Как снизить погрешности монтажа систем линейного перемещения

В данной статье описаны экономически наиболее целесообразные способы борьбы с данной проблемой

Погрешности, допускаемые при монтаже линейных подшипников, являются одной из основных причин досрочного выхода этих подшипников из строя. В данной статье описаны экономически наиболее целесообразные способы борьбы с данной проблемой.

Когда инженер-проектировщик пытается составить мнение о новом для себя линейном подшипнике, его первые вопросы всегда касаются таких важных эксплуатационных характеристик последнего, как скорость перемещения, грузоподъёмность, и ресурс. После этого инженер обычно интересуется ценой. И лишь затем, в редких случаях, задаётся вопрос о чувствительности подшипника к погрешностям монтажа. И это большая ошибка — уделять столь малое значение этим погрешностям, являющимся одной из основных причин повышенного износа и досрочного отказа линейных подшипников. Если при монтаже линейного подшипника не выдержать допуски на геометрические параметры монтажа, то линейный подшипник, ресурса которого при корректном монтаже могло бы хватить на годы, способен выйти из строя через всего лишь за пару месяцев. В большинстве случаев причиной проблем с выдерживанием упомянутых геометрических параметров становятся ошибки проектирования и/или обработки тех несущих поверхностей оборудования, к которым линейный подшипник планируется крепить при монтаже. Так, например, эти поверхности могут быть недостаточно плоскими, и/или недостаточно прямыми, и/или недостаточно взаимно параллельными для того, чтобы линейный подшипник мог быть установлен на этих поверхностях корректно. Или же у таких поверхностей могут иметься один или несколько выступов, которые будут мешать нормальному прилеганию к этим поверхностям смонтированных на них направляющих. Случается и такое, что соблюдение взаимной параллельности монтируемых на станине направляющих горизонтальной, вертикальной, или обеих этих осей затрудняется особенностями конструкции самой этой станины.

Независимо от типа допущенных при монтаже погрешностей, их следствием является неравномерность нагрузки элементов качения и дорожек качения подшипников — соответственно недопустимое увеличение нагрузок в точках контакта пар качения. Подобные неравномерности нагрузок зачастую проявляются в форме таких дефектов, как точечная коррозия. По характеру прогрессирования дефекта точечная коррозия напоминает яму на проезжей части автомобильной дороги: начинаясь с небольшого углубления, с проездом по ней всё большего количества машин яма непрерывно растёт; причём у линейного подшипника с каждым переездом каретки через такую возникшую на дорожке качения ямку не только увеличивается сама эта ямка, но и повреждаются «переезжающие» ямку элементы качения. Со временем, обычно ещё за некоторое время до катастрофического отказа поражённого точечной коррозией подшипника, шумность его работы увеличивается, а плавность хода — уменьшается.

Таким образом, сокращая срок службы линейных подшипников, погрешности их монтажа становятся источником существенных дополнительных затрат как для машиностроителя, так и для эксплуатационника. Для машиностроителя это выражается в увеличении расходов, связанных с выполнением его гарантийных обязательств, под которые подпадают случаи преждевременного отказа подшипников — и это даже не говоря о косвенных потерях, связанных с репутационным ущербом вследствие снижения качества выпускаемого оборудования. Эксплуатационникам же приходится мириться с затратами на приобретение и монтаж новых подшипников, а также с потерями от внепланового простоя оборудования. Чем нести все расходы, связанные с поломкой оборудования, гораздо предпочтительнее заблаговременно найти принципиальное решение для данной проблемы. Решать её можно двумя путями. Один из них, достаточно дорогой, и сложный в реализации, заключается в том, чтобы предусмотреть на этапе проектирования и изготовления оборудования целый комплекс мер для того, чтобы исключить возможность неправильного монтажа на это оборудование линейных подшипников. Другой же путь достаточно прост, и заключается в том, чтобы мириться с риском возникновения при монтаже линейных подшипников существенных погрешностей, и поэтому использовать линейные подшипники, конструктивно мало чувствительные к таким погрешностям. Оба этих пути имеют право на существование, при этом, однако, кардинально различаясь по своей затратности.

Линейные направляющие с системами рециркуляции шариков закономерно весьма востребованы в тех областях, где требуется обеспечивать высокую точность перемещений. При условии их корректной установки и надлежащего техобслуживания, такие линейные направляющие отвечают высочайшим требованиям по точности перемещения, предъявляемым к рабочим органам обрабатывающего и иного высокоточного промышленного оборудования. Топовые версии таких направляющих используются в конструкции осей, способных выполнять перемещения с повторяемостью и точностью порядка микрона.

Однако технические решения, обеспечивающие подобный класс точности, не получается сделать дешёвыми. Монтажные поверхности, к которым крепятся направляющие подобных систем перемещения, должны быть практически идеальными, и требуют при изготовлении многоэтапной механической обработки, и тем самым существенно удорожают оборудование. Так, например, допуски на геометрические отклонения от прямолинейности, плоскостности и взаимной параллельности монтажных поверхностей, предназначенных под монтаж некоторых типов сверхвысокоточных направляющих, составляют несколько сотых миллиметров.
В подобных случаях процесс борьбы с нежелательными погрешностями при монтаже направляющих на оборудование начинается ещё при нахождении этого оборудования на чертёжной доске. Инженерам-проектировщикам зачастую приходится использовать станины из специальных дорогостоящих материалов, а также предусматривать сложную механическую обработку монтажных поверхностей, без которой не удалось бы придать последним необходимую прямолинейность, плоскостность и взаимную параллельность. Как правило, такая механическая обработка включает в себя необходимые для «попадания» в нужные геометрические допуски операции точного шлифования и доводки, при том, что стоимость подобных операций с увеличением длины линейной оси растёт по экспоненте.

