КЛАСИФИКАЦИЯ НА РЕЛСОВИТЕ НАПРАВЛЯВАЩИ ЗА МЕТАЛОРЕЖЕЩИ МАШИНИ С ЦПУ

Пламен Угринов

Резюме. Извършена е класификация на релсовите направляващи за металорежещи машини с ЦПУ според следните класификационни признаци: вид на контакта, вид на триенето, форма на релсовата шина, вид на търкалящите тела, брой на потоците търкалящи тела, вид и схема на организация на работните повърхнини, принцип на контакт на търкалящите тела с работните повърхнини, наличие на сепаратор, вид на чистачи-уплътнители, вид на уравновесяването (при аеростатичните релсови направляващи), наличие на други устройства (вградена измервателна система, количка за демпфиране на трептенията, спирачен елемент), вид на мазането.

Резултатите от класификацията са обобщени във вид на диаграми.

Ключови думи: релсови търкалящи направляващи, ролкови, сачмени, хидростатични, аеростатични, металорежещи машини с ЦПУ

1. Въведение.

В последно време в металорежещите машини с ЦПУ все по-осезаемо се утвърждава приложението на релсовите направляващи за праволинейно подавателно и установъчно движение, наричани по-нататък „релсови направляващи”. Принципното и конструктивното им разнообразие е голямо и непрекъснато разширяващо се. Отсъствието на класификация не позволява на потребителя (изследовател, конструктор, производител, зает с ремонт) да обхване цялото многообразие и да вземе информирано решение при избора на направляващи за интересуващата го металорежеща машина с ЦПУ. В тази връзка въпросът за провеждането на класификация на релсовите направляващи е особено актуален.

2. Релсови направляващи- определение, класификационни признаци.

Релсови направляващи за металорежещи машини с ЦПУ (фиг.1)- това е комплект от две релсови шини 1 със специален профил, установявани към базовия детайл 4, по всяка от които се движат два или повече подвижни възела 3, всеки от тях притежаващ една степен на свобода и определена носеща способност и статична стабилност, към които се установява подвижният орган 2. Релсовите шини са съставни или монолитни; принципно в машината могат да се използват и повече от две релсови шини, например, за повишаване на носещата способност. В зависимост от вида на триенето подвижните възли се наричат колички- при търкалящи релсови направляващи, и шейнички- при хидростатични и аеростатични релсови направляващи.

Релсовите направляващи са покупни изделия- изготвят се от специализирани фирми и се предлагат по каталог на заетите с производство или ремонт на металорежещи машини с ЦПУ. Търговско значение придобиват в началото на 1980-те години в отговор на необходимостта от готов за непосредствено монтиране върху машината висококачествен продукт с предварително фабрично настроени параметри на контакта между подвижните възли и релсовите шини.

Най-голямо разпространение имат търкалящите релсови направляващи. Исторически те са и първите релсови направляващи [1,5].

В последните години се забеляза навлизане на хидродстатични и аеростатични релсови направляващи.

При класифицирането се използват следните класификационни признаци: вид на контакта, вид на триенето, форма на релсовата шина, вид на търкалящите тела, брой на потоците търкалящи тела, вид и схема на организация на работните повърхнини, принцип на контакт на търкалящите тела с работните повърхнини, наличие на сепаратор, вид на чистачи-уплътнители, вид на мазането, вид на уравновесяването (при аеростатичните релсови направляващи), наличие на други устройства (вградена измервателна система, количка за демпфиране на трептенията, спирачен елемент).

3. Обща класификация на релсовите направляващи.

Общата класификация на релсовите направляващи може да се извърши по критериите за вид на контакта и природа на триенето (фиг.2): според вида на контакта биват контактни и безконтактни; според вида на триенето търкалящи, хидростатични и аеростатични.

4. Класификация на търкалящите релсови направляващи.

В зависимост от вида на търкалящите тела релсовите направляващи се разделят на две големи групи: ролкови и сачмени. Класификацията е показана на фиг.3.

4.1. Класификация на ролковите релсови направляващи.

Работните повърхнини на релсовите шини при ролковите направляващи представляват наклонени равнинни повърхнини, разположени симетрично спрямо вертикалната ос на шината. Работните повърхнини се организират по две схеми- О-схема и Х-схема [7, 9, 10, 12, 13, 15, 17, 20]. Потоците ролки са 4 на брой, поради което направляващите се определят още като 4-редови. Всеки поток ролки се движи по една работна повърхнина.

О-схемата (фиг.4а) се използва от повечето производители на релсови направляващи, тъй като осигурява висока точност и стабилност на количката. Разстоянието L_О позволява на количката да има поведение на опора тип “запъване”, т.е. в нея да възниква реакционен момент, който да противодейства на стремежа за прекатурване на количката. Ъгълът между две съседни работни повърхнини обикновено е α = 45⁰.

