Рассмотрим принципиальную конструкцию рельсовых направляющих качения (см. рисунок 1).

Рис. 1. Рельсовая направляющая качения: принципиальная конструкция

Рельс (см. рисунок 1, обозначение 1) с обеих сторон оснащен продольным параллельными опорными дорожками (обозначение 2) для тел качения (шариков или роликов). Форма и число дорожек определяется тем, к какому типу относятся тела качения, и какие эксплуатационные характеристики имеет система.

На рельс монтируется подвижная каретка (3), которая оснащена внутренними продольными опорными поверхностями (их число и форма полностью соответствуют опорным рельсовым дорожкам), а также продольными каналами (4), предназначенными для возврата тел качения. В торцах каретки закрепляются торцовые плиты (крышки) (5), которые обеспечивают замкнутое передвижение тел качения в направлении с опорных кареточных дорожек в каналы возврата и в обратном направлении. В каретке имеются ограничители (6), предназначенные для предохранения тела качения от возможности выпадения в случае аварийного смещения каретки с рельса. Каретка и рельс оснащены опорными поверхностями (7, 8), предназначенными для установки на статичный и подвижный станочный узел, а также монтажными отверстиями (9, 10) для крепежа.

Максимально распространенными в промышленности, а именно – в точном машиностроении и сфере станкостроения, являются шариковые рельсовые направляющие качения, имеющие радиус кривизны дорожек, близкий к радиусу шариков. Шарики здесь при приложении нагрузки имеют поверхность контакта не меньшую, чем поверхность контакта роликов при рассмотрении системы роликовых направляющих (особенности если имеются такие погрешности монтажа, как разновысотность, непараллельность или извернутость). Как результат, нагрузочная способность у определенных модификаций шариковых направляющих при аналогичных размерах может быть даже выше, нежели у направляющих роликового типа. К примеру, японской компанией ТНК, занимающейся производством и шариковых, и роликовых направляющих в ограниченном количестве, приводится сопоставление способности к нагрузкам шариковых направляющих, относящихся к 25-му типоразмеру, с удлиненной кареткой SNR_25LC и  С=57кН и С₀=101кН, и роликовых направляющих, имеющих тот же типоразмер  SRG_25LC и  С=34,2кН и С₀=75кН.

При этом у направляющих шарикового типа даже в случае определенных монтажных погрешностей не может возникнуть блокировка (заедание) каретки, что зачастую возникает при использовании роликовых направляющих в аналогичных погрешностях и даже меньших в результате перекоса роликов.

Шариковые рельсовые направляющие имеют два принципа конструкции контакта шариков и сопряженных поверхностей рельса и каретки: первый – это контакт по 2-м точкам (в случае кругового контура дорожек, как изображено на рисунке 1 а1), и второй — контакт по 4-м точкам (в случае контура дорожек по типу «стрельчатая арка», как показано на рисунке 1 б1). В сравнении арочным, у кругового контура дорожек имеется несомненное преимущество по указанным далее причинам.

Рис 1 а1                                                              Рис. 1 б1

В случае приложения нагрузки и в случае преднатяга границы контактной зоны кругового контура, которая определяется диаметрами d1 и d2 (В и А на рисунке 1 а2), являются близкими к диаметру шариков. Они имеют окружные скорости по соотношению к оси вращения шарика, мало отличающиеся друг от друга, поэтому дифференциальное проскальзывание шариковой поверхности по отношению к дорожке достаточно мало. Такое преимущество способно обеспечить плавный и легкий ход каретки. При аналогичной  нагрузке в случае готического контура границы контактных зон (В и А на рисунке 1 б2) отличаются большой разницей дистанций от оси вращения шарика, в результате чего возникает резкое увеличение дифференциального проскальзывания (см. рисунок 1 б3), что ведет к тому, что увеличивается трение, сопротивление движению каретки, а также уменьшается долговечность системы.

Рис. 1 а2                                                                      Рис. 1 б2 

Рис. 1 а3                                                             Рис. 1 б3

В результате монтажных перекосов каретки и рельса при воздействии боковой нагрузки в случае кругового контура положение контактных точек А и В слегка смещается, что не способно привести к нарушению плавности передвижения и уменьшению износостойкости.  При готическом контуре в аналогичных условиях изменение контактных зон существенно, что способно привести к увеличению трения, усилию сопротивления движению, а также уменьшению долговечности. Таким образом, в контуре «стрельчатая арка» завышенные требования к точности установки рельса и каретки.