А ведь ещё необходимо учитывать и тот факт, что отклонения в геометрических параметрах установки направляющих могут возникать и после их монтажа на несущие поверхности - под воздействием рабочей нагрузки. Соответственно, сверхвысокоточные направляющие могут потребовать от инженеров-проектировщиков дополнительного усиления элементов станины, с тем, чтобы обеспечить достаточную, соответственно исключающую опасность прогиба под нагрузкой, механическую жёсткость монтажных поверхностей.

Борьба с погрешностями продолжается и, собственно, в процессе монтажа направляющих. Точное выставление линейных направляющих по положению зачастую предполагает выверку каждого миллиметра их длины, производимую с использованием сложного специализированного инструментария - зажимных приспособлений, сложных винтовых регуляторов, и проставок. Хотя процесс такой установки и хорошо освоен многими машиностроителями, он, тем не менее, и затрачивает время, и дорог. Причём затратность этого процесса, как и механической обработки монтажных поверхностей, растёт с увеличением длины оси.

Второй путь борьбы с погрешностями монтажа сводится к тому, чтобы смириться с тем, что погрешности случаются, и исключить негативные последствия таких погрешностей за счёт применения линейных подшипников со встроенной функцией самоустановки — иными словами, автоматической компенсации таких погрешностей. Для таких целей обычно используются линейные подшипники с крупноразмерными элементами качения, а также с направляющими, форма профиля которых выбрана такой, чтобы оставлять элементам качения определённую свободу смещения и/или поворота. В таких направляющих также используются простые механизмы регулировки преднатяга, позволяющие обеспечить равную нагрузку всех элементов качения.
Отличным примером подобных направляющих, малочувствительных к погрешностям монтажа, могут служить изделия серии «COMPACT» производства компании «PUSH PULL». Ролики этих направляющих имеют достаточно свободы поворота и бокового смещения относительно дорожек качения с тем, чтобы за счёт этого автоматически компенсировать даже существенные допущенные при монтаже смещения по всем осям. И если у сверхвысокоточных направляющих допуски на погрешности монтажа измеряются в угловых минутах и микронах, то у изделий серии «COMPACT» они измеряются в градусах и миллиметрах.

Так, например, комбинация направляющих «LR+LUR» серии «COMPACT» способна автоматически компенсировать подобные погрешности монтажа, достигающие 3,9 мм на длине направляющей, составляющей 3600 мм. Благодаря крупному размеру элементов качения, подобные направляющие мало чувствительны и к локальным нерегулярностям монтажа, вызванным, например, имеющимися на монтажных поверхностях локальными выступами, или же попросту небрежностью монтажного персонала.

С точки зрения машиностроителя, подобные самоустанавливающиеся направляющие предоставляют ему бὀльшую свободу проектирования, и позволяют уменьшить затраты. С уменьшением строгости требований, предъявляемых к качеству монтажных поверхностей под установку линейных подшипников, упрощается процесс проектирования оборудования, и появляется возможность использовать как менее дорогостоящие материалы станин, так и менее затратные технологии для изготовления последних. Так, например, направляющие «COMPACT», бывало, успешно крепили к листовому металлу — к поверхностям, которые обычно не подходят даже для монтажа обычных, невысокоточных, линейных направляющих. Встроенная в направляющие функция автоматической компенсации также позволяет отказаться и от дорогостоящих операций шлифовки монтажных поверхностей, и от сложных процедур точного выставления направляющих по положению при монтаже.

Если начинать сравнивать оба пути борьбы с погрешностями монтажа — путь недопущения и путь компенсации, то, прежде всего, надо учитывать, что у каждого из этих путей есть право на существование. Так, существуют линейные оси, для которых действительно критичны и максимальная точность, и максимальная механическая жёсткость, но которые способны обеспечивать лишь незначительно меньшую точность, и для которых вполне достаточно направляющих с функцией автоматической компенсации неидеальности монтажных поверхностей. В этих случаях не получится сэкономить ни на усилении станины, ни на шлифовке монтажных поверхностей, ни на обстоятельности монтажа. Очевидно, что технические решения второго типа будут отличаться существенно меньшей стоимостью.

Зачастую машиностроители забывают о том, что оба этих подхода являются не взаимоисключающими, а взаимодополняющими. Нередко в конструкции одного и того же станка присутствуют различные оси с различными требованиями по точности перемещений. Рассмотрим для примера металлорежущий станок. Для шпинделя ему потребуется максимально точная — и, соответственно, дорогая — система линейного перемещения, тогда как при проектировании механизма смены инструмента и раздвижной дверцы можно обойтись более простыми техническими решениями. При этом на практике нередко случается, что высокоточный подшипник, реально требующийся только одной из систем станка, далее унифицировано используется на том же станке и для практически всех остальных нужд, тем самым неоправданно удорожая станок.

Оптимальным подходом является осуществлять подбор подходящего линейного подшипника индивидуально, исходя из технических требований каждой конкретной оси. При этом во всех случаях, когда точность самоустанавливающегося линейного подшипника в принципе достаточна для конкретной оси, применение именно такого подшипника позволит сэкономить средства.
Системы «COMPACT» от «PUSH PULL» имеют конструкцию, делающую их малочувствительными к погрешностям монтажа: геометрия их направляющих позволяет им автоматически компенсировать допущенные при монтаже смещения по одной или двум осям.

За счёт совместного использования направляющих типов «LR» и «LUR» от «PUSH PULL» машиностроители могут решить проблемы, связанные с непараллельностью направляющих в горизонтальной плоскости. Направляющие типа «LUR» имеют плоские дорожки качения, дающие ролику достаточно свободы для поперечного смещения, за счёт которой реализована возможность компенсации существенной (см. в таблице) взаимной непараллельности в паре направляющих.