блоковете + наличен ход

Блок със стандартна дължина или с удължена дължина?

За една и съща серия релси производителите често предоставят различни дължини на блока.

По-дългият блок обикновено съдържа по-голяма ефективна контактна площ при търкаляне и може да осигури по-високи основни номинални натоварвания и по-големи допустими моменти.

Примерът на DLY HD25 показва това ясно:

• HDH25CA дължина: приблизително 84 mm;
• HDH25HA дължина: приблизително 104,6 mm;
• динамичното натоварване се увеличава от 26,48 на 32,75 kN;
• статичното натоварване се увеличава от 56,19 на 76,00 kN;
• Номиналният момент MP/MY се увеличава от 0,51 на 0,88 kN·m.

За машина с ограничена монтажна ширина, но с по-голямо моментно натоварване, смяната на удължен блок следователно може да си струва да се оцени, преди да се увеличи целият размер на релсата.

Водач с топка за голямо натоварване или водач с ролка?

За DLY линейните направляващи са две подходящи структури за взискателни приложенияHD сачмен водач за тежък товари наRD ролков водач.

Характеристика	HD Ball Guideway	RD ролкови водачи
Търкалящ елемент	Рециркулиращи стоманени топки	Цилиндрични ролки
Контактна характеристика	Контакт с топката	По-дълъг контакт тип линия
Посока на избора	Общо CNC и индустриално движение с тежки натоварвания	По-висока твърдост и по-ниски изисквания за еластична деформация
Типични приложения	CNC машини, режещо оборудване, машинни маси и автоматика	Обработващи центри, шлифовъчни машини, тежко рязане, леене под налягане и големи машини

Ролковите водачи често се разглеждат, когато еластичната деформация и твърдостта станат по-критични при високо натоварване. Техните цилиндрични търкалящи се елементи създават различно състояние на контакт от сферичните водачи и могат да осигурят по-голяма твърдост за взискателни конструкции на машинни инструменти.

Ролковите водачи обаче не са автоматично по-добрият избор за всяка тежка машина. Цената, скоростта, точността на монтажа, триенето, наличното пространство и необходимата твърдост трябва да бъдат взети предвид.

По-голямото предварително натоварване означава ли по-голям капацитет за тежко натоварване?

Не точно.

Предварителното натоварване се използва главно за намаляване на вътрешната хлабина и увеличаване на твърдостта на направляващия.

Предварително зареден блок може да осигури:

• по-ниско еластично изместване при натоварване;
• по-добра стабилност при позициониране;
• по-голяма устойчивост на вибрации;
• по-стабилно поведение при движение на заден ход;
• по-добра твърдост при сила на рязане.

Но прекомерното предварително натоварване също се увеличава:

• съпротивление при търкаляне;
• генериране на топлина;
• движеща сила;
• чувствителност към грешки при монтажа;
• вътрешен стрес;
• потенциално износване.

Следователно голямото натоварване не означава автоматично избор на най-високото налично предварително натоварване.

Правилното предварително натоварване трябва да съответства на необходимата твърдост, точност на монтажа, скорост, удар и цел за експлоатационен живот.

Тежкотоварните водачи изискват твърда основа на машината

Изборът на водещ блок с голям капацитет не прави гъвкавата структура на машината твърда.

Водещата релса е закрепена с болтове към основата на машината, така че точността и твърдостта на монтажната конструкция влияят пряко върху цялата система.

Приложенията с голямо натоварване трябва да обърнат специално внимание на:

• плоскост на монтажната повърхност;
• еталонна изправеност на рамото;
• успоредност между релсите;
• последователност на затягане на болтовете;
• якост на монтажните болтове;
• дебелина на основата на машината;
• локална деформация около отворите за болтове;
• твърдост на каретката.

Ако тънка монтажна плоча се огъне под натоварване, изборът на по-голяма релса може да осигури много по-малко подобрение от очакваното.

Грешката при инсталиране става все по-критична с увеличаване на твърдостта

Високоустойчивите и предварително натоварени водачи са по-малко толерантни към лоша монтажна геометрия.

Ако две релси не са успоредни, блоковете могат да бъдат притиснати странично към релсите. След това системата може да има високо вътрешно натоварване дори преди да бъде приложено външното машинно натоварване.