В случае кругового контура при контакте шарика и дорожек каретки и рельса  в 2-х точках под воздействием нагрузок деформирование шарика выполняется плавно, искажение формы несущественное. В контуре по типу «стрельчатая арка» шарик контактирует в 4-х точках, под нагрузкой искажение его формы гораздо сильнее, происходит потеря «шарообразности». Все это способно привести к затруднению свободного качения и возрастанию сил сопротивления движению каретки. При этом для того, чтобы увеличить преднатяг в контуре «стрельчатая арка», потребуется гораздо большее усилие, нежели в случае кругового контура, что может значительно влиять на потерю несущей способности и износостойкости направляющих. Приведенные и некоторые другие обстоятельства, которые являются их следствием, обеспечивают популярность именно кругового контура контактных дорожек каретки и рельса с касанием шарика в 2-х точках. Изображение рельса с кареткой данного типа приведено на рисунке  2.

Рис. 2. Рельсовая направляющая качения с кареткой

Разные производители сегодня предлагают рельсовые направляющие качения в широком ассортименте десятков и даже сотен типоразмеров. Выбирать нужную серию и типоразмер рельсовых направляющих и кареток следует аналогично выбору подшипников качения, исходя из инженерных расчетов. В данном случае нужно учитывать тип станка (механизма, машины) и его габариты, характер применения, технологический цикл, диапазон рабочих температур и прочие параметры, которые определяют технические условия применения систем рельсовых направляющих.

Отечественные машиностроители прекрасно знакомы с продукцией основных фирм-производителей элементов систем линейных направляющих и перемещений. Их перечень доступен в научно-технических библиотеках и на определенных сайтах. Образцы продукции постоянно демонстрируются на специализированных выставках, к примеру, на московских выставках «Металлообработка» и «Машиностроение». На протяжении  многих лет на отечественном производстве применялись направляющие ТНК, Rехroth, INА, Thomson и пр., к примеру, в составе серийной продукции и экспериментальных типов станков завода тяжелого станкостроения г.Иваново (в частности, INA и Rexroth), а также на Стерлитамакском  станкостроительном  и Савеловском  машиностроительном заводах (Rexroth, ТHK).

В России рельсовые направляющие качения соизмеримого качества не производятся. В Липецке на станкостроительном заводе экспериментально начата работа над изготовлением шариковых РНК минимальными сериями по предзаказу. Сегодня завод может производить 4 модели подобных  направляющих (СМ25_ТА, СМ25_ТУ, СМ45_ТА и СМ15), но недостаточное число типоразмеров и конструкций, узкие технические параметры (не производятся классы точности Р, SР и UР) не дает возможности отечественному производителю занять достойное место на рынке компонентов для нужд машиностроения. Информацию о данной продукции, описание ее характеристик и производственных возможностей, включая инструкцию по эксплуатации (руководство 2-29849377_РЭ), можно получить на значительном количестве предприятий, но в сфере станкостроения, в машиностроении и промышленности преимущество имеют зарубежные компании.

SBC занимается производством цилиндрических, роликовых V-образных и шариковых рельсовых направляющих качения и кареток к ним, а так же дополнительного оборудования и компонентов. На основе данной элементной базы идет производство линейных модулей и готовых систем линейных перемещений. Компания SBC выпускает продукцию, имеющую  современный технический уровень, представленную в каждой из категорий несколькими сериями, имеющими десятки типоразмеров для разного применения, и, как следствие, более приемлемую стоимость и сроки поставки. Благодаря указанным преимуществам, продукция данного производителя наиболее предпочтительна для отечественного потребителя, нежели продукция других компаний, указанных выше.

1. Использование линейных направляющих для металлорежущих ЧПУ-станков (см. рисунок 1). Применяются модули UNILINE.

Рисунок 1

2. Применение направляющих для обрабатывающих центров (см. рисунок 2). Использовались универсальные роликовые направляющие СompactRail.

Рисунок 2

3. Применение направляющих для деревообрабатывающего оборудования (см. рисунок 3); использовалась комбинация U и T рельса; направляющие CompactRail.

