Направляющая каретка HIWIN должна иметь минимальный предварительный натяг, обеспечивающий необходимую жесткость и стабильность при смене направления нагрузки в реальных условиях эксплуатации. Увеличение предварительного натяга уменьшает внутренний зазор и повышает контактную жесткость, но также увеличивает сопротивление движению и чувствительность к ошибкам монтажа. Поэтому выбор более высокого класса предварительного натяга должен быть обоснован расчетами нагрузки, деформации и привода; сам по себе он не повышает точность позиционирования.

В первую очередь необходимо выбрать серию направляющих. Коды предварительного натяга, доступные классы и их соотношение с базовой динамической грузоподъемностью определяются выбранной серией и редакцией каталога. Код, взятый из описания другой серии направляющих, не позволяет однозначно определить требуемый предварительный натяг.

Как различать классы предварительного натяга и классы точности

Предварительный натяг создает внутреннюю контактную нагрузку между телами качения и дорожками до приложения внешней рабочей нагрузки. В шариковых направляющих с циркуляцией шариков его обычно задают путем подбора шариков с контролируемыми размерами. Возникающая при этом упругая деформация устраняет зазор и меняет зависимость деформации направляющей от нагрузки.

Для шариковых направляющих HIWIN серии HG используются, в частности, обозначения Z0 для очень легкого, ZA для среднего и ZB для тяжелого предварительного натяга. В других сериях предусмотрены иные варианты или определения. Для установления заданного диапазона предварительного натяга и базовой грузоподъемности используйте таблицу для соответствующей серии, а не рассматривайте эти обозначения как универсальную шкалу.

Класс точности и класс предварительного натяга характеризуют разные свойства. Классы точности определяют заданные геометрические допуски, например параллельность движения и отклонения размеров. Предварительный натяг определяет состояние контакта и жесткость. Каретка с высоким предварительным натягом, установленная на геометрически неточную конструкцию, все равно будет повторять ее погрешности.

В каких случаях дополнительный предварительный натяг повышает точность

Предварительный натяг полезен, когда изменение силы вызывает измеримое перемещение в рабочей точке. Во время резания, прессования или разгона на каретку действуют силы и моменты, которые упруго деформируют контакты. Увеличение предварительного натяга повышает жесткость в соответствующем рабочем диапазоне и уменьшает перемещение при заданном изменении нагрузки.

Для предварительной оценки можно использовать соотношение перемещение ≈ изменение силы / эффективная жесткость. При определении эффективной жесткости необходимо учитывать контакты направляющей, крепление рельса, монтажную плиту каретки, основание станка и другие податливые элементы. Если монтажная плита значительно изгибается, увеличение предварительного натяга каретки даст лишь ограниченное улучшение в зоне инструмента или детали.

Моменты требуют отдельного рассмотрения. Нагрузка с эксцентриситетом создает неодинаковые реакции на каретках, даже если суммарная нагрузка невелика. Расстояние между рельсами и каретками, а также расстояние от плоскости направляющих до рабочей точки могут сильнее влиять на деформацию, чем изменение класса предварительного натяга. Рассчитывайте нагрузки на отдельные каретки, а не делите общую силу поровну на число блоков.

Предварительный натяг также влияет на поведение системы при смене направления нагрузки. По мере увеличения внешней нагрузки контактные силы перераспределяются; контакты, воспринимающие нагрузку в противоположном направлении, могут полностью разгрузиться. В результате жесткость меняется, поэтому одно постоянное значение жесткости не описывает все режимы нагрузки. Графики зависимости нагрузки от деформации в каталоге информативнее общего утверждения о том, что определенный класс «обеспечивает жесткость».

Положение энкодера не позволяет оценить все эти эффекты. Энкодер двигателя измеряет движение до деформации винта и податливости конструкции. Даже линейная шкала измеряет перемещение в месте своей установки, которое может отличаться от перемещения смещенной рабочей точки. Сравнивайте варианты предварительного натяга по месту, где точность действительно важна.

Трение, усилие привода и температурный дрейф

Более высокий предварительный натяг увеличивает внутренние контактные силы и, как правило, повышает сопротивление, обусловленное контактами качения. Общее сопротивление каретки также зависит от уплотнений, перемещения смазки и работы механизма циркуляции шариков. При малых нагрузках сопротивление уплотнений может составлять значительную долю измеренного усилия, поэтому различия, связанные с предварительным натягом, могут быть менее заметны, чем ожидалось.

Усилие срыва с места и усилие установившегося движения следует измерять отдельно. Каретка может двигаться плавно на производственной скорости, но при этом нестабильно вести себя при медленном подводе или многократной смене направления. На результаты могут влиять состояние смазки, контакт уплотнений и напряжения, возникшие при монтаже, поэтому повышенное усилие при начале движения само по себе не свидетельствует об избыточном предварительном натяге.

