Линейные направляющие: как выбрать рельс и каретку

Линейная направляющая удерживает подвижный узел и задаёт траекторию его движения. В профильной рельсовой конструкции стол крепится к кареткам, а каретки опираются на рельсы через шарики или ролики. Двигатель с передачей создаёт продольное усилие; направляющие воспринимают вес, поперечные силы и моменты.

Рельс и каретку выбирают вместе. Сначала определяют нагрузку и расположение опор, затем размер, исполнение, точность и предварительный натяг. Для ремонта к этим условиям добавляются размеры существующего узла и совместимость с оставляемым рельсом.[1]

Что находится внутри каретки

В рабочей части тела качения передают силу между дорожками рельса и корпуса. При перемещении они перекатываются, доходят до торца каретки и через возвратный канал снова попадают в рабочую дорожку. Это позволяет каретке проходить всю длину рельса. Торцевые элементы организуют возврат, а уплотнения закрывают входы в рабочую зону.[1]

Профиль дорожек и их взаимное расположение определяют, какие нагрузки воспринимает направляющая. Например, четырёхрядная HIWIN HG рассчитана на нагрузки в радиальном, обратном радиальном и боковых направлениях. Возможности другой серии проверяют по её конструкции и каталогу; внешне похожие каретки могут иметь иное устройство.[1]

У шариковых и роликовых направляющих различается контакт с дорожкой. Ролики обычно позволяют получить более жёсткую опору в близком габарите, но выбор зависит и от размеров, преднатяга, расположения кареток. Небольшая роликовая каретка не становится подходящей для любой тяжёлой оси только из-за типа тел качения.

Начните со схемы нагрузок

На сборочном эскизе показывают рельсы, каретки, подвижную массу и точки приложения сил. Для фрезерного стола учитывают массу стола, приспособления и заготовки, силы резания и инерционные силы при разгоне. Для портала добавляют вылет шпинделя и положение центра тяжести подвижной части.

Если сила приложена выше направляющих, она создаёт момент. Одна группа кареток нагружается сильнее, другая разгружается или воспринимает силу в противоположном направлении. Поэтому четверть веса стола редко описывает максимальную нагрузку на каждую из четырёх кареток.

Расстояние между рельсами влияет на реакции от момента вокруг направления движения. Продольное расстояние между каретками влияет на реакции от момента вокруг поперечной оси. Увеличение этих расстояний снижает нагрузки, но требует места и достаточно жёсткой подвижной плиты. При гибком столе нагрузка может распределяться не так, как в расчётной схеме с абсолютно жёсткой плитой.

Для выбранного расположения находят реакции на каретках и проверяют наиболее тяжёлый режим. При перемещении длинной заготовки центр тяжести может меняться, а при разгоне и торможении меняются направления сил. Методика HIWIN предусматривает расчёт действующих и эквивалентных нагрузок, статического запаса и ресурса.[1]

Как выбрать размер и длину каретки

Размер направляющей определяет её поперечный габарит и нагрузочные возможности. Внутри одного размера могут быть стандартные и удлинённые каретки. Удлинённое исполнение увеличивает протяжённость рабочей зоны и может быть полезно при больших нагрузках и моментах, но занимает больше места вдоль оси.[1]

Фланцевая каретка имеет широкую монтажную площадку. Компактная каретка удобнее там, где ограничена ширина плиты. Способ крепления тоже различается: винты могут заходить сверху, снизу или обоими способами. Нужно проверить доступ инструмента, длину ввинчивания и толщину подвижной плиты. Отверстия, которые совпали в плане, ещё не означают, что узел удастся собрать.

Длину рельса определяют по крайним положениям всей группы кареток. Рабочий ход стола занимает лишь часть этой длины: остаются расстояние между каретками, их собственный габарит и предусмотренные промежутки до концов. Заранее учитывают и защиту. Сжатая гофра, торцевой упор или выступающий штуцер могут ограничить движение раньше, чем это видно на эскизе самого рельса.

Точность и преднатяг задают отдельно

В каталоге класс точности связан с допусками высоты, бокового положения и параллельности движения кареток. При нескольких рельсах существенен также разброс размеров внутри комплекта. Если каретки имеют разную высоту, жёсткая плита при затяжке нагружает их ещё до начала работы.[1]

Предварительный натяг создаёт внутреннее нагружение тел качения и уменьшает податливость контактов. У HIWIN HG его получают подбором шариков увеличенного диаметра. Чем выше натяг, тем жёстче контакт, но тем выше внутренние нагрузки; это отражается на сопротивлении движению и ресурсе.[1]

Для лёгкого механизма перемещения чрезмерный натяг может оказаться ненужным. Для нагруженной оси обработки выбирают натяг, позволяющий удержать смещение под силой. При этом монтажные поверхности должны соответствовать выбранному исполнению. Преднатяг не выпрямляет кривую базу: на непараллельных рельсах он только увеличивает нежелательные нагрузки.

Что проверить на основании станка

Рельс сравнительно податлив при монтаже и может повторять форму поверхности, к которой его притянули. Поэтому до установки проверяют плоскостность базы, прямолинейность бокового уступа, взаимное положение поверхностей под оба рельса. Заусенец или стружка под рельсом создают местное отклонение и перегружают проходящую каретку.[2]

Один рельс используют как базовый. Второй выставляют относительно него предусмотренным способом: по обработанному уступу либо с выверкой индикатором и измерительной базой. Направление проверяют по всей длине, постепенно закрепляя рельс. THK описывает несколько способов такого монтажа, включая контроль индикатором по поверочной линейке.[2]

После крепления стола проверяют движение на всём ходе. Если сопротивление выросло после затяжки определённого соединения, ищут перекос или ошибку базы. Сильный двигатель способен протащить такой узел, но дополнительные нагрузки останутся в дорожках.

Защита и обслуживание входят в выбор

Смазка уменьшает износ контактов и помогает работе уплотнений. Её нужно подать внутрь каретки, поэтому положение штуцеров и трубок проверяют ещё на сборочном эскизе. Для вертикального или перевёрнутого монтажа учитывают распределение смазки по дорожкам.[2]

На деревообработке опасна мелкая пыль, на металлообработке — стружка и попадание СОЖ. Наружный кожух или гофра закрывают рельсы, а уплотнения каретки препятствуют проникновению загрязнений в оставшейся открытой зоне. THK указывает, что СОЖ может эмульгировать или вымывать смазку; материал и периодичность подачи выбирают с учётом среды.[2]

При замене одной каретки нужно установить полную серию и исполнение, проверить дорожки старого рельса и возможность раздельной замены. HIWIN выпускает взаимозаменяемые HG и подобранные комплекты одинаковых номинальных размеров. Возможность заменить отдельную каретку зависит от исполнения.[1]

Для заказа достаточно предметной спецификации: серия, длины рельсов, число и форма кареток, точность, натяг, уплотнения и смазка. К ней прикладывают схему нагрузок и монтажный эскиз. Тогда поставщик сможет подобрать комплект под ось, а монтажник заранее увидит базы, крепления и необходимые регулировки.

Источники

[1] HIWIN. Linear Guideway G99TE24-2410. [2] THK. LM Guide Instruction Manual.