Рисунок 3

4. Направляющие лазерной граверной машины (см. рисунок 4). Применяются направляющие CompactRail.

Рисунок 4

5. Использование в плазменной резке (см. рисунок 5). Линейные направляющие CompactRail отвечают за плавное перемещение и точное позиционирование.

Рисунок 5

6. Оборудование для трафаретной печати (шелкографии) (см. рисунок 6). Направляющие CompactRail применяются для горизонтального  перемещения печатающей головки; для вертикального перемещения используются направляющие MonoRail.

Рисунок 6

7. Линейные направляющие для применения в фрезеровальных ЧПУ-станках (см. рисунок 7). Наличие одного рельса и двух кареток  CompactRail дает возможность перемещать консоль для оптимальной и удобной работы оператора.

Рисунок 7

8. Трехосевой укладчик поддонов (паллет). Применяются линейные направляющие CompactRail. Описание и основные характеристики представлены на рисунке 8.

Рисунок 8

9. Применение линейных направляющих в медицинской технике. Описание и характеристики применения стола рентгеновской установки приведены на рисунке 9.

Рисунок 9

10. Установка для фотоэкспонирования. Применяется система линейных направляющих CompactRail. Описание представлено на рисунке 10.

Рисунок 10

11. Телескопические направляющие. Применяются для защитных дверей станка (см. рисунок 11).

Рисунок 11

12. Использование криволинейных направляющих для дверей. Примеры представлены на рисунке 12.

Рисунок 12

Приведем примеры удачных решений с применением линейных направляющих.

Поставлена задача 1

Оборудование заказчика выполняет сварку 15-метровых стальных рамок или рельсов. Для резки рельсов их подают через роликовую систему, применяя ротационное измерительное колесо. Функционирование системы было неточным, обрезка рельсов выполнялась неаккуратно. Заказчик вел поиск системы, способной подавать рельсы и выполнять их нарезку на отрезки, имеющие  правильную длину.

Решение задачи 1

Была разработана система с применением универсальных рельсовых направляющих CompactRail, позволяющая выдерживать вес 15-метровых рельсов. Узел трансмиссии посредством мотора перемещает рельс. На каретку установили упор-ограничитель, а так же специальное лазерное устройство, позволяющее измерять расстояние до ограничителя. При достижении расстояния 15 м сигнал активирует электромагнитный тормоз в двигателе, останавливая систему, что гарантирует точную длину 15 м (см. рисунок 13).

Рисунок 13. Решение задачи 1

Поставлена задача 2

Одним из процессов завода по производству стекла является транспортировка стекла. Необходимо было создать конструкцию, позволяющую аккуратно позиционировать несколько рядов вакуумных присосов в целях захвата и транспортировки стекла. Проблема состояла в необходимости переворачивания всей конструкции и стекла из горизонтального положения в вертикальное, а также помещения стекла в вертикальную стойку. Такое поворотное движение формировало неопределенный крутящий момент, оказывающий воздействие на захватное устройство.

Решение задачи 2

Некоторое количество линейных актуаторов Uniline, имеющих размер 75,  были смонтированы в качестве части захватного устройства для монтажа серии вакуумных присосок, применяемых для захвата/транспортировки стекла. Так как в данном процессе имеет место поворот, необходимо было создание специальной конструкции линейных актуаторов. Вместо стандартных направляющих CompactRail в актуаторы были встроены линейные направляющие EasyRail (см. рисунок 14).

Рисунок 14. Решение задачи 2

Направляющие, с помощью которых происходит перемещение  подвижных узлов станков, механизмов, машин, роботов,  измерительных приборов и прочих устройств, представляют собой один из важных компонентов конструкции, и являются элементом, определяющим их технические возможности.

В данной статье будем рассматривать преимущественно направляющие с точки зрения применения их в станках, поскольку этот тип применения является наиболее показательным и распространенным. К примеру, станки для резки металла оснащаются двумя типами направляющих – направляющие скольжения, имеющие разные режимы трения (граничное, смешанное, гидродинамическое, гидростатическое, аэростатическое), а также направляющие качения, оснащенные различными типами тел качения, как правило, шариками и роликами, а также видами кинематики (без/с возвратом тел качения) и формами конструкций. Некоторые станки оснащаются комбинированными направляющими, применяющими по одним граням качение, а по другим — скольжение.

