Jak dobrać moduł liniowy: obciążenie, prędkość, siła posuwu i skok

Dobór modułu liniowego wyłącznie według skoku to najczęstsza przyczyna osi zbyt wolnych, przeciążonych lub głośnych. Ten poradnik pokazuje kroki doboru stosowane przez konstruktorów – obciążenie, profil ruchu, siłę posuwu, momenty i silnik – i kończy się przykładem obliczeniowym na rzeczywistych danych.

1. Zbierz dane aplikacji

• Masa w ruchu: detal + chwytak lub narzędzie + płyta adaptera.
• Pozycja montażu: poziomo, pionowo lub na ścianie.
• Skok i wymagany czas cyklu (lub czas pojedynczego ruchu).
• Położenie obciążenia: odległość środka ciężkości od wózka (wysięg).
• Dokładność: wymagana powtarzalność.
• Siły procesowe: siły wciskania, wkręcania lub obróbki działające na wózek.
• Otoczenie: pył, wióry, chłodziwo, clean room.

2. Wybierz rodzaj napędu

Zwykle o napędzie decydują dokładność, skok i prędkość: śruba kulowa dla dokładnych, sztywnych i pionowych osi; pasek zębaty dla długich i szybkich skoków; przekładnia zębatkowa dla bardzo długich i ciężkich osi; silnik liniowy dla najwyższej dynamiki. Zobacz Śruba kulowa czy pasek zębaty.

3. Sprawdź udźwig dla pozycji montażu i skoku gwintu

Dopuszczalny udźwig silnie zależy od pozycji montażu, a w modułach śrubowych także od skoku gwintu. Przykład: BSS140 z serwosilnikiem 400 W:

To typowa zależność: większy skok gwintu daje większą prędkość, ale mniejszą siłę posuwu i udźwig; udźwig pionowy jest znacznie mniejszy, bo napęd musi stale utrzymywać cały ciężar.

4. Określ profil ruchu

Większość ruchów ma profil trapezowy: przyspieszenie, jazda ze stałą prędkością, hamowanie. Przy skoku s, prędkości v i przyspieszeniu a (tym samym przy rozpędzaniu i hamowaniu) czas ruchu wynosi:

t = s / v + v / a

(wzór obowiązuje, gdy skok pozwala osiągnąć pełną prędkość, czyli s ≥ v² / a). Wymagana prędkość wyznacza minimalny skok gwintu: skok gwintu = v / prędkość obrotowa silnika. Przy serwosilniku 3000 obr./min (50 obr./s) 500 mm/s wymaga skoku 10 mm, a 1000 mm/s – skoku 20 mm.

5. Sprawdź siłę posuwu

Napęd musi dostarczyć siłę potrzebną do przyspieszenia ładunku, pokonania tarcia, a w osiach pionowych – także do podnoszenia ciężaru:

• Poziomo: F = m · a + μ · m · g + F_proces
• Pionowo (w górę): F = m · (g + a) + F_proces

gdzie μ ≈ 0,01 dla prowadnic kulkowych, a g = 9,81 m/s². W przypadku śruby kulowej dostępna siła posuwu wynika z momentu silnika T, sprawności η (zwykle 0,85–0,9) i skoku gwintu P: F = 2π · T · η / P. Serwosilnik 400 W daje ok. 1,27 N·m momentu znamionowego; przy η ≈ 0,87 daje to ok. 1390 N przy skoku 5 mm – wartość z tabeli. Porównaj wymaganą siłę z nominalną siłą posuwu i zachowaj zapas.

6. Sprawdź momenty

Jeśli środek ciężkości jest przesunięty względem wózka, ładunek wywołuje na prowadnicy momenty pochylające, odchylające i przechylające. Duży wysięg może przeciążyć moduł nawet wtedy, gdy masa jest znacznie mniejsza od udźwigu nominalnego. Sprawdź dopuszczalne momenty statyczne i dynamiczne na stronie produktu; jeśli są przekroczone, zmniejsz wysięg, wybierz szerszy moduł lub moduł z podwójną prowadnicą albo podwójnym napędem.

