4. březen 2024 Doporučení WBM News – Beyond Bearings: Uvolnění potenciálu kuličkových drážkování v robotických konstrukcích

Když konstruktéři pohybových systémů potřebují komplexní, vysokorychlostní, víceosý pohyb, mohli by nejprve pomyslet na propracovaná, předem zabalená robotická ramena. Nebo, pokud potřebují pouze několik os, mohou nakonfigurovat samostatný profil nebo kruhovou kolejnici pro každou osu. Mezi těmito možnostmi se však skrývá jednoduchá a osvědčená technologie kuličkového drážkování. Toto řešení víceosého pohybu existuje již léta a je stále vysoce relevantní pro dnešní komplexní pohybová schémata. Kuličkové drážky využívají jedinečnou architekturu integrující rotační a lineární pohyb na jedné hřídeli. To jim dává větší flexibilitu při implementaci složitých pohybových schémat v užších prostorech a poskytuje řešení dva za jednoho v řízení pohybu.

Integrace rotačního a lineárního pohybu

Kuličkové drážky umožňují lineární i rotační pohyb. Toho je dosaženo společným hřídelem vykonávajícím dva nezávislé pohyby (obrázek 2). Hřídel obsahuje podél své délky axiální broušené drážky nazývané "drážky". To také zahrnuje kuličkovou drážkovou matici, která jezdí podél axiálních broušených drážek, blokuje rotační pohyb nebo radiální momentové zatížení.

Pro pohon axiální rotace se otáčí kuličková drážková matice. Tato matice obsahuje řadu kuliček umožňujících volný pohyb podél osy (tj. matice může klouzat po hřídeli s minimálním třením). Při otáčení tyto kuličky působí kolmou silou na hřídel přes drážkované drážky a otáčejí ji.

K pohonu lineárního pohybu se drážkový hřídel pohybuje dopředu nebo dozadu pomocí lineárního ovladače, jako je píst. Protože se kuličková ložiska odvalují v drážkách (místo klouzání), nižší koeficient tření a opotřebení vytváří hladký, přesný lineární pohyb a vyšší rychlosti.

Kvůli ukotvení/podporě toto uspořádání také odolává torznímu zatížení (tj. hřídel odolává rotaci, pokud není poháněna motorem). Je-li torzní zatížení aplikováno externě na hřídel, když se vysouvá/zasouvá/nehybne, drážková matice jej podpírá a odolává tomuto zatížení.

Výhody

Lepší využití prostoru

Komprese více os do jedné dělá kuličkové drážky prostorově efektivnější než tradiční řešení ložisek. To znamená méně součástí a pohyblivých částí a navíc větší nosnost v tomto prostoru, než nabízejí srovnatelná lineární ložiska.

Vyšší nosnost

Široké, přesně broušené drážky zvyšují schopnost přenášet zatížení a zlepšují tuhost a tuhost pro zvládnutí až dvojnásobného momentového zatížení než tradiční ložiskové sestavy. Kuličkové drážky také rozdělují větší zatížení po délce hřídele. To jim umožňuje přenášet vyšší zatížení než běžná ložiska, která mohou být více vystavena lokalizované koncentraci napětí. Kuličkové drážky jsou také lepší při zatížení mimo střed, což je běžné při výměně nástrojů a aplikacích typu pick-and-place.

Zanedbatelné tření

Systém vedení kuliček zajišťuje pohyb téměř bez tření díky přesnému kontaktu s tangenciálními body valivých kuliček vedených drážkami drážkovaného hřídele a kroužkem v matici.

Vyšší rychlosti

Kuličkové drážky potřebují pouze malé síly k axiálnímu posunutí drážkované matice při přenosu točivého momentu a minimalizaci tření. To přispívá k asi 20% zvýšení rychlosti oproti tradičnímu kuličkovému šroubu a plynulejšímu provozu. Kuličkové drážky zvládnou rychlost až 2 m/s.

Vysoká přesnost a přesnost

Kuličkové drážky nabízejí vysokou přesnost a přesnost při polohování, díky čemuž jsou ideální pro aplikace vyžadující přesné ovládání. Nulová vůle zajišťuje žádnou rotační vůli nebo ztrátu pohybu při změně směru. Kuličkové drážky zachovávají tuto přesnost a nízké tření i při velkém zatížení.