Наиболее распространенными являются направляющие скольжения, имеющие смешанный характер трения, где слоем смазки не обеспечивается полное разделение трущихся поверхностей подвижного и неподвижного элементов направляющей (имеет место в аэростатических, гидростатических и гидродинамических направляющих).

Основные преимущества направляющих скольжения, имеющих смешанный характер трения, это простота и компактные габариты конструкции, способность выдерживать высокие нагрузки, жесткость, демпфирование, а также демократичная стоимость. При этом в современных условиях данный тип  направляющих обладает существенными недостатками, такими, как сильное трение, способное ограничивать скорость движения узлов, сильный износ направляющих, скачкообразность перемещения при малых скоростях и трогании с места, что мешает осуществлению точного позиционирования узлов.

Использование накладок, изготовленных из полимерных материалов – наполненного фторопласта, торсайта, тефлона и пр., а также специальных смазок, предотвращающих скачки (к примеру, серия ИНСп или И-ГН-Е), дает возможность существенно, но не полностью, избежать появления указанных недостатков простых направляющих скольжения.

Гидростатические и гидродинамические направляющие отличаются небольшим трением, высокой демпфирующей способностью, высокой плавностью хода и малыми усилиями перемещения. Такие направляющие являются износостойкими, однако, имеют относительно невысокую жесткость, если сравнивать их с направляющими смешанного трения. К тому же они при высоких скоростях движения способны генерировать  избыточное тепло, которое может вызвать нагревание смазки и  кинематического узла в целом. Указанные направляющие требуют наличия сложной навесной гидроаппаратуры, к тому же, их стоимость существенно выше других типов направляющих, что способно ограничить  область их применения (в основном, это очень тяжелые либо уникальные станки).

Направляющие аэростатического типа отличаются малым трением, что обеспечивает высокую точность передвижения, а также высокую износостойкость. Но такие направляющие принимают ограниченные нагрузки и могут спровоцировать случайные отказы, что существенно сужает область их использования – в координатно-измерительных машинах, станках для работы с печатными платами, алмазно-токарных станках и некоторых других типов станков, имеющих малые нагрузки на направляющие.

Рис. 1. Координатно-расточный станок: V-образная направляющая стола, плоские роликовые направляющие стола

Направляющие качения имеют невысокий коэффициент трения (0.003-0.005), что обеспечивает высокую плавность перемещения. При этом возможно допущение высоких скоростей и ускорений перемещения. В исполнении, приведенном нами ниже, они могут обеспечивать работу с высокими нагрузками, жесткость и износостойкость системы, а также точность установочных передвижений. Основными недостатками таких направляющих является довольно низкое демпфирование, высокая чувствительность к загрязнениям и высокая стоимость, являющаяся в основной массе случаев существенным фактором при их выборе.

Комбинированные направляющие объединяют все основные преимущества направляющих обоих типов, но, к сожалению, обладают совокупностью их недостатков. Зачастую подобные направляющие имеют трение скольжения на основных загруженных гранях, что позволяет обеспечивать неплохой уровень демпфирования колебаний и трение качения на боковых гранях (с преднатягом) в целях устранения узловых переориентаций при реверсах.

При этом подобная конструкция направляющих существенно ограничивает и скорость, и ускорение движения узлов в случае применения в высокоскоростных станках.

Комбинированный тип отличается сравнительно меньшей областью применения, чем два первых типа направляющих. Такие направляющие считаются основным типом направляющих, применяемых в высокоскоростных прогрессивных современных станках. Конструктивно их  непрерывно совершенствуют, если сравнивать с направляющими скольжения. Новые разработки подобных направляющих мы приводим далее в статье.

Направляющие качения стали использовать вместо направляющих скольжения с середины прошлого века. Ими оснащались координатно-расточные, шлифовальные, заточные и некоторые другие прецизионные станки, в которых необходимы были точные малые (дискретность <0,001мм) установочные передвижения узлов. Подобные перемещения на направляющих скольжения довольно сложно выполнялись или оказывались совсем невыполнимыми, виной чему были в т.ч. и «скачки».