Х-схемата (фиг.4б) по традиция се използва от фирмата INA. При нея разстоянието L_Х е значително по-малко от L_О и запъващият ефект не се проявява така осезателно, както при О-схемата. Ъгълът между две съседни работни повърхнини обикновено е α = 45⁰.

4.2. Класификация на сачмените релсови направляващи.

А. Според организацията на работните повърхнини.

Работните повърхнини на релсовите шини при сачмените направляващи представляват канали със специален профил, които са разположени симетрично спрямо вертикалната ос на шината. В зависимост от броя на потоците сачмените направляващи могат да бъдат 2-редови, 4-редови и 6-редови. Сачмените 4-редови направляващи се изпълняват по О-схема и Х-схема [7, 10, 13, 14, 15, 16, 17, 18]; нито една от двете схеми не се откроява с предпочитания от страна на производителите- и двете се използват примерно в равни пропорции. Сачмените 6-редови направляващи се изпълняват по комбинирана О-Х-схема.

Най-често използвани в металорежещите машини с ЦПУ са 4-редовите, организирани по О-схема и Х-схема.

О-схемата (фиг.5а), аналогично на ролковата опора, изпълнена по същата схема, осигурява висока точност и стабилност на количката, тъй като голямата стойност на разстоянието L_О позволява на количката да има поведение на опора тип “запъване”. Ъгълът между две съседни работни повърхнини обикновено е α = 45⁰, но някои производители предпочитат α = 50⁰.

Х-схемата (фиг.5б) има разстояние L_Х, което е значително по-малко от L_О. Това не позволява да се прояви значителен запъващ ефект. Ъглите между две съседни работни повърхнини обикновено са α = β = 45⁰, но има и изпълнение, при което α = 45⁰ и β = 90⁰.

Комбинираната О-Х-схема (фиг.5в) се изпълнява 6-редова; отличава се с много високи стойности на носещата способност и стабилността, което прозволява да бъде прилагана в машини, работещи в тежки експлоатационни условия.

2-редовата схема (фиг.5г) е предназначена за работа с по-високи скорости и слабо натоварване.

Б. Според принципа на контакта на сачмите с работните повърхнини.

При сачмените релсови направляващи се използват два конструктивни принципа за реализация на контакта на сачмите с работните повърхнини на релсовата шина и количката- с кръгов профил (контакт по 2 точки) и с арковиден профил (контакт по 4 точки). Диференциалното преплъзване при арковидния профил е значително по-голямо, отколкото при кръговия. Поради повишените стойности на съпротивлението при движение, топлоотделянето и интензивността на износване арковидният профил има сравнително ограничено приложение. Използва се, например, при 2-редовите сачмени релсови направляващи, предназначени за работа при леки натоварвания, при някои Х-схеми на фирмата NSK (Япония) [1, 11, 12, 13, 18].

4.3. Други класификации на релсовите търкалящи направляващи.

А. Наличие на сепаратор.

При ролковите направляващи винаги се използва сепаратор. Всеки поток ролки се изготвя с eластичен сепаратор, изготвен от синтетичен материал. Сепараторът запазва фабрично установената успоредност между надлъжните оси на ролките в потока. В сепаратора има малки обеми, служещи като джобове за консистентната смазка, от които тя постепенно навлиза в зоната за мазане [9, 20].

Сачмените направляващи се изготвят както със сепаратор, така и без сепаратор. В значителна част от произвежданите сачмени релсови направляващи сачмените потоци са без сепаратор. Все по-нарастващ е делът на сачмените релсови направляващи със сепаратор, което е отговор на стремежа за намаляване на шума при движение и намаленото съпротивление и топлоотделяне, което се дължи на елиминирането на механичния контакт между търкалящите тела [9, 14, 16, 19].

Б. Вид на чистачите- уплътнители.

Количката се херметизира, като по целия й периметър се монтират гъвкави уплътнения, които прилягат плътно към релсовата шина и не позволяват във вътрешността на количката да проникват замърсявания. Същевременно уплътненията играят и ролята на чистачи. Чистачите-уплътнения за херметизиране са два вида- челни и странични. Челните обхвщат плътно профила на релсовата направляваща. По този начин те предпазват количката от прах и влага, кондензирала върху релсовата шина. Страничните уплътнения изпълняват и функцията да задържат мажещото вещество и да не позволяват то да изтече извън количката [7, 9, 10, 14, 17, 21] .

Допълнителна защита срещу особено малките по размер твърди замърсители са вътрешните чистачи, които се локализират в непосредствена близост до потоците търкалящи тела [16].

