Prowadnice wózkowe mają różne warianty konstrukcji. Jako elementy toczne stosuje się w nich wałeczki lub kulki łożyskowe. Wózki wałeczkowe mają zazwyczaj po 4 obiegi elementów tocznych. Kulkowe – po 2, 4 lub 6 obiegów. Od liczby obiegów i geometrii ich bieżni w prowadnicy zależy w głównej mierze nośność układu.

Systemy pomiaru położenia liniowego
W coraz większej liczbie zastosowań technicznych nieodzowna staje się potrzeba dokładnego określenia położenia ruchomego elementu maszyny w każdym momencie jej pracy. Producenci systemów łożyskowania liniowego starają się sprostać tym potrzebom i oferują szereg rozwiązań umożliwiających pomiar położenia zintegrowany z wózkiem i prowadnicą liniową. Wózek jest zazwyczaj zaopatrzony w głowicę, która odczytuje pozycję z prowadnicy, a następnie z pomocą odpowiednich konwerterów i wzmacniaczy przesyła ją w postaci sygnału analogowego bądź cyfrowego do sterownika lub komputera.

W przemyśle do precyzyjnego określania położenia liniowego stosuje się różne rozwiązania. Można je podzielić na kilka grup w zależności od zastosowanej zasady fizycznej.

1. W systemach magnetooporowych ruchoma głowica wyposażona w sensor MR (ang. Magnero-Resistive) lub czujnik Halla przesuwa się po listwie magnetycznej zintegrowanej z prowadnicą. W listwie zatopione są bardzo gęsto ułożone na przemian domeny magnetyczne N i S (ilustracja 1.). Głowica, prześlizgując się po listwie ,rejestruje okresowe zmiany pola magnetycznego. Na bazie tych odczytów układ elektroniczny jest w stanie dokładnie określić położenie głowicy na prowadnicy. Domeny magnetyczne mogą być rozmieszczone w odległościach od 0,4 do 10 mm, ale – dzięki konstrukcji głowicy (sin-cos) oraz interpolacji odczytów – można uzyskać rozdzielczość nawet do 0,5 μm.

2. Systemy optyczne działają w oparciu o ruchomy sensor optyczny, który współpracuje z odpowiednio przygotowaną podziałką wygrawerowaną na prowadnicy. Sensor rejestruje zmiany jasności światła odbitego od prowadnicy. W systemach optycznych można osiągnąć największą rozdzielczość. Pojedyncza podziałka może tu mieć nawet poniżej 10 μm, a rozdzielczość może dochodzić do 0,1