Основная конструктивная форма направляющих качения в ранних конструкциях станков представляла собой комбинацию (пару) V-образной, а также плоской направляющей. По ним происходило перемещение роликов, размещенных в линейном сепараторе. Ролики опирались на обработанные поверхности корпусных деталей, изготовленных из чугуна. Внешне такие направляющие выглядели, как показано на рисунке 1.

В случае, если скорости перемещений узлов находились в диапазоне 2-3 м/мин, и нагрузки при этом сравнительно небольшие, то данный тип направляющих удовлетворял требованиям, которые предъявлялись к подобным станкам в то время. Как и роликовые, на координатно-расточных станках стали использоваться и шариковые направляющие качения (к примеру, в станках фирмы «Кольб»).

Перемещение шариков в линейном сепараторе происходило по закаленным планкам, которые монтировались  на станине и станочном столе (см. рисунок  2).

Рис. 2. Координатно-расточный станок: шариковые направляющие стола

Довольно низкая несущая способность ранее создаваемых конструкций направляющих качения, а также их невысокая демпфирующая способность и отсутствие при этом необходимости в высокоточном расположении  и быстрых перемещениях узлов, их высокая стоимость являлись причинами отказа от использования направляющих качения при создании фрезерных, горизонтально-расточных и прочего типа станков того времени.

Сегодня, особенно после появления ЧПУ-станков, существенно выросли  требования к скорости перемещения узлов,  к их точности позиционирования и принимаемым силовым нагрузкам. Расширен ряд технологических операций и способов обработки на различных станках. Повышены требования к продуктивности оборудования. Все эти мероприятия привели к появлению ЧПУ-станков многоцелевого типа, обрабатывающих центров, ставших в настоящее время основными в линейке обрабатывающего оборудования.

Скорость линейного перемещения узлов в большинстве обрабатывающих центров увеличилась сначала до 10-15 м/мин, а далее  — до 30 м/мин, и сегодня многие  серийные модели имеют данный показатель в диапазоне 40-60 м/мин, а иногда и 90-100 м/мин и более. Ускорения в случае разгона-торможения узлов, ранее стоявшее на отметке 0,1-0,5 м/с², увеличились до 2-3 м/с², а позднее у ряда моделей и до 8-10 м/с²  (иногда даже 20 м/с²).

Выросла и точность позиционирования узлов: теперь она составляет до 5 мкм и более при показателе дискретности перемещения до 0,1 мкм. При этом точность остается неизменной даже в случае высокоскоростной объемной и контурной обработки элементов со знакочередующейся нагрузкой на узлы. Повышение требований к техническому оснащению станков потребовало совершенствования стандартных и создания обновленных компоновок станков («box in bоx», «gаntry» и пр). Возникли обновленные высокодинамичные приводы цифрового типа с применением доработанных шлифованных ШВП и линейных двигателей, оптоэлектронные системы измерения и новые решения для различных узлов и станочных устройств,  такие, как шпиндельные узлы, мотор-редукторы, инструментальные магазины,  устройства автоматической смены инструментов и пр.

Соответственно, неизменно происходило повышение требований и к станочным направляющим, благодаря которым обеспечивались скоростные, точностные и  прочие существенные характеристики. Направляющие скольжения дорабатывались преимущественно за счет применения современных синтетических материалов — фторопласта, торсайта, тефлона, которые позволили избавиться от «скачков»  в  режиме старта-стопа, уменьшить потери на трение, повысить скорость узловых перемещений, сохраняя при этом высокую демпфирующую способность, благодаря чему некоторые современные обрабатывающие центры все еще применяют подобный тип направляющих.

Но такие направляющие имеют коэффициент трения гораздо более высокий, нежели направляющие качения. Он существенно ограничивает возможность использования очень высоких скоростей передвижения и пренатяга, нужного для того, чтобы обеспечить высокую жесткость и высокую точность при реверсах, а также при знакопеременных нагрузках.

Узко применяют гидростатические, аэростатические и гидродинамические направляющие скольжения ввиду недостатков и ограничений, указанных нами выше. Итак, основной  тип направляющих в большинстве сегодняшних высокопроизводительных и высокоскоростных обрабатывающих центров  — это обновленные направляющие качения.