Чистачите-гребла за едри замърсители позволяват да се избегне попадането върху релсовите шини на по-едри твърди частици и гореща стружка. Изпълняват се като монолитни безконтактни и контактни ламелни [18].

В. Наличие на други устройства.

Релсовите търкалящи направляващи могат да бъдат допълнени с други устройства, които се доставят като опции. Използването им разширява и подобрява функциите на самите направляващи.

В1. Вградена измервателна система.

Релсовите търкалящи направляващи могат да бъдат с или без вградена система за измерване на точното положение на подвижния орган, като типичен представител на направляващите с вградена измирвателна система е Schneeberger [17].

В.2. Количка за демпфиране на трептенията.

За туширане на един от основните недостатъци на търкалящите направляващи- ниската демпфираща способност, може да се използване допълнително монтирана демпфираща количка [9].

В3. Спирачен елемент.

Редица производители предлагат готов спирачен елемент, който се монтира между основните колички и е предназначен да предотвратят микропреместванията на подвижния орган, възникващи под въздействието на силата на рязане и инерционните сили [9, 17].

Г. Вид на мазането.

Мазането се извършва с масло или грес. Мазането с грес се осъществява периодично по два начина- чрез ръчно въвеждане и автоматично чрез централизирана система. Мазането с масло се реализира по два начина- периодично и постоянно. Периодичното мазане се реализира автоматично чрез централизирана система. Постоянното мазане има две изпълнения- с маслена мъгла, създавана от специална система за мазане, и чрез маслен контейнер, в който определено количество масло се поема от специални порести елементи и се използва за самосмазване на релсовата шина и търкалящите тела. Така се реализира принципът на работа без обслужване (maintenance-free) [7, 9, 10, 13, 14, 16, 17, 18, 21].

5. Класификация на безконтактните релсови направляващи.

Класификацията е представена на фиг.6.

5.1. Релсови хидростатични направляващи.

Според профила на релсовата шина се подразделят на направляващи с Т-образни релсови шини и направляващи с профилни релсови шини.

Типичен представител на хидростатичните направляващи с Т-образни релсови шини са направляващите HydroGlide^® на компанията Hardinge (САЩ), специализирана в производството на стругови машини с ЦПУ и стругови центри [22].

Общото устройство на тези направляващи е показано на фиг.7. Върху релсовите шини с Т-образен профил 1 са разположени шейничките 2. Маслото постъпва в магистралата за високо налягане и се насочва към всяка от тях. Херметизацията е изпълнена така, че отработеното масло не напуска шейничките, а по магистралата за ниско налягане отива на слив

Типичен представител на хидростатичните направляващи с профилни релсови шини са направляващите HLE45 на компанията Schaeffler (Германия) [3, 8]. Представеният на фиг.8 полуизглед-полуразрез показва профила на релсовата шина и джобовете за подаване на маслото в работната зона.

5.2. Релсови аеростатични направляващи.

Според профила на релсовата шина се подразделят на аеростатични направляващи с призматична релсова шина и аеростатични направляващи с ъглов профил на релсовата шина. Тъй като аеростатичните релсови направляващи се изпълняват отворени, уравновесяването в тях бива електромагнитно и с постоянни магнити.

На фиг.9 е показана аеростатична призматична направляваща с електромагнитно уравновесяване [6]. По неподвижната гранитна направляваща 1 върху аеростатичните опори 4 и 7 (работещи в радиално направление) и 2 и 8 (работещи в странично направление) се движи подвижният орган 3. Аеростатичните опори са изпълнени във вид на пети с кръгло напречно сечение, които се настройват и закрепват към подвижния орган. Линейният двигател се състои от постоянните магнити 6, монтирани в канала на направляващата 1, и намотката 5, монтирана към подвижния орган. Уравновесяващата електромагнитната сила F_ЕМ възниква в резултат на взаимодействието между постоянните магнити 6 и намотката 5.

На фиг.10 е показана аеростатична релсова направляваща с ъглов профил и магнитно уравновесяване, наричана за краткост аеромагнитна направляваща [2, 4]. Подвижният орган 3 се установява върху аеромагнитните шейнички 4 и 6, които се движат по направляващите 1 и 2. Воденето е решено по схемата на тясното водене- водещата направляваща е 2. Задвижването се извършва от подавателния превод 5. Магнитното уравновесяване се реализира чрез постоянни магнити, разположени в шейничките 4 и 6.

6. Резултати от изследването.

Релсовите направляващи са все по-предпочитани от производителите на металорежещи машини с ЦПУ поради обстоятелството, че отпада необходимостта от разходване на време и висококвалифициран труд за настройване, тъй като те се доставят предварително фабрично настроени.

Релсовите търкалящи направляващи са основният вид направляващи в съвременните металорежещи машини с ЦПУ. Използват се в типоразмерните граници от леки до средни машини от всички видове (стругови машини с ЦПУ, фрезови машини с ЦПУ, стругови центри, обработващи центри и др.) независимо от компоновката.