Възможните симптоми включват:

• високо съпротивление при движение;
• неравномерно движение по хода;
• преждевременно износване на каналите;
• висок ток на двигателя;
• локално отопление;
• съкратен живот на водача.

За тежки машини обработката на твърда и точна монтажна повърхност може да бъде също толкова важна, колкото изборът на по-голям направляващ път.

Ударните натоварвания не трябва да се пренебрегват

Една тежкотоварна машина често изпитва натоварвания, които не се виждат в статичното тегло на машината.

Примерите включват:

• зацепване на инструмента по време на тежко рязане;
• бързо ускоряване на голяма маса;
• аварийни спирания;
• операции по пресоване или формоване;
• удар на детайла;
• промени в посоката на робота или портала;
• удари при товарене и разтоварване.

Тези натоварвания могат временно да надвишат нормалното работно натоварване.

Следователно изборът трябва да вземе предвид максималното реалистично работно състояние, а не само средното тегло на машината.

Ускорението добавя натоварване, дори ако полезният товар не се променя

Когато масата на тежка машина се ускори, направляващият трябва също да реагира на инерционната сила:

Е_а= m × a

където:

• м= движеща се маса;
• а= ускорение.

Например движеща се конструкция от 1000 kg, ускоряваща се с 2 m/s², генерира:

Е_а= 1000 × 2 = 2000 N = 2 kN

В зависимост от височината на задвижването и геометрията на машината, тази хоризонтална инерционна сила може също да създаде допълнителен момент на наклон или отклонение върху водещите блокове.

Ето защо високоскоростните тежки машини изискват както статичен, така и динамичен анализ.

Вертикалните тежкотоварни оси се нуждаят от допълнителни проверки

За вертикална ос гравитацията непрекъснато действа върху движещия се възел.

Изборът на пътека трябва да се разглежда заедно с:

• движеща се маса;
• сферичен винт или капацитет на задвижващия механизъм;
• въртящ момент на двигателя;
• спирачна или противотежестна система;
• ускорение и забавяне;
• товар за аварийно спиране;
• момент, причинен от изместен шпиндел или полезен товар.

В много дизайни на CNC Z-ос, центърът на шпиндела е разположен на известно разстояние от равнината на водача. Това създава непрекъснат момент на преобръщане в допълнение към вертикалното натоварване.

Една по-тежка релса сама по себе си може да не реши това ефективно. Може също да са необходими по-широко разстояние между релсите, по-голямо разстояние между блоковете или по-дълги блокове.

Смазването е по-важно при голямо натоварване

По-високите контактни натоварвания увеличават значението на поддържането на подходящ смазочен филм между търкалящите се елементи и каналите.

Недостатъчното смазване може да причини:

• по-високо триене;
• износване на канали;
• увреждане на повърхността;
• повишена температура;
• шум;
• съкратен експлоатационен живот.

Интервалите на смазване трябва да зависят от действителните работни условия, включително:

• натоварване;
• скорост;
• разстояние на пътуване;
• работен цикъл;
• температура;
• експозиция на охлаждащата течност;
• прах и замърсяване.

Тежък режим на работа не означава непременно „повече грес е винаги по-добре“. Излишното смазване също може да увеличи устойчивостта и да създаде други проблеми с поддръжката.

Защитете Raceway от стружки и замърсяване

Много тежкотоварни линейни направляващи се използват в металорежещи машини, режещи машини и оборудване за промишлена обработка, където може да има метални стружки, абразивен прах или охлаждаща течност.

Замърсяването, навлизащо в пътеката за търкаляне, може да повреди търкалящите се елементи дори когато направляващата има достатъчна теоретична товароносимост.

В зависимост от приложението, помислете за:

• крайни уплътнения;
• стъргалки;
• релсови капаци;
• духало;
• телескопични капаци;
• редовно почистване;
• подходящо повторно смазване.

Голям направляващ път, работещ в замърсена среда без подходяща защита, може да се повреди по-рано от по-малка правилно защитена система.

Как избирате линеен направляващ път за тежка употреба?

