Как снизить погрешности монтажа систем линейного перемещения?

Особенности разработки проекта

Функционально линейный подшипник обеспечивает перемещение узла вдоль направляющей, сокращая интенсивность трения и обеспечивая плавное скольжение сопрягаемых элементов. При разработке проекта новой модели, инженер-проектировщик в первую очередь исходит из основных технических характеристик этого устройства – скорости движения, предельной нагрузки, нормативного срока службы. Следующий по приоритетности фактор – стоимость производства. И лишь после этого, но далеко не всегда, учитывают влияние погрешностей монтажа на эксплуатационный ресурс механизма.

Проблема в том, что малейшие неточности при установке могут существенно увеличить интенсивность износа, что приводит к преждевременному выходу из строя линейного подшипника.

Если выполнить монтаж с отступлением от регламентных условий по компоновке или взаимному расположению деталей, комплектующие, которые при соблюдении предусмотренных требований проработали бы несколько лет, разрушаются всего за два месяца или даже раньше. Чаще всего причины неправильной установки с нарушением заданных геометрических параметров вызваны просчетами в ходе разработки проектного решения или вследствие недостаточно качественной обработки посадочного места, на которое устанавливают линейные подшипники, направляющих этих узлов.

К примеру, в связи с отклонениями от необходимой шероховатости поверхности не обеспечивается плотное прилегание. Иногда сложное конструктивное устройство станины не позволяет добиться параллельного расположения горизонтальных или вертикальных осей монтируемого оборудования.

Вне зависимости от причин и характера следствием допущенных ошибок становится неравномерное распределение нагрузки, что приводит к интенсивной выработке тел качения, рабочих дорожек. Проблемы усугубляются возникновением очагов точечной коррозии. Эти повреждения можно сравнить с выбоинами на асфальте дорожного покрытия. Чем большее количество транспорта проезжает через такую яму, тем значительнее увеличиваются ее размеры. Применительно к линейному подшипнику: в дополнение к росту размера рытвины повреждаются тела качения, «проезжающие» через проблемное место.

Как правило, за некоторое время до того, как последствия точечной коррозии станут заметны визуально, существенно возрастает уровень шума при работе подшипникового узла, работа которого становится недостаточно плавной. Это позволяет своевременно диагностировать неисправность.

Учитывая изложенные обстоятельства, погрешности установки линейных подшипников вызывают дополнительные расходы как в производстве, так и эксплуатационные. Машиностроителям приходится изыскивать средства на исполнение гарантийных обязательств вследствие преждевременного выхода оборудования из строя. Также не стоит недооценивать ущерб для репутации ввиду снижения качества выпускаемых комплектующих.

Организации, эксплуатирующие эти механизмы, вынуждены покупать и монтировать новые подшипники вместо пришедших в негодность. Также экономические потери обусловлены аварийными простоями технологического оборудования для устранения непредвиденных поломок.

Способы предупреждения погрешностей монтажа

Чтобы исключить внеплановые расходы, стоит принципиально решить вопрос предупреждения ошибок монтажа линейных подшипников. Этой цели можно добиться двумя способами:

• дорогим и сложным в реализации – при проектировании и производстве предпринять дополнительные меры, исключающие ошибки при монтаже;
• метод попроще – смириться с наличием монтажных погрешностей, применяя исполнения линейных подшипников, которые в этих условиях обеспечат надежную эксплуатацию.

Оба из перечисленных вариантов можно использовать, несмотря на существенную разницу в затратах на воплощение этих принципов в действительность.

Метод со сложным и дорогим подходом

Применение линейных направляющих с шариковыми телами качения актуально в ситуациях, когда перемещения должны осуществляться с высокой точностью. Если правильно смонтировать данные рециркуляционные системы и соблюдать регламентные правила технического обслуживания, эти узлы можно успешно применять на высокоточных производственных установках. В топовых исполнениях указанных устройств фактическое значение погрешности при многократно повторяемых перемещениях рабочих органов составляет не более микрона.