За изготвяне на машини от по-голям типоразмер се използват плъзгащи призматични направляващи, представляващи, обикновено, собствена разработка и производство на производителя на металорежещата машина с ЦПУ.

Безконтактните хидростатични и аеростатични релсови направляващи направляващи се използват в специални случаи при особено тежки и уникални машини или при прецизни и свръхпрецизни машини, в това число и при машини, отнасящи се към нанометричния клас на точност.

7. Изводи.

- Извършена е класификация на релсовите направляващи за металорежещи машини с ЦПУ според следните класификационни признаци: вид на контакта, вид на триенето, форма на релсовата шина, вид на търкалящите тела, брой на потоците търкалящи тела, вид и схема на организация на работните повърхнини, принцип на контакт на търкалящите тела с работните повърхнини, наличие на сепаратор, вид на чистачите-уплътнители, вид на уравновесяването (при аеростатичните релсови направляващи), наличие на други устройства (вградена измервателна система, количка за демпфиране на трептенията, спирачен елемент).

- Резултатите от класификацията позволяват на потребителя да обхване цялото многообразие и да вземе информирано решение при избора на направляващи за интересуващата го металорежеща машина с ЦПУ.

Литература:

1. Лурье А.М. Рельсовые направляющие качения. „Сервотехника” ЗАО. 2006.

2. Индукаев К.В. Бесконтактные сверхточные мехатронные узлы и их компоненты разработки российской компании „Лаборатории АМФОРА”. www.amphoralabs.ru.

3. Калашников Д. Линейные направляющие качения. Демпфирующие свойства линейной оси. www.schaefflerrussland.ru.

4. ***Лаборатории АМФОРА. Наномеханика. Аэромагнитные направляющие. www.amphoralabs.ru.

5. ***Линейные направляющие качения. //Эксперт оборудование. № 9/2008. www.obo.ru.

6. ***Линейный двигатель типа „Мультилэд-300”. //Станки и инструмент. № 12/1991.

7. ***HIWIN. Linear Guideways. Cat.№ G99TE11-0703.

8. ***INA Schaeffler Group. Компактные гидростатические направляющие HLE45. TPI 149.

9. ***INA Schaeffler Group. Техника для линейных перемещений. Сентябрь 2007.

10. ***NB. Профильные рельсовые направляющие. /Акетон. www.aketon.ru.

11. ***NSK. NSK Linear Guides. Miniature PU Series/PE Series. Cat.№ Е3327 2003.

12. ***NSK. NSK Linear Guides. Roller Guide RA Series.

13. ***NSK. NSK Linear Guides. Interchangeable Series for Automotive Assembly Equipment.

14. *** Rexroth Bosch Group. STAR- Ball and Roller Rail Systems. RE 82 215/2002- 01.

15. ***Rexroth Bosch Group. Роликовые рельсовые направляющие. RRS 82 302/2005-05.

16. ***SBC. Рельсовые направляющие качения SBC. Инструкция по монтажу и обслуживанию. /Сервотехника. www.servotechnica.ru

17. ***SCHNEEBERGER. Профильные линейные направляющие и встроенные измерительные системы MONORAIL и AMS.

18. ***SKF. Profile rail guides LLT.

19. ***THK. Преимущества технологии гибкого сепаратора Caged Ball^™. Направляющая линейного перемещения LM Guide^® повышенной жесткости с применением технологии гибкого сепаратора Caged Ball^™. Каталог № 234-5 RUS.

20. ***THK. Wide Type Roller Guide with Caged Technology SRW. Catalog № 312E.

21. ***THK. Linear Motion Systems. General Catalogue.

22. ***HydroGlide linear guideway system. www.hardinge.com

CLASSIFICATION OF LINEAR RAIL GUIDES FOR CNC MACHINE TOOLS

Assoc. Prof. Dr.Eng. Plamen Ugrinov

Astract: A classification of up-to-date actual linear rail guides for CNC machine tools is made on typе of contact, type of friction, shape of railway, type of rolling elements, number of rolling chains, arrangement between rolling elements and raceways, type of grooves, type of retainer, type of seals and scrappers, type of counterpoising force for aerostatic rail guides), other devices (incorporated linear encoder, vibration damping carriage, brake), lubrication.

The results are presented in charts.

Данни за автора:

Пламен Угринов Угринов, доцент д-р инж., катедра „Енергетика и машиностроене” при КЕЕ към ТУ-София, България, София, Студентски град, бл.16 (ниско тяло), тел. 0895-58-99-54, e-mail: ugrinov_mmcpu@yahoo.com, web-site: www.ugrinov.com.