Первые конструкции направляющих качения, применяемых при разработке координатно-расточных, шлифовальных и прочих обрабатывающих станков, со временем усовершенствовались: были разработаны стальные накладки на базовые детали из чугуна, а также подпружиненные ролики для  обратных планок на подвижных узлах для образования предварительного натяга. Были созданы направляющие, оснащенные линейным сепаратором, которые затем  были заменены на направляющие качения с использованием роликовых (шариковых) блоков, представляющих линейные опоры качения или «танкетки».

Внешнее исполнение и конструктивные особенности одной из подобных «танкеток» изображены на рисунке 3.

Рис. 3. Роликовая опора качения: конструктивные особенности

Корпус «танкетки» прикрепляется на подвижной узел станка. Опора роликов производится на корпус, не его рабочую дорожку, а также на направляющую стационарного узла станка. «Танкетки», как правило, устанавливают на концах подвижного узла или в середине, а затем совершают возвратно-поступательные движения. Их применение дало возможность существенно увеличить скорость передвижения узлов (15-25м/мин), а также обеспечить посредством преднатяга полное отсутствие в системе направляющих зазоров. Практика применения роликовых опор при изготовлении станков на Ивановском заводе тяжелого станкостроения показала их очень высокую нагрузочную способность. К примеру, нагрузочная способность малогабаритной «танкетки»  RUS_26102 от INA с размерами LхBхH=102х40х26 мм равняется 95 кН.

Системы роликовых направляющих позволяют повысить скорость быстрого перемещения узлов до 15-20 м/с, при этом дискретность перемещений < 0,001 мм.

Точность станков, оснащенных роликовыми направляющими, оказалась ограниченной классом «П», и еще больше повысить точность станков и скоростей быстрых узловых перемещений стало возможным только в результате применения модернизированных направляющих качения.

Далее внедрение направляющих, оснащенных «танкетками», позволило  выявить существенные технологические трудности, главными из которых стали приведенные ниже.

Были рассчитаны допустимые нагрузки на тело качения по чугуну, которые оказались в 30 раз (шарики) и в 20 раз (ролики) меньше, нежели по закаленной стали. Естественно, в целях обеспечения большой нагрузочной способности и возможности создания требуемого преднатяга, перемещение тел качения должно происходить не по станине, а по закаленным (HRC 58-62) поверхностям специализированных накладок или планок, изготовленных из стали.

Направляющие планки с прямоугольным сечением для статичного узла должны точно обрабатываться (допуск 10-20 мкм) по всей длине. Обработке подвергаются верхние и боковые плоскости для обеспечения точности передвижений и сохранения предварительного натяга по всему пути подвижного узла.

Регулировка «танкеток» должна быть проведена с помощью проставок или клиньев для получения требуемого преднатяга и точного уровня, даже несущественные перекосы способны привести к заклиниванию.

Производство и монтаж с помощью неподвижного узла станка (станины, стойкие и др.) сверхточных шлифованных или закаленных накладок, регулирование «танкеток» требуют значительных временных затрат и привлечения квалифицированных специалистов.

В дальнейшем усовершенствование направляющих качения привело к появлению нового их класса, а именно — рельсовых направляющих качения.

Существенным улучшением направляющих такого типа, в сравнении с описанными выше роликовыми направляющими, оснащенными «танкетками», стало перемещение тел качения по точно обработанным рельсам, которые устанавливаются на неподвижном узле, а не по поверхности статичного узла станка.

В таком случае тела качения – шарики – размещаются в блоке качения – каретке, поставляемой в комплекте с рельсом, а также необходимым клиенту заранее произведенным преднатягом.

Рельсы (как правило, два) монтируются на неподвижном станочном узле, при этом точная обработка необходима только двум верхним плоскостям блока направляющих станины. Плоскость станины  производится с упорным буртом (или без него). Один рельс выставляют первым — он является базовым. Второй монтируют параллельно базовому либо по упорному бурту, а затем закрепляют. Так устраняют основные технологические трудности, описанные выше при обсуждении систем направляющих с «танкетками».

На каретки (по одной или двум на одном рельсе) закрепляются подвижные узлы станка.

Сегодня рельсовые направляющие качения представляют наиболее предпочтительный тип направляющих для высокопроизводительных  и высокоскоростных обрабатывающих ЧПУ-центров, для других типов станков высокой точности, а также для высокоскоростных роботов  и  прочих машин и приборов.