Согласование рельса и ШВП ШВП vs ремень Точность позиционирования Подбор по массе и ходу К полному оглавлению Согласование типоразмера профильного рельса с диаметром ШВП Типоразмер рельса (HIWIN HG)Ширина рельса, ммРекомендуемый диаметр ШВП, ммТиповой шаг ШВП, ммНазначение оси HGR151512, 162, 4, 5, 10Z-ось малых модулей, малые приспособления HGR202016, 205, 10Z-ось, лёгкая Y-ось мелких порталов HGR252320, 255, 10, 20Y-ось средних манипуляторов, X-ось мини-порталов HGR302825, 3210, 20X- и Y-ось среднеразмерных порталов HGR353432, 4010, 20, 32X-ось крупных порталов, тяжёлая Y-ось HGR454540, 5016, 20, 32, 40X-ось тяжёлых портальных систем HGR555350, 6320, 32, 40Магистральные оси сверхтяжёлых порталов HGR656363, 8032, 40Сверхтяжёлые промышленные порталы Диаметры ШВП приведены по стандартному ряду ISO (6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100 мм). Финальный выбор уточняется расчётом по критической частоте, осевой нагрузке и сопротивлению продольному изгибу. Сравнение ШВП и ременной передачи для линейной оси портала ПараметрРельс + ШВПРельс + зубчатый ремень Точность позиционирования±5…±50 мкм (классы C3–C7 ISO 3408)±50…±200 мкм без обратной связи; ±20…±50 мкм с линейкой Максимальная скорость0,5–2 м/с (ограничение по критической частоте)3–10 м/с Максимальный ходДо 6 м одной шестигранной заготовкойПрактически без ограничений (10 м и более) ЖёсткостьВысокая (стальной винт)Средняя (упругость ленты ремня) Запаздывание (backlash)≤ единиц мкм при преднагрузке≤ 0,05…0,15 мм типично Поглощение энергииНизкое (риск перегрузки)Высокое — ремень амортизирует удары ШумНизкийСредний (зубчатое зацепление) Чувствительность к запылениюВысокая (нужна защита гофрой)Низкая Гибридные решения: ШВП на критичной по точности оси Y/Z и ременная передача на длинной X-оси — распространённый компромисс для крупных порталов. Точность позиционирования по ISO 3408-3 (классы прецизионных ШВП) Класс точностиДопуск шага на 300 мм, мкмПолный допуск на длине, мкмПрименение C0±3,5±3,5Прецизионные шлифовальные центры, метрологические станки C1±5±5Высокоточные обрабатывающие центры C3±8±12Типовые промышленные манипуляторы повышенной точности C5±18±23Среднеточные порталы, лазерная и плазменная резка C7±50±50Палетирующие и упаковочные манипуляторы C10±210±210Транспортные и низкоточные перемещения Точность готовой оси ограничена не только классом ШВП, но также жёсткостью каркаса, тепловой деформацией винта, классом точности рельса (C, H, P, SP, UP по HIWIN) и преднагрузкой кареток. Ориентировочный подбор оси по массе нагрузки и ходу Масса перемещаемой нагрузки, кгХод оси, ммТип приводаРекомендуемая конфигурация до 20до 1000ШВПРельс HGR15/20 + ШВП 16×5 или 20×5 20–801000–2000ШВПРельс HGR25/30 + ШВП 25×10 или 32×10 50–1502000–4000ШВП или ременьРельс HGR30/35 + ШВП 32×20 либо ремень AT10/HTD-8M 100–3004000–8000РеменьРельс HGR35/45 + ремень AT20/HTD-14M 300–10005000–15000Ремень или зубчатая рейкаРельс HGR45/55 + ремень AT20 / зубчатая рейка модуля 3–5 При ходе свыше 6 м применение ШВП требует промежуточных опор винта (steady rest) или замены на зубчатую рейку либо ремённую передачу. Содержание статьи Конструкция линейной оси портала Профильные рельсы: типоразмеры и классы преднагрузки Привод ШВП: расчёт критической частоты Привод зубчатым ремнём: профили и натяжение Нагрузки и динамика подвижного звена Подбор оси под массу и ход Вопросы и ответы Конструкция линейной оси портального манипулятора Линейная ось портального манипулятора объединяет четыре функциональные группы: направляющие (профильные рельсы с каретками), приводной механизм (ШВП либо зубчатый ремень), серводвигатель и подсистема обратной связи (энкодер, оптическая линейка). На портале для производства композитных деталей одновременно работают X-, Y- и Z-оси разной длины и нагрузки; выбор привода для каждой решается отдельно, исходя из точности, скорости, длины хода и динамики. Базовые элементы Подвижный узел опирается на 2 или 4 каретки, скользящие по двум параллельным рельсам через шарики или ролики. На критичных по точности порталах применяются рельсы с увеличенной шириной и удлинённой кареткой, повышающие момент инерции относительно осей опрокидывания. Привод размещается параллельно одному