ШВП для сварочных манипуляторов

Введение

Шарико-винтовые передачи представляют собой критически важный компонент современных сварочных манипуляторов, обеспечивающий высокоточное позиционирование сварочной горелки. В автоматизированных сварочных комплексах, где требуется точность позиционирования в пределах десятых долей миллиметра, применение ШВП становится необходимым условием для достижения требуемого качества сварных соединений.

Сварочные манипуляторы, оснащенные шарико-винтовыми передачами, используются для автоматической и полуавтоматической сварки в различных отраслях промышленности: судостроении, производстве резервуаров, изготовлении металлоконструкций и нефтегазовом машиностроении. Точное перемещение сварочной головки по заданной траектории обеспечивает стабильность процесса сварки и высокое качество швов.

Конструкция сварочных манипуляторов

Основные узлы манипулятора

Сварочный манипулятор колонного типа состоит из нескольких основных узлов. Основание обеспечивает устойчивость всей конструкции и может быть стационарным или подвижным по рельсовому пути. Колонна представляет собой вертикальную несущую конструкцию, обычно выполненную в виде коробчатого профиля с фрезерованными направляющими. Консоль является горизонтальной балкой, на которой размещается сварочное оборудование.

Для обеспечения вертикального перемещения консоли применяются различные механические передачи. В современных манипуляторах для этой цели используются шарико-винтовые передачи, которые обеспечивают плавное и точное позиционирование. Горизонтальное перемещение сварочной головки вдоль консоли также может осуществляться с помощью ШВП, что позволяет достичь высокой точности позиционирования инструмента.

Требования к системам позиционирования

Системы позиционирования сварочных горелок должны обеспечивать точность в диапазоне 0.1-0.2 мм при рабочих ходах от 1000 до 6000 мм. При этом необходимо учитывать динамические нагрузки, возникающие при разгоне и торможении, а также статические нагрузки от массы сварочного оборудования и кабельных пакетов. Жесткость системы должна быть достаточной для предотвращения вибраций, которые могут негативно влиять на качество сварного шва.

Принцип работы ШВП

Конструктивные особенности

Шарико-винтовая передача состоит из винта с прецизионно обработанной резьбой, гайки с внутренней резьбой и шариков, которые обеспечивают контакт качения между винтом и гайкой. В отличие от обычных винтовых передач, где происходит трение скольжения, в ШВП реализован принцип качения, что значительно снижает коэффициент трения и повышает КПД до 90-95 процентов.

Шарики перемещаются по винтовым канавкам винта и гайки, образуя замкнутый контур циркуляции. Когда шарики достигают конца рабочей зоны гайки, они возвращаются в начало через специальный канал рециркуляции. Такая конструкция обеспечивает непрерывную работу передачи и равномерное распределение нагрузки между телами качения.

Материалы и технология изготовления

Для изготовления винтов ШВП применяются высоколегированные стали с содержанием хрома не менее 1 процента. После механической обработки винты подвергаются термической обработке для достижения твердости рабочих поверхностей 58-63 HRC. Прецизионные ШВП проходят финишную шлифовку после закалки для компенсации деформаций, возникающих при термообработке.

Шарики изготавливаются из подшипниковой стали по ГОСТ 3722-2014 со степенью точности не ниже G 20. Разноразмерность шариков в одной передаче не должна превышать 0.001 мм, что обеспечивается тщательной селекцией при комплектации. Гайки изготавливаются из высокопрочных сталей методом точного литья с последующей механической обработкой.

Классы точности ШВП

Международная классификация

Согласно стандарту ISO 3408, шарико-винтовые передачи классифицируются по классам точности, определяющим допустимые отклонения шага резьбы и погрешность позиционирования. Прецизионные ШВП соответствуют классам C0, C1, C2, C3 и C5, где меньший номер класса указывает на более высокую точность. Транспортные ШВП относятся к классам C7 и C10 с менее жесткими требованиями к точности.