Сложность в том, что производство настолько высокоточного оборудования обходится очень дорого. Предъявляются жесткие требования к качеству монтажных поверхностей, реализация которых достигается сложной механической обработкой деталей, проводимой в несколько этапов. Это существенно увеличивает производственные расходы при выпуске оборудования. Так, к примеру, минимально допустимое отклонение от прямолинейности некоторых высокоточных механизмов составляет сотые доли миллиметра.

При конструировании и производстве подобных узлов меры по предупреждению нежелательных отклонений предпринимают еще на этапе разработки проектного решения. Разработчики закладывают в конструкцию специальные дорогостоящие материалы, предусматривают необходимость многоступенчатой механической обработки посадочных мест для обеспечения должной прямолинейности, чистоты поверхностей, взаимной параллельности элементов. Без этих мер добиться соответствия необходимым критериям можно далеко не всегда.

Чтобы размеры узлов соответствовали заданному, при этом достаточно узкому полю допуска, детали тщательно шлифуют и доводят. По мере увеличения длины обрабатываемого участка экспоненциально возрастают производственные затраты.

К перечисленному стоит добавить, что даже при правильном проектировании направляющих геометрические параметры могут нарушиться под влиянием эксплуатационных нагрузок. Чтобы предусмотреть необходимый запас прочности, станину дополнительно усиливают. Это необходимо для предупреждения прогиба, обеспечения механической жесткости монтажных узлов.

Меры по нивелированию отклонений продолжают принимать непосредственно в процессе монтажа. Важно точно выставить линейные подшипники, убедившись в правильности положения направляющих по всей длине. Для этого выверяют каждый миллиметр, используя сложный специализированный инструмент – зажимы, винтовые регуляторы, проставки. Несмотря на отлаженность такого технологического производственного процесса, точная отладка занимает значительное время и обходится довольно дорого.

Расходы монтажа, как и механической обработки, возрастают по мере увеличения длины направляющих.

Простая и дешевая методика

Альтернативный способ предупреждения монтажных погрешностей состоит в том, что разработчики игнорируют факт наличия таких отклонений. Конструкторы принимают меры для минимизации негативных последствий нарушения геометрических параметров.

Разрабатывают и выпускают линейные подшипники, функционал которых включает самоустановку – автоматическую компенсацию погрешностей. Минимизировать риски можно за счет увеличения размеров тел качения или применения конфигурации профиля направляющих, допускающего некоторое смещение и/или разворот без опасности повышенного износа деталей. В конструкции таких узлов задействован простой механизм по регулированию преднатяга, при котором нагрузка на шарики или ролики прикладывается равномерно.

Пример подобного удачного решения с низкой чувствительностью к неточностям установки – комплектующие серии «Compact», производимые компанией «Push Pull». У роликов на направляющих данного устройства достаточная свобода в отклонениях от траектории дорожек качения по повороту или боковому смещению. Это позволяет нивелировать последствия даже ощутимого нарушения геометрических характеристик в любой из осей. И если при выпуске оборудования с высокоточными линейными подшипниками значение поля допуска меряют угловыми минутами или микронами, то для изделий серии «Compact» допустимая точность определения этих значений отличается на порядки, составляя градусы и миллиметры.

К примеру, при использовании комбинированных направляющих «LR+LUR» из указанной категории продукции предусмотрена возможность автоматического компенсирования отклонений в пределах 3,9 мм для длины направляющей до 3,6 м. Вследствие больших размеров тел качения указанные устройства отличаются низкой чувствительностью к местным нарушениям геометрических параметров монтажа, вызванных локальными дефектами обработки поверхностей или неточными действиями монтажников.

Машиностроителям легче проектировать и производить самоустанавливающиеся линейные подшипники, поскольку за счет большей свободы движений можно сократить накладные расходы производственного процесса. Учитывая снижение жесткости требований к качеству монтажных поверхностей, производитель может уменьшить трудоемкость и продолжительность операций по механической обработке. Проектировщики могут заложить в конструкцию материалы по меньшей стоимости, в том числе и на производство станин.