Snadná instalace a údržba

Instalace je snadná, obvykle vyžaduje hrubý vývrt a vyvrtané montážní otvory a závity pro zajištění přírubové matice nebo hrubý vývrt a drážku pro kulatou matici. Díky jednoduchému designu je kulové drážkování snazší řešit problémy a servis. Tým údržby může vytáhnout drážku z hřídele, namazat ji a nasadit zpět, zatímco profilová lišta a kuličkové šrouby vyžadují vyšší údržbu.

Vysoká odolnost

Kuličkové drážky mají delší životnost než některá tradiční ložiska díky větším kontaktům s kuličkovými ložisky, což snižuje namáhání a zvyšuje nosnost. Čím menší je namáhání koulí, tím větší zátěž mohou zvládnout, přičemž odolávají opotřebení a poskytují konzistentní výkon.

Kuličkové drážky často obsahují těsnění a ochranné kryty, které chrání kuličková ložiska před nečistotami, jako je prach a nečistoty, a dále prodlužují životnost. Architektura kuličkového drážkování má bezpečnou nosnost z každého úhlu, na rozdíl od radiálního ložiska, kde musí být kuličky pečlivě umístěny, aby vyrovnaly zatížení.

Úspory nákladů

Počáteční úspory jsou značné pro dvě osy pohybu a úspory se násobí s vyššími objemy. Kuličkové drážky jsou výrazně levnější než balené víceosé systémy. Díky menšímu počtu součástí a pohyblivých částí jsou ekonomičtější než sestavy profilových kolejnic. Poskytují lepší odolnost proti momentovému zatížení za cenu a vyžadují menší přípravu povrchu pro instalaci. Náklady na kuličkové drážky jsou jako u kruhových kolejnicových sestav, ale s menším půdorysem a menším počtem os. Z dlouhodobého hlediska vyžaduje méně komponentů údržbu, což šetří čas a peníze.

Aplikace

Návrháři pohybu integrující lineární a rotační pohyb by měli vyhodnotit technologii kuličkového drážkování, aby zjistili, zda je jejich konfigurace na stejné hřídeli přínosná. Zde je několik příkladů aplikací v oblasti automatizace továren, dopravy a zdravotnictví/výzkumu, které využily funkci kuličkového drážkování:

Tovární automatizace

Opakovatelná montáž typu pick-and-place, jako je polohování vysokorychlostního polovodičového objektu, při kterém rameno vybere položku z montážní fáze, otočí ji a položí ji na jinou.

CNC polohování nástrojů v obráběcích a frézovacích operacích.

Balicí zařízení pro přesné ovládání plnicích a uzavíracích mechanismů.

Přeprava

Ovládání letadla, jako je vysunutí klapek a nastavení plynu.

Vojenská vozidla pro usnadnění rotace, náměru děla a řízení vozidla.

Zdravotnictví a výzkum

Roboti pro asistenci při chirurgických zákrocích.

Lékařská zobrazovací zařízení pro usnadnění přesného pohybu CT skenerů nebo jiných vysoce přesných zařízení pro získávání obrazu.

Laboratorní analýza, jako je stolek mikroskopu a umístění vzorku.

Někteří prodejci nabízejí online pokyny, které pomáhají konstruktérům strojů optimalizovat kuličkové drážky pro jejich aplikace. Například nástroj pro výběr jedné kuličkové drážky nabízí vizuální pomůcky, které uživatelům poskytují nejlepší konfiguraci během několika minut.

Hledání jejich místa

Kuličkové drážky jsou ideální pro konstruktéry strojů, kteří potřebují pohyb ve více osách. Ve srovnání s balenými, víceosými systémy vyžadují kuličkové drážky méně místa a lze je nasadit při vyšších rychlostech s nižším třením; větší přesnost; delší, předvídatelnější život; a snadnější údržbu. Mohou být také levnější.

Zatímco kuličková drážka by mohla nahradit zabalená robotická ramena, jejich prostorová efektivita a nulová vůle je činí použitelnými jako součásti těchto sestav, případně prodlužují vertikální zdvih nebo pomáhají s těžšími radiálními a axiálními zatíženími.

S tím, jak se obchodní operace stávají komplexnějšími a digitalizace, AI a pokroky v oblasti mobility přinášejí do automatizačních strategií více os pohybu, může se jedinečnému výkonu a všestrannosti kuličkového spoje konečně dostat respektu, který si zaslouží.

 

(https://www.powertransmission.com)