Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Электрические линейные актуаторы и электроцилиндры -- класс мехатронных устройств, преобразующих вращательное движение электродвигателя в линейное перемещение посредством винтовой передачи. Они являются альтернативой пневматическим и гидравлическим цилиндрам в задачах позиционирования, прессования, подачи и перемещения в промышленной автоматизации.
Ключевые механические компоненты, определяющие точность, быстродействие и ресурс актуатора: шариковая винтовая передача (ШВП) или трапецеидальный (ходовой) винт, подшипники опор винта, а также линейные направляющие для восприятия поперечных и моментных нагрузок. Правильный выбор этих комплектующих непосредственно влияет на повторяемость позиционирования, динамическую грузоподъемность, максимальную скорость и срок службы системы.
В данной статье рассматриваются конструктивные решения, применяемые в линейных актуаторах и электроцилиндрах ведущих производителей: Festo (серии EPCO, ESBF, DNCE), SMC (серии LE -- LEFS, LEY, LEJS), Bosch Rexroth (серии EMC, CKK, MKR) и Thomson (серии Electrak HD, Electrak Pro).
EPCO -- компактный электрический актуатор штокового типа с ШВП и встроенным двигателем. Предназначен для простых задач позиционирования, ранее решавшихся пневматикой. Три типоразмера, опционально -- энкодер, тормоз удержания, прецизионная направляющая.
ESBF -- высоконагруженный электроцилиндр штокового типа. Доступен с ШВП (размеры 32-100) или трапецеидальным винтом (размеры 32-50). Диаметр ШВП: 12 мм (размер 32), 16 мм (размер 40), 20 мм (размер 50), 25 мм (размер 63), 32 мм (размер 80), 40 мм (размер 100). Динамическое усилие -- до 17 кН. Шаги винта: 5, 10 и 20 мм для оптимального соотношения усилия и скорости. Материал винта -- подшипниковая сталь (roller bearing steel). Осевое или параллельное крепление двигателя.
DNCE -- электроцилиндр штокового типа с компактными размерами, близкими к пневмоцилиндрам стандарта ISO 15552. Используется ШВП или трапецеидальный винт. Защита от проворота штока -- скользящая направляющая.
LEFS -- слайдерный (бесштоковый) актуатор с ШВП. Рабочая платформа расположена над приводом, защищенным гибкой лентой-уплотнителем. Повторяемость позиционирования -- до +-0,01 мм (высокоточная модификация с серводвигателем). Максимальная рабочая нагрузка -- 65 кг. Ускорение -- до 20 000 мм/с2 (серия с серводвигателем). Соответствие ISO Class 4 (ISO 14644-1) для чистых помещений. Внутренние направляющие -- двухрядные шариковые.
LEY -- штоковый актуатор с ШВП. Диаметры 16, 25, 32, 40 мм. Скорость до 900 мм/с. Защита IP65/IP67. Повторяемость -- +-0,02 мм.
LEJS -- слайдер повышенной жесткости с двухосевой линейной направляющей. Три типоразмера: 40 (100 Вт), 63 (200 Вт), 100 (750 Вт). Максимальная нагрузка -- до 400 кг (размер 100). Максимальная скорость -- 2300 мм/с. Ход -- до 1500 мм.
EMC -- электромеханический цилиндр на базе катаных прецизионных ШВП. Десять типоразмеров (32-160), диапазон усилий от 0,1 до 56 кН. Диаметры ШВП: 12 мм (размер 32), 16 мм (размер 40), 20 мм (размер 50), 25 мм (размер 63), 32 мм (размер 80), 40 мм (размер 100). Шаги: 5, 10, 16, 20, 25, 32, 40 мм. Спроектирован по стандартам безопасности EN ISO 13849-1 и EN 62061. Защита от проворота штока -- скользящие направляющие поверхности. EMC-HP -- версия Heavy Power с планетарно-роликовой передачей (PLSA), усилие до 250 кН, скорость до 0,83 м/с.