7. Silnik, hamulec i sterowanie

• Przyjmij zalecaną wielkość silnika jako punkt wyjścia i potwierdź moment, prędkość oraz stosunek bezwładności w narzędziu doboru producenta silnika.
• Osie pionowe wymagają silnika z hamulcem, aby ładunek nie opadł po zaniku zasilania.
• Ustal rozmieszczenie czujników bazowania i krańcowych oraz położenie silnika (w osi lub równolegle) zgodnie z dostępną przestrzenią.

Przykład obliczeniowy

Zadanie: przemieścić ładunek 15 kg (detal + chwytak) poziomo na odcinku 600 mm w 0,8 s, powtarzalność ±0,02 mm, bez sił procesowych.

1. Napęd: ±0,02 mm i skok 600 mm → śruba kulowa.
2. Profil ruchu: przy v = 1,0 m/s i a = 5 m/s² t = 0,6 / 1,0 + 1,0 / 5 = 0,8 s. ✔
3. Skok gwintu: 1000 mm/s przy 3000 obr./min → skok 20 mm.
4. Udźwig: BSS140 ze skokiem 20 mm przenosi 40 kg poziomo → 15 kg jest w porządku.
5. Siła posuwu: F = 15 · 5 + 0,01 · 15 · 9,81 ≈ 77 N. Nominalna siła posuwu przy skoku 20 mm to 347 N – duży zapas na masę wózka i szczyty przyspieszenia.
6. Dokładność i skok: powtarzalność ±0,01 mm i zakres skoku 100–1050 mm. ✔

Wynik: BSS140, skok gwintu 20 mm, skok 600 mm, serwosilnik 400 W – następnie sprawdź momenty dla rzeczywistego przesunięcia chwytaka.

To samo zadanie w pionie: przy skoku 20 mm udźwig pionowy wynosi tylko 10 kg, więc 15 kg to za dużo. Skok 10 mm pozwala na 22 kg w pionie, ale ogranicza prędkość do 500 mm/s – ruch trwa wtedy ok. 1,3 s. Jeśli w pionie wymagane jest 0,8 s, warto rozważyć większy rozmiar (np. BSS170) lub układ odciążenia – a silnik z hamulcem jest w każdym przypadku obowiązkowy.

Najczęstsze pytania

Jaki zapas należy przewidzieć?

Wielu konstruktorów zachowuje współczynnik ok. 1,5–2 między obliczonym obciążeniem lub siłą a wartością nominalną, a większy przy obciążeniach udarowych, intensywnej pracy lub niepewnych siłach procesowych.

Dlaczego udźwig pionowy jest dużo mniejszy niż poziomy?

W osi pionowej napęd stale utrzymuje cały ciężar i dodatkowo musi go przyspieszać w górę, dlatego ten sam silnik i ta sama śruba przemieszczają znacznie mniejszą masę. Hamulec utrzymuje ładunek po zaniku zasilania.

Czym różni się powtarzalność od dokładności?

Powtarzalność określa, jak precyzyjnie oś wraca do tej samej pozycji. Dokładność bezwzględna określa, jak blisko oś dociera do dowolnej zadanej pozycji na skoku. Większość zadań automatyki zależy od powtarzalności; dokładność bezwzględna zależy dodatkowo od klasy śruby, montażu i kalibracji.

Sprawdzimy Twój dobór

Prześlij nam masę w ruchu, jej przesunięcie, pozycję montażu, skok, czas cyklu i wymaganą dokładność – sprawdzimy udźwig, siłę posuwu i momenty oraz zaproponujemy moduł z rysunkiem do weryfikacji. Skontaktuj się z nami lub zobacz jednoosiowe moduły liniowe.