Линейные направляющие. Базовые сведения.

Линейные направляющие. Базовые сведения.

Использование систем линейного перемещения

Система линейного перемещения – один из важнейших элементов механизмов и машин, позволяющий их узлам осуществлять прямолинейные перемещения. Очень часто она играет роль суппорта машины. Обычно все системы линейных перемещений (далее для простоты будем называть их «линейными направляющими») закрыты грязезащитными кожухами, и поэтому мы редко видим их в повседневной жизни. Однако, несмотря на это, данные системы используются практически во всех отраслях промышленности, таких как электроника, производство медицинского оборудования, строительство, автомобилестроение, военная, химическая и т.д. Таким образом, линейные направляющие стали важнейшим и необходимым компонентом множества современных устройств и механизмов. На рисунке (увеличить) приведен пример устройства, в котором используются несколько различных типов линейных направляющих. Существует множество типов линейных направляющих, поэтому одна из задач конструктора – выбрать наиболее подходящее инженерное решение для конкретной задачи. Это может быть как набор отдельных компонентов, из которых впоследствии будет собран разрабатываемый узел, так и почти законченные одно- или многокоординатные системы, приобретение которых позволяет значительно сократить время монтажа и снизить вероятность ошибок.

История происхождения линейных направляющих.

Считается, что люди впервые использовали для перемещения тяжелых грузов качение вместо скольжения еще во времена расцвета Египта – при строительстве пирамид. Под огромные камни подкладывались круглые бревна, облегчая таким образом задачу транспортировки (увеличить рисунок). Однако, несмотря на столь раннее осознание преимуществ трения качения перед трением скольжения, массовое применение линейные подшипники получили лишь к середине 20-го века, когда в 1946 году американская компания Thomson развернула крупномасштабное коммерческое производство линейных шариковых втулок.

Основой для линейных направляющих в том виде, под которым мы чаще всего понимаем этот термин сейчас, послужил патент, выданный во Франции в 1932 году. И хотя данный патент содержал описание всех базовых принципов функционирования линейных направляющих, прошло несколько десятилетий, прежде чем такие направляющие получили коммерческое применение. Среди них были созданы и успешно использовались в машинах шарико-винтовые передачи (ШВП), множество типов шариковых втулок (в том числе и открытых) и шлицевые валы с шариковыми втулками. Вместе с тем, шел непрекращающийся процесс усовершенствования уже существующих компонентов систем линейных перемещений.

В 60-е годы было принято считать, что шариковые линейные втулки вполне подходят для решения абсолютно всех задач, связанных с линейными перемещениями. Однако, в 1971 малоизвестная на тот момент компания THK (ранее Toho Seiko, основанная бывшим президентом Thomson Japan Hiroshi Teramachi), представила новое техническое решение – шлицевой вал с шариковой втулкой. Такой тип направляющей обеспечивал точность и плавность перемещений, не обладая при этом минусами обычных линейных шариковых втулок (малая жесткость, наличие зазоров и люфтов). Идея была проста (хотя с технологической стороны проблема была весьма нетривиальна): направляющие стержни снабжались продольными канавками, позволяющими заменить точечный контакт шариков и вала на радиальный контакт, что, в свою очередь, повлекло за собой повышение грузоподъемности в 13 раз!

В 1972 году THK модифицировала свою разработку и представила ее логическое развитие – линейные направляющие типа LSR. Основное отличие от шлицевой направляющей, как видно на рисунке, наличие опоры по всей длине вала, что позволило избавиться от прогиба направляющих стержней при больших длинах и высоких нагрузках.

1973 год был ознаменован выпуском направляющих типа NSR-BC, в которых скрепленные вал и опора были заменены одним конструктивным элементом. Этот продукт – первый, который можно охарактеризовать современным термином «профильная рельсовая линейная направляющая».

К 1981 году, когда THK, к тому времени уже признанный лидер в области разработки и производства рельсовых направляющих с линейными подшипниками, выпустила линейные направляющие типа HSR, способные нести одинаковые нагрузки в четырех направлениях, перспективность данного направления стала очевидной. Такие компании как NSK, IKO, NB (Nippon Bearings Co., Ltd.), STAR (ныне Bosch Rexroth), Schneeberger, запустили собственные проекты по разработке компонентов систем линейного перемещения и, запатентовав ряд технологий, в последующие несколько лет вышли на этот рынок со своими продуктами.

Последующие полтора десятилетия в плане технологий на данном рынке царило относительное затишье. Различные компании регулярно выпускали модификации линейных подшипников, в 1989 году основаны китайская Hiwin и корейская SBC Linear, но в действительности за все это время ничего революционного предложено не было. Ряд шариковых профильных направляющих был дополнен роликовыми направляющими, обладающими большими жесткостью и грузоподъемностью.

Следующее действительно инновационное решение в области линейных перемещений было предложено все той же THK в 1996 году. Потребовалось 10 лет от идеи до ее воплощения, чтобы начать массовое производство нового типа линейных подшипников – профильных рельсовых направляющих с сепараторной технологией (Ball Cage). Как показано на рисунке, шарики помещены в специальный сепаратор, препятствующий их соударению в процессе работы. Сепаратор имеет также и вторую функцию – в специальных карманах, разделяющих элементы качения, содержится смазка. В результате, сепараторные линейные подшипники в нормальных условиях могут функционировать без обслуживания значительно более продолжительное время, чем обычные линейные направляющие.

Многие компании быстро среагировали, выпустив на рынок похожие продукты. Однако ТНК снова опередила всех, выпустив уникальные сепараторные версии шарико-винтовых передач. До сих пор эта японская компания занимает лидирующее положение на мировом рынке разработки и производства технологий линейных перемещений.