Выбор класса точности для сварочного оборудования

Для сварочных манипуляторов оптимальными являются классы точности C3 и C5. Класс C3 применяется в высокоточных сварочных комплексах, где требуется позиционирование горелки с точностью до 0.1 мм. Это особенно актуально для автоматической сварки тонкостенных конструкций и при выполнении многопроходных швов с узкой разделкой кромок.

Класс C5 достаточен для большинства промышленных сварочных манипуляторов, обеспечивая точность позиционирования в пределах 0.15 мм на длине хода 3000 мм. Такая точность удовлетворяет требованиям для сварки металлоконструкций толщиной от 6 мм и выше. Применение более низких классов точности C7 или C10 в сварочном оборудовании нецелесообразно, так как не обеспечивает требуемой стабильности процесса.

Применение ШВП в сварочных колоннах

Вертикальное перемещение колонны

Для вертикального перемещения консоли сварочной колонны применяются ШВП диаметром от 32 до 63 мм с шагом резьбы 10-20 мм. Выбор диаметра определяется массой перемещаемого узла и требуемой скоростью позиционирования. Для легких колонн грузоподъемностью до 100 кг достаточно ШВП диаметром 32-40 мм, тогда как для тяжелых колонн требуются передачи диаметром 50-63 мм.

Длина винта определяется требуемым ходом консоли с учетом дополнительных 200-300 мм на монтажные концы для установки опорных подшипников. При вертикальной установке ШВП критическим параметром является критическая скорость вращения, ограничивающая максимальную скорость перемещения. Для расчета используется зависимость от длины винта, диаметра и способа крепления концов.

Горизонтальное перемещение сварочной головки

Горизонтальное перемещение сварочной головки вдоль консоли осуществляется с помощью ШВП меньшего диаметра 20-32 мм. Здесь масса перемещаемого оборудования меньше, но требования к динамике выше, так как именно это движение определяет скорость сварки. Шаг резьбы выбирается в диапазоне 5-10 мм в зависимости от требуемых скоростей сварки.

Для типичных скоростей сварки 0.2-1.0 м/мин при частоте вращения сервопривода 1500-3000 об/мин оптимальным является шаг 5-6 мм. Применение передач с большим шагом позволяет увеличить скорость позиционирования, но может снизить точность при малых подачах, необходимых для прихваточной сварки или работы в труднодоступных местах.

Подбор ШВП для сварочного оборудования

Расчет нагрузочной способности

Основным параметром при подборе ШВП является базовая динамическая грузоподъемность, определяющая ресурс передачи. Расчет ведется с учетом осевых нагрузок, возникающих от массы перемещаемого оборудования, ускорений при разгоне и торможении, а также дополнительных сил при работе.

Для вертикальной оси колонны осевая нагрузка складывается из массы консоли с установленным оборудованием, кабельными пакетами и системами смазки. При расчете необходимо учитывать коэффициент запаса не менее 1.5 для компенсации динамических нагрузок и обеспечения требуемого ресурса. Ресурс ШВП в сварочном оборудовании обычно проектируется не менее 20000 часов работы.

Предварительный натяг

Для повышения жесткости системы и устранения осевого зазора в ШВП применяется предварительный натяг. В сварочном оборудовании рекомендуется использовать передачи с натягом от 3 до 5 процентов от динамической грузоподъемности. Слишком большой натяг приводит к увеличению момента трения и снижению КПД, а недостаточный не обеспечивает требуемой жесткости.

Существует два основных способа создания предварительного натяга. Первый заключается в использовании двух гаек, смещенных относительно друг друга через регулировочную прокладку. Второй способ основан на применении увеличенных шариков, создающих натяг за счет упругой деформации контактных поверхностей. Для сварочного оборудования предпочтителен первый метод, так как он позволяет регулировать натяг в процессе эксплуатации.

Сопутствующие компоненты

Опорные подшипники

Для крепления концов винта применяются радиально-упорные шарикоподшипники или роликоподшипники в зависимости от величины осевых нагрузок. При вертикальной установке нижняя опора воспринимает как осевую, так и радиальную нагрузку от массы винта, поэтому требует особого внимания при подборе. Верхняя опора может быть выполнена на основе радиальных подшипников с фиксацией от осевого смещения.