CKK -- компактный линейный модуль с профильными рельсовыми направляющими Bosch Rexroth и ШВП. Применяется в многоосевых системах позиционирования.
MKR -- миниатюрный линейный модуль для легких задач.
Electrak HD -- высокопроизводительный линейный актуатор 12/24 В DC с ШВП. Динамическая нагрузка при ШВП: от 1,7 до 10 кН. Ход -- до 900 мм. Защита IP69K/IP67/IP66. Рабочая температура: от -40 до +85 градусов С. Корпус -- анодированный алюминий, шток -- нержавеющая сталь. Опции: CAN bus (J1939/CANopen), потенциометрический датчик положения, тормоз удержания.
Electrak Pro -- компактный актуатор 12/24/36 В DC. Доступен с ШВП (динамическая нагрузка 2000 Н) или трапецеидальным винтом Acme (750 Н). Ход до 300 мм. Защита IP66 (опционально IP67). Литой алюминиевый корпус. Для версии с ШВП стандартно включен тормоз удержания.
В линейных актуаторах промышленного назначения преимущественно используются ШВП транспортных и позиционных классов точности: C7, C10 (по JIS B 1192 / ISO 3408-3). Класс C10 (допуск хода v300 около 210 мкм на любом участке длиной 300 мм) применяется в бюджетных актуаторах для задач перемещения без высоких требований к точности. Класс C7 (допуск v300 около 50-52 мкм на 300 мм) -- для задач позиционирования с повышенной повторяемостью. В высокоточных слайдерах (SMC LEJS, Festo EGC-BS) могут применяться ШВП класса C5 (допуск v300 около 18-23 мкм на 300 мм). Конкретные значения допусков зависят от номинального диаметра и шага винта согласно таблицам стандарта.
Катаные ШВП (rolled ball screws) доминируют в сегменте линейных актуаторов благодаря оптимальному соотношению точности и технологичности производства. Шлифованные ШВП (ground ball screws) классов C3-C5 встречаются в прецизионных линейных модулях типа Bosch Rexroth CKK.
Типичные диаметры ШВП в промышленных актуаторах: 12, 16, 20, 25, 32 и 40 мм. Для ШВП HIWIN серии DFSH и серии DFSV доступны аналогичные типоразмеры с различными конфигурациями возврата шариков. Bosch Rexroth в электроцилиндрах EMC использует собственные катаные ШВП с тем же диапазоном диаметров.
Примечание: значения динамической грузоподъемности приведены ориентировочно для типичных катаных ШВП по каталогам HIWIN и THK; конкретные значения зависят от диаметра шариков, числа рабочих витков и конфигурации возврата. Системная грузоподъемность актуатора (C_EMC, C_ESBF и т.д.) может отличаться от грузоподъемности отдельной ШВП.
КПД шариковой винтовой передачи составляет 85-95% (по данным каталогов HIWIN, THK, NSK), что существенно выше, чем у трапецеидальных винтов (25-40%). Высокий КПД означает, что ШВП не является самотормозящей: при отключении двигателя осевая нагрузка может вызвать обратный ход. Поэтому в актуаторах Festo ESBF, Thomson Electrak Pro (версия с ШВП) и других стандартно предусмотрен электромагнитный тормоз удержания.
Трапецеидальные (ходовые) винты применяются в актуаторах начального уровня и в задачах, где не требуется высокая точность позиционирования или высокие скорости. Festo ESBF предлагает трапецеидальный винт в размерах 32-50 как альтернативу ШВП. Thomson Electrak Pro с трапецеидальным винтом Acme обеспечивает динамическую нагрузку 750 Н при ходе до 300 мм.
Самоторможение при однозаходной резьбе -- ключевое преимущество для вертикальных применений и случаев, когда тормоз удержания нежелателен. Угол подъема резьбы трапецеидального винта, как правило, меньше угла трения, что исключает обратный ход под нагрузкой. Более простая конструкция, отсутствие рециркулирующих шариков -- меньше компонентов, подверженных износу при ударных нагрузках. Низкий уровень шума на малых скоростях.