При расчете привода учитывайте сопротивление направляющих наряду с усилием технологического процесса, усилием разгона, потерями в передаче и другими механическими нагрузками. Для оси с винтовым приводом преобразуйте требуемое осевое усилие в крутящий момент двигателя с учетом шага винта и КПД передачи. Предусмотрите достаточный запас на разгон и изменения, связанные с температурой, а не рассчитывайте привод только по сопротивлению движения без нагрузки.

При повышении сопротивления и скорости перемещения увеличивается тепловыделение от трения; рассеиваемая механическая мощность приблизительно равна произведению силы на скорость. Повышение температуры зависит от рабочего цикла и отвода тепла. Неравномерный нагрев может деформировать несущую конструкцию или сместить рабочую точку, сведя на нет уменьшение упругой деформации, достигнутое за счет дополнительного предварительного натяга.

Ошибки монтажа могут создавать впечатление избыточного предварительного натяга

Параллельность рельсов, плоскостность монтажных поверхностей и относительная высота парных рельсов влияют на контактную нагрузку после установки. Жесткая кареточная сборка, перемещающаяся по несоосным рельсам, испытывает дополнительную внутреннюю нагрузку сверх заданного предварительного натяга. Это может привести к повышенному току привода, локальному сопротивлению движению и преждевременному повреждению дорожек качения.

Повышение предварительного натяга уменьшает допустимый уровень этих погрешностей. Для направляющей с высоким предварительным натягом нужны монтажные поверхности и точность выверки, соответствующие ее серии, типоразмеру и классу точности. Затяжка болтов не позволяет надежно исправить геометрию деформированного посадочного места; она может передать деформацию рельсу.

Соблюдайте заданные базовые поверхности и последовательность затяжки. Если конструкция станка допускает, измерьте сопротивление движению каретки по всей длине хода до установки компонентов, создающих дополнительное ограничение. Повторите измерение после установки второго рельса, соединения монтажной плиты кареток и подключения привода. Заметное увеличение сопротивления после одного из этапов сборки поможет определить источник нежелательной нагрузки.

Сопротивление, возрастающее на отдельных участках хода, указывает на возможную локальную ошибку выверки, загрязнение, повреждение рельса или деформацию крепления. Равномерно повышенное сопротивление требует проверки других причин, включая уплотнения, смазку или выбор предварительного натяга. Такие закономерности помогают в диагностике, но требуют подтверждения осмотром и измерениями.

Предварительный натяг не заменяет грузоподъемность или смазку

Предварительный натяг использует часть допустимой нагрузки контактной системы. Он не повышает указанную базовую динамическую или статическую грузоподъемность. Ресурс усталостной долговечности необходимо оценивать по методике для выбранной направляющей с учетом предварительного натяга, внешних нагрузок, моментов и условий эксплуатации. Одной лишь повышенной жесткости недостаточно, чтобы утверждать, что срок службы увеличится.

Смазка должна соответствовать скорости, температуре, длине хода и рабочему циклу. Избыток смазки может увеличить сопротивление при первоначальной приработке, а недостаток смазки усиливает повреждающее взаимодействие контактов. Для коротких ходов требуется особое внимание, поскольку распределение смазки и циркуляция тел качения отличаются от условий при длинных перемещениях.

В спецификациях радиальных подшипников качения используется другая система классификации. Например, радиальный шариковый подшипник SKF 6313-Z указан с диаметром отверстия 65 mm, наружным диаметром 140 mm и шириной 33 mm. Варианты его радиального зазора описывают состояние радиального подшипника; их нельзя напрямую соотнести с кодами предварительного натяга направляющих HIWIN. В обоих компонентах происходит упругий контакт качения, но термины их спецификаций не взаимозаменяемы.

Сравнение вариантов предварительного натяга на собранной оси

Начните с допустимой деформации в рабочей точке и наиболее неблагоприятного сочетания сил и моментов. Отделите геометрическую погрешность перемещения от перемещения под нагрузкой. Затем сравните возможные классы предварительного натяга, используя данные о жесткости и допуски монтажа для выбранной серии.

Проверка должна воспроизводить условия, в которых различия между вариантами проявляются наиболее отчетливо: медленное движение с частыми сменами направления для проверки стабильности позиционирования, характерные технологические нагрузки для измерения деформации и длительное перемещение для оценки температурного поведения. Регистрируйте усилие движения или ток привода в зависимости от положения, а также перемещение в рабочей точке и температуру. При сравнении сохраняйте одинаковыми смазку, уплотнения, скорость и условия сборки.

Более высокий класс оправдан, если измеренное уменьшение перемещения под нагрузкой необходимо, а сопротивление движению и температурная стабильность собранной оси остаются приемлемыми. Если изменение предварительного натяга почти не влияет на перемещение в рабочей точке, прежде чем увеличивать его снова, проверьте податливость конструкции, расстояние между направляющими или схему измерений.