Это наглядно видно на конкретном примере. В некоторых случаях направляющие «Compact» успешно крепят на листовой металл. А в таких условиях обычно невозможно эксплуатировать даже обычные механизмы, к которым не предъявляются повышенные требования по точности размеров и положению.

Кроме отмены дорогостоящих и технически сложных операций по мехобработке для самоустанавливающихся подшипников значительно увеличивается допустимое отклонение по итогам монтажа.

Какой из методов лучше?

Сравнивая оба указанных метода по предупреждению погрешностей на этапе проектирования и производства или исключению неблагоприятных последствий монтажных ошибок вследствие конструктивных особенностей оборудования, важно учитывать, что применять можно каждый из этих способов. Выбор зависит от того, о какой линейной оси идет речь.

В некоторых случаях важно добиться максимальной точности, минимизировав погрешность, для исключения малейшего отклонения от прямолинейности, обеспечить необходимую жесткость монтажной поверхности. В данных установках не получится сократить трудоемкость производства станины за счет экономии на качестве материала или механической обработки, смягчении ограничений по точности монтажа оборудования.

Но в других условиях требования менее жесткие, что позволяет использовать самоустанавливающиеся линейные подшипники. Ясно, что во втором случае расходы на производство, сборку и эксплуатацию оборудования окажутся намного ниже как для машиностроителей, так и эксплуатирующих организаций.

В любой ситуации, если сохраняется возможность использования самоустанавливающегося линейного подшипника там, где требования по допустимой погрешности мягче, этим необходимо воспользоваться. Такой подход существенно снижает итоговую стоимость оборудования.

Не всегда при проектировании механизмов с линейными подшипниками конструкторы помнят о возможности сочетания указанных принципов. Нередко в одном устройстве можно увидеть оси, для которых требования по условиям монтажа кардинально отличаются. Но разработчики не используют возможность сокращения цены оборудования за счет варьирования сложностью применяемых систем.

Подобную ситуацию удобнее проанализировать на примере металлорежущего станка. Шпиндель этого оборудования необходимо проектировать с учетом применения высокоточной линейной системы, которая обходится достаточно дорого. Но и жесткостью требований пренебрегать нельзя, поскольку это неизбежно отрицательно скажется на качестве работы станка.

При этом узлы по смене рабочих органов или другие вспомогательные механизмы не требуют повышенной точности, что допускает применение менее затратных и относительно простых технических решений. Это позволяет избежать ненужных расходов там, где жесткий допуск по геометрическим размерам и позиции элементов избыточен.

Рассматривая фактическое положение дел, можно отметить, что такой принцип соблюдают не всегда. Часто отмечается противоположный подход, когда высокоточные подшипники проектируют и применяют на всех узлах, включая те из них, для которых можно использовать менее дорогостоящие исполнения. В этом случае себестоимость выпуска и эксплуатации данного станка неоправданно возрастает.

Чтобы сократить затраты на проектирование, производство и эксплуатацию оборудования с линейными подшипниками, к выбору конструкции каждого узла стоит подходить избирательно. И если сохраняется возможность применения самоустанавливающихся комплектующих там, где жесткость требований минимальна, это условие нужно закладывать в проект.

Конструкция систем «Compact» компании «Push Pull» позволяет снизить чувствительность узлов к ошибкам в ходе монтажа: монтажные смещения в одной или двух осях нивелируются в автоматическом порядке за счет особенностей геометрии направляющих.

Совместное применение линейных подшипников «LR» и «LUR» - удобная возможность для машиностроителей исключить проблемы, вызванные нарушениями параллельности осей по горизонтали. В направляющих «LUR» ролики перемещаются по плоским дорожкам, при которых сохраняется большой допуск на поперечное смещение. Таким способом можно компенсировать значительные отклонения от проектной конфигурации узлов по условиям взаимного положения монтажных поверхностей.