Практическият процес на подбор е:

1. Изчислете движещата се маса.Включете масата, приспособлението, детайла, шпиндела и други движещи се компоненти.
2. Идентифицирайте всички външни сили.Включете сила на рязане, сила на натиск, странична сила и натоварване на процеса.
3. Изчислете силите на ускорение.Тежките високоскоростни оси могат да генерират значителни инерционни натоварвания.
4. Намерете центъра на тежестта.Измерете неговите хоризонтални и вертикални отмествания спрямо направляващата система.
5. Изчислете моментите на наклон, отклонение и въртене.Не разчитайте само на средното вертикално натоварване.
6. Определете разстоянието между релсите и блоковете.По-голямото разстояние може значително да подобри моментната устойчивост.
7. Изберете количество и дължина на блока.Сравнете стандартните и разширените блокове, където е необходимо.
8. Проверете степента на динамично натоварване C.Потвърдете необходимия експлоатационен живот при еквивалентно динамично натоварване.
9. Проверете степента на статично натоварване C₀.Включете удар и максимално пиково натоварване със съответните изисквания за безопасност.
10. Изберете предварително зареждане.Съответства на изискванията за твърдост без ненужно увеличаване на триенето и топлината.
11. Проверете твърдостта и точността на монтажа.Уверете се, че структурата на машината може да поддържа избрания направляващ път.
12. Проверете смазването и защитата от замърсяване.Капацитетът за голямо натоварване сам по себе си не гарантира дълъг експлоатационен живот.

Кой DLY линеен водач е подходящ за тежки приложения?

В момента DLY доставя няколколинеен направляващ пътсерии за различни конструкции на машини.

Серия DLY	Структура	Посока на избора
HD	Водач тип сачма за тежко натоварване	CNC машини, машинни маси, оборудване за рязане и общо тежко индустриално движение
RD	Ролков тип водач	Приложения с по-висока твърдост, тежко рязане и машини, изискващи по-ниска еластична деформация
ЕД	Водач на сачма с нисък профил	Компактни оси, при които по-ниската височина на монтаж е по-важна от максималната твърдост

За особено взискателни изисквания за твърдост и деформация, ролковият направляващ канал DLY RD също може да бъде оценен. Серията RD използва цилиндрични ролки и се предлага за тежки машинни инструменти и други взискателни индустриални системи за движение.

Често срещани грешки при избора на линейни направляващи за тежки условия

Грешка	Защо това е проблем
Избор само по тегло на машината	Игнорира ускорението, силата на рязане и моментното натоварване
Разделяне на товара по равно между всички блокове	Реалните блокови натоварвания се променят, когато центърът на тежестта е изместен
Избор на най-голямата налична релса	Може да добави цена и размер, без да решава лошото разстояние между релсите или блоковете
Автоматично избиране на максимално предварително натоварване	Може да увеличи триенето, топлината и чувствителността към грешка при инсталиране
Игнориране на основата на машината	Гъвкавата монтажна конструкция ограничава общата твърдост на системата
Игнориране на замърсяването	Стружки и абразивни частици могат да повредят водач с правилен размер
Проверява се C, но не C₀ или моментни оценки	Едно направляващо платно може да има достатъчен живот на умора, но недостатъчен пиков товар или капацитет на преобръщане

Каква информация е необходима, преди да изберете пътека за тежък товар?

За смислена препоръка за пътеводител, предоставете:

• обща движеща се маса;
• тегло на детайла или полезен товар;
• посока на натоварване;
• рязане или външна сила, ако е приложимо;
• положение на центъра на тежестта;
• разстояние между релсите;
• разстояние от блок до блок;
• брой релси;
• брой блокове;
• дължина на пътуването;
• максимална скорост;
• ускорение;
• работен цикъл;
• необходима твърдост;
• необходима степен на точност;
• работна среда;
• монтажен чертеж.

За проекти за подмяна предоставете съществуващия модел на релса и блок, дължина на релсата, количество блокове, оформление на монтажните отвори и снимки, където е възможно.

Заключение

Линейните водачи могат абсолютно да се използват в тежки приложения, но изборът на водач за тежък товар изисква повече от избора на голяма релса.

Правилният дизайн трябва да оценява:

За много CNC и промишлени машини HD сачмените водачи за тежък товар осигуряват практичен баланс между капацитет на натоварване, твърдост и плавно движение. Когато машината изисква особено висока твърдост и ниска еластична деформация при голямо натоварване, RD ролков водач може да бъде по-добра посока.

Важен момент е да изберетецялостно подреждане на релси и блокове, не само размерът на релсата.

← Назад към блога на DLY