КПД 25-40% -- значительные потери на трение, нагрев гайки при интенсивной работе. Ограниченная скорость -- типично до 0,3-0,5 м/с из-за повышенного износа и нагрева. Ограниченный ресурс -- износ профиля резьбы приводит к увеличению люфта. Повторяемость позиционирования хуже, чем у ШВП: типично +-0,05...0,1 мм.
Подшипники опор ШВП в линейных актуаторах -- критически важный элемент, определяющий осевую жесткость, точность и ресурс системы. В зависимости от схемы опор (fixed-fixed, fixed-supported, fixed-free) и нагрузок применяются различные типы:
Радиально-упорные шариковые подшипники -- основной тип для опор ШВП. Обеспечивают восприятие комбинированных радиальных и осевых нагрузок. В миниатюрных актуаторах (Festo EPCO, SMC LEY) используются подшипники серий 72xx и 70xx с углом контакта 15-25 градусов. Могут устанавливаться попарно по схемам "О" (back-to-back, DB), "X" (face-to-face, DF) или тандем (DT) для увеличения осевой жесткости и грузоподъемности.
Упорные шариковые подшипники (серия 511xx/512xx) -- применяются в комбинации с радиальными для восприятия осевых нагрузок в простых конструкциях.
Специализированные опорные подшипники ШВП -- производители ШВП (HIWIN, NSK, THK) выпускают готовые опорные блоки (support units) с интегрированными парами радиально-упорных подшипников и корпусом. Серии: HIWIN EK/EF (fixed/free), NSK WBK, THK BK/BF. Эти блоки обеспечивают точный преднатяг и упрощают монтаж.
Компактные актуаторы (Festo EPCO, SMC LEF, Thomson Electrak Pro) используют миниатюрные радиально-упорные подшипники с внутренним диаметром 6-15 мм. Типичные серии: 7000, 7200 (миниатюрные), а также специализированные опорные подшипники производителей ШВП. Класс точности подшипников -- P5 или P6 по ГОСТ 520-2011 / ISO 492:2023, что обеспечивает минимальное радиальное биение и повторяемость позиционирования.
Профильные рельсовые направляющие обеспечивают восприятие поперечных нагрузок и моментов, разгружая ШВП от непроектных нагрузок. В линейных модулях (Bosch Rexroth CKK, Festo EGC-BS) они являются основным направляющим элементом.
Для компактных актуаторов применяются миниатюрные направляющие типа HIWIN MGN (ширина рельса 7-15 мм) и MGW (укороченные широкие каретки). Рельсы Bosch Rexroth серий R1605 и R1606 используются в модулях CKK и других системах линейного перемещения.
Бесфланцевые каретки Bosch Rexroth обеспечивают компактную установку в стесненных пространствах актуаторов, а алюминиевые каретки снижают массу подвижной части. Для высокоскоростных применений предназначены высокоскоростные каретки Bosch Rexroth.
В штоковых электроцилиндрах (Festo ESBF, Bosch Rexroth EMC, Thomson Electrak HD) защита от проворота штока реализована скользящими направляющими поверхностями внутри корпуса. Шток перемещается в направляющей втулке или вдоль обработанных граней, что предотвращает вращение при работе ШВП. Преимущество -- простота конструкции и компактность. Ограничение -- более низкая несущая способность по моментным нагрузкам по сравнению с профильными рельсовыми направляющими.
В некоторых конструкциях актуаторов и линейных модулей для направления вала используются линейные подшипники Bosch Rexroth -- серий R0600 и R0602. Они обеспечивают линейное перемещение по цилиндрическому валу с минимальным трением и применяются в системах с умеренными нагрузками.