Для передач диаметром до 40 мм применяются радиально-упорные шарикоподшипники, а для больших диаметров - конические роликоподшипники. Монтаж подшипников выполняется с предварительным натягом для повышения жесткости опорного узла. Смазка опорных подшипников осуществляется консистентными смазками с температурным диапазоном от минус 30 до плюс 120 градусов Цельсия.

Линейные направляющие

Совместно с ШВП в сварочных манипуляторах обязательно применяются линейные направляющие, воспринимающие радиальные и моментные нагрузки. Профильные рельсовые направляющие с шариковыми каретками обеспечивают высокую жесткость системы и точность перемещения. Для вертикальных осей используются направляющие типоразмеров 25-35, а для горизонтальных достаточно 15-25.

Количество кареток на одной оси определяется длиной хода и величиной нагрузок. Для консоли длиной до 4000 мм обычно применяются четыре каретки, установленные попарно с каждой стороны. Такая схема обеспечивает равномерное распределение нагрузки и минимизирует деформации при максимальном вылете консоли. Смазка направляющих осуществляется через централизованную систему или индивидуальные масленки.

Приводные системы

Для привода ШВП в сварочном оборудовании применяются серводвигатели с планетарными редукторами или без них в зависимости от требуемого крутящего момента. Мощность двигателя определяется исходя из максимальной осевой нагрузки, скорости перемещения и требуемого ускорения. Для вертикальных осей требуется дополнительный момент для преодоления гравитационной нагрузки.

Соединение вала двигателя с винтом ШВП выполняется через упругие муфты, компенсирующие несоосность и угловые смещения. Для вертикальных осей предусматривается механический тормоз, удерживающий консоль при отключении питания. Тормоз обычно встроен в серводвигатель или устанавливается отдельно на конце винта.

Обслуживание и эксплуатация

Смазка ШВП

Правильная смазка является критически важным фактором для обеспечения расчетного ресурса шарико-винтовой передачи. В сварочном оборудовании применяются консистентные смазки на литиевой основе с противозадирными присадками. Температурный диапазон смазки должен составлять от минус 20 до плюс 100 градусов Цельсия для работы в условиях сварочного производства.

Периодичность смазки определяется интенсивностью эксплуатации и условиями окружающей среды. При работе в условиях повышенной запыленности сварочного цеха рекомендуется выполнять смазку каждые 500 часов работы. Количество смазки должно быть достаточным для заполнения внутренних каналов гайки, но не избыточным, чтобы не вызывать перегрев от повышенного сопротивления движению.

Защита от загрязнений

Шарико-винтовые передачи критичны к попаданию абразивных частиц и сварочных брызг. Для защиты применяются гофрированные защитные чехлы из термостойкой резины или пластика, закрывающие всю длину винта. При вертикальной установке чехол должен быть выполнен с возможностью складывания без образования складок, в которых может скапливаться грязь.

Дополнительно в конструкции гайки предусматриваются уплотнительные элементы, предотвращающие попадание загрязнений внутрь. В особо ответственных случаях применяется система продувки сжатым воздухом, создающая избыточное давление в зоне резьбы и препятствующая проникновению частиц. Давление продувки обычно составляет 0.2-0.3 МПа.

Контроль технического состояния

Периодический контроль включает проверку люфта в передаче, величины момента холостого хода и отсутствия посторонних шумов при работе. Увеличение момента холостого хода более чем на 50 процентов от первоначального значения указывает на недостаточную смазку или загрязнение. Появление люфта свидетельствует о износе шариков или дорожек качения и требует замены передачи.

Контроль точности позиционирования выполняется с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0.01 мм. При отклонении от заданной точности более чем на величину допуска класса точности необходима проверка износа и при необходимости замена ШВП. Также контролируется состояние опорных подшипников по уровню вибрации и температуре при работе.

Вопросы и ответы