из рельсов; гайка ШВП или каретка ремённого блока крепится к подвижному узлу через жёсткое соединение либо демпфирующую муфту. Профильные рельсы: типоразмеры и преднагрузка Серия HIWIN HG (Heavy Load Ball Type) выпускается с шириной рельса 15, 20, 25, 30, 35, 45, 55 и 65 мм; габариты взаимозаменяемы с THK SSR, INA RUE и Bosch Rexroth R165. Точность направляющих — классы C, H, P, SP, UP (база — ISO 12090-1); для большинства промышленных порталов достаточно C или H. Преднагрузка кареток Три класса: Z0 (без преднагрузки, минимальное сопротивление, лёгкие задачи), ZA (лёгкая, 0,02 C — общее применение), ZB (средняя, 0,08 C — повышенная жёсткость для тяжёлых порталов). ZB снижает деформацию каретки в 2–3 раза, но увеличивает момент сопротивления на 50–100%. Правило подбора Суммарная статическая нагрузка не должна превышать 30–50 % статической грузоподъёмности C₀. Типовой ресурс кареток HIWIN HG — 50 000…100 000 км пробега при правильном подборе. Привод ШВП: расчёт критической частоты Шарико-винтовая передача (ШВП) преобразует вращение винта в линейное перемещение гайки через цепочку шариков. Основные параметры: диаметр винта d (мм), шаг резьбы P (мм), точность по ISO 3408-3 (классы C0–C10), класс преднагрузки гайки (P0, P1, P2). Для портальных осей характерны диаметры 16–50 мм и шаги 5–32 мм; стандартный ряд диаметров по ISO 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80 мм. Критическая частота вращения Предельная частота вращения ШВП ограничена критической скоростью «свистка» — резонансной частотой винта как балки. Превышение приводит к ударным вибрациям, шуму и быстрому разрушению опор. Формула для упрощённой оценки (опоры fixed–simple): Критическая частота вращения ШВП nкр = f × (dr / L²) × 107 об/мин, где dr — внутренний (корневой) диаметр винта, мм; L — длина неопертой части винта, мм; f — коэффициент опор (fixed–fixed 21,9; fixed–simple 15,1; simple–simple 9,7; fixed–free 3,4). Безопасная рабочая частота — не более 0,8 × nкр. Пример ШВП d = 32 мм, dr ≈ 27 мм, длина неопертой части L = 3000 мм, опоры fixed–simple (f = 15,1): nкр = 15,1 × (27 / 9 000 000) × 107 = 15,1 × 30 = 453 об/мин. Безопасная рабочая nраб ≤ 0,8 × 453 ≈ 362 об/мин. При шаге P = 10 мм линейная скорость 362 × 10 / 60 = 60 мм/с = 0,06 м/с. Для повышения скорости — переход на диаметр 40 мм либо установка промежуточной опоры посередине винта. Привод зубчатым ремнём Зубчатый ремень — основной выбор для длинных X-осей порталов, где требуется высокая скорость, а точность обеспечивается оптической линейкой. Применяются полиуретановые ремни со стальным кордом по ISO 5296 / DIN 7721 (профили T, AT, ATL) и ISO 13050 (HTD, GT3). Профили AT5, AT10, AT20 — трапецеидальный профиль с увеличенным основанием зуба, низкое запаздывание. AT10 — стандарт для манипуляторов средней нагрузки. HTD-5M, HTD-8M, HTD-14M — округлый профиль, высокая динамика, низкий шум. HTD-8M — в палетирующих манипуляторах. GT3 (PowerGrip GT3) — модернизация HTD, передача момента до +30% при той же ширине; применяется в высокоскоростных pick-and-place. Натяжение задаётся по частоте собственных колебаний (струнный метод) или по прогибу под нагрузкой; типовое значение — 1–3 % предельного по спецификации производителя. Недонатяжение даёт проскальзывание при разгоне, перенатяжение — преждевременный износ шкивов и опор. Нагрузки и динамика подвижного звена Расчёт линейной оси портала ведётся по трём типам нагрузок: статическим (вес узла и инструмента), динамическим (силы инерции при разгоне/торможении) и внешним (технологические — резание, прижим). Сила инерции Fи = m × a, где m — масса узла, a — заданное ускорение. Расчётный пример Подвижный узел m = 80 кг, a = 5 м/с². Fи = 80 × 5 = 400 Н. На Z-оси добавляется вес: Fп = 80 × 9,81 = 785 Н. Суммарная осевая нагрузка при подъёме с ускорением: F = 785 + 400 = 1185 Н. По этому значению проверяется допустимое осевое усилие гайки и сопротивление продольному изгибу винта. Приведённый к валу двигателя момент инерции = Jвинта + Jмассы, где Jm = m × (P / 2π)², P — шаг винта. На ходах свыше 3 м инерция винта может превышать инерцию нагрузки, что важно при выборе двигателя. Подбор линейной оси под массу и ход Базовая процедура подбора линейной оси: Определить требуемое ускорение и максимальную скорость по технологическим требованиям цикла. Выбрать тип привода: ШВП для точности ≤ ±50 мкм и хода до 4–6 м; ремень для скоростей >2 м/с и ходов свыше 5 м. По массе подвижного узла и плечу опрокидывания подобрать типоразмер рельса по таблице согласования (с учётом моментов опрокидывания ML, MP, MY). Для ШВП — рассчитать критическую частоту и сопротивление продольному изгибу; при необходимости увеличить диаметр или ввести промежуточную опору. Рассчитать ресурс кареток рельса (L10 по ISO 14728-1) и гайки ШВП (L10 по ISO 3408-5). Выбрать двигатель с моментом ≥ 1,5–2,0 × требуемого расчётного по динамике, с учётом КПД (ШВП 0,90–0,95; ремень 0,95–0,98). Связанные материалы каталога Подбор линейных осей и трансмиссионных элементов: Рельсы и каретки — основной каталог направляющих HIWIN — серия HG, EG, MG, QH ШВП — типоразмеры по ISO 3408 Ремни — клиновые и зубчатые приводные ремни Валы — приводные валы и переходники ШВП для сварочных манипуляторов Линейные двигатели против ШВП в задачах точного позиционирования ШВП THK для позиционирования в сварочных роботах THK: линейные направляющие, каретки, рельсы, подшипники, ШВП ШВП и линейные направляющие для станков ЧПУ Вопросы и ответы Когда ставить ШВП, а когда — ремень? ШВП выбирается при требовании точности ±5…±50 мкм и при ходе до 4–6 м. Ремень — при ходе свыше 5 м или скорости свыше 2 м/с, когда точность ±50…±200 мкм без обратной связи приемлема либо устанавливается оптическая линейка для прямой обратной связи по положению. Гибридные решения с ШВП на коротких осях и ремнём на длинной X-оси — стандарт для крупных композитных порталов. Как рассчитать допустимую длину ШВП? Длина ШВП ограничена двумя параметрами: критической частотой вращения (резонанс «свистка») и сопротивлением продольному изгибу под осевой сжимающей нагрузкой. Общее эмпирическое правило — L/d < 40 (длина не более 40 диаметров винта). При большей длине требуется промежуточная опора-«люнет» либо переход на больший диаметр. Какой класс точности ШВП достаточен для портала? Для манипуляторов выкладки армирующих волокон с точностью ±0,05…±0,1 мм достаточно класса C5 по ISO 3408-3. Для высокоточных установок (отрезка по программе с допуском ±0,02 мм) применяется C3. Класс C7 и ниже — для палетирующих и упаковочных операций. Какую преднагрузку каретки рельса выбрать для портала? Для лёгких порталов с массой подвижного узла до 30 кг достаточно класса Z0 (без преднагрузки) либо ZA (лёгкая). Для средних и тяжёлых порталов с массой свыше 50 кг и при наличии моментов опрокидывания — класс ZA или ZB. Класс ZB обязателен при ударных нагрузках, при работе с большим вылетом инструмента и при высокой точности позиционирования. Учитывайте, что ZB увеличивает момент сопротивления перемещению до двух раз. Как защитить ШВП и рельс от пыли композитного производства? Пыль от обрезки и шлифовки композитов (особенно углепластиков) абразивна и электропроводна. Обязательны защитные гофры или ленточные кожухи на ШВП, телескопические крышки на рельсах. Для зон интенсивной пыли HIWIN поставляет каретки с двойными уплотнениями (KK — top seal + scraper). Дополнительно — продув направляющих сжатым воздухом. Что такое запаздывание (backlash) ШВП и как его устранить? Запаздывание — это люфт между винтом и гайкой ШВП при смене направления вращения. На стандартной непреднагруженной ШВП запаздывание составляет 0,02–0,1 мм. Для его устранения применяется преднагрузка гайки: распирающая пружинная (для лёгких задач), двойная гайка с распором (для средних), сборная гайка с увеличенным диаметром шариков (для высокоточных). Преднагруженная ШВП имеет запаздывание единиц микрометров, но повышенный момент сопротивления и пониженный ресурс при больших нагрузках. Можно ли заменить ШВП ремнём в существующем портале? Полная замена возможна только при перепроектировании посадочного интерфейса. Геометрически ремённой блок и гайка ШВП крепятся по-разному: ремённой требует двух натяжных шкивов на концах балки и кожуха, ШВП — двух опор винта и крепления гайки. Замена — это, по сути, переделка оси. Если же стоит вопрос параллельной скоростной оси — это решается отдельной кареткой и приводом без вмешательства в первичную ось.