Основные критерии выбора между ШВП и трапецеидальным винтом для актуатора:
Ресурс ШВП рассчитывается по формуле из ISO 3408-5:
Максимальная допустимая скорость вращения ШВП ограничена критической частотой, зависящей от длины между опорами, диаметра винта и типа опор. Для актуаторов с ходом 500-1000 мм и диаметром ШВП 16-20 мм критическая частота типично составляет 2000-4000 об/мин, что соответствует линейной скорости 0,5-1,3 м/с при шаге 5-20 мм.
Большинство актуаторов поставляются с заводской смазкой ШВП и не требуют обслуживания при стандартных условиях эксплуатации в течение расчетного ресурса. Bosch Rexroth предлагает опцию Lubricated For Life для электроцилиндров EMC, обеспечивающую номинальный ресурс до 15 000 км без дозаправки. При работе с дозаправкой ресурс увеличивается до 50 000 км и более. Для дозаправки используются штатные точки смазки (nipples) и консистентные смазки, рекомендованные производителем ШВП.
Скользящие направляющие штоковых электроцилиндров подвержены износу, особенно при наличии поперечных нагрузок. Признаки износа -- увеличение бокового люфта штока и ухудшение повторяемости позиционирования. Профильные рельсовые направляющие в слайдерных актуаторах имеют значительно больший ресурс благодаря качению, а не скольжению.
Подшипники опор ШВП в актуаторах, как правило, необслуживаемые -- смазаны и защищены уплотнениями. Косвенные признаки износа: увеличение осевого люфта, появление вибрации на определенных частотах вращения, рост тока двигателя. Срок службы подшипников определяется расчетным ресурсом L10 по ISO 281:2007.
Компания Иннер Инжиниринг поставляет ШВП, направляющие, каретки и линейные подшипники для комплектации и обслуживания линейных актуаторов и электроцилиндров:
1. ISO 3408-1:2006. Ball screws -- Part 1: Vocabulary and designation.
2. ISO 3408-3:2006. Ball screws -- Part 3: Acceptance conditions and acceptance tests.
3. ISO 3408-5:2006. Ball screws -- Part 5: Static and dynamic axial load ratings and operational life.
4. DIN 69051. Ball screws for machine tools.
5. ISO 281:2007. Rolling bearings -- Dynamic load ratings and rating life.
6. ISO 76:2006/Amd 1:2017. Rolling bearings -- Static load ratings.
7. ISO 492:2023. Rolling bearings -- Radial bearings -- Geometrical product specifications (GPS) and tolerance values.
8. ГОСТ 520-2011. Подшипники качения. Общие технические условия.
9. ГОСТ 831-2022. Подшипники шариковые радиально-упорные однорядные.
10. EN ISO 13849-1. Safety of machinery -- Safety-related parts of control systems.
11. Festo. Technical documentation: ESBF Electric Cylinder, EPCO Electric Actuator.
12. Bosch Rexroth. Electromechanical Cylinder EMC. Catalog R310EN 3306.
13. Bosch Rexroth. Electromechanical Cylinder EMC-HP. Technical documentation.
14. SMC Corporation. Electric Actuator LEF Series / LEJ Series. Operation Manuals.
15. Thomson Industries. Electrak HD / Electrak Pro Linear Actuator. Technical documentation.
16. HIWIN Technologies. Ballscrews Technical Information. Linear Guideway Technical Information.
17. THK Co., Ltd. Ball Screw General Catalog. LM Guide General Catalog.
18. NSK Ltd. Ball Screws -- Standard Compact FA (E3239b). Linear Guides NH/NS (E3332c).
19. SKF Group. Rolling Bearings -- главный каталог. Super-precision Bearings.
20. Schaeffler (INA/FAG). Super Precision Bearings (SP1). Linear Guidance Systems (LF1).
21. Решетов Д.Н. Детали машин. 4-е изд. -- М.: Машиностроение, 1989.
22. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Том 2. 9-е изд.
23. Harris T.A., Kotzalas M.N. Rolling Bearing Analysis. 5th ed. CRC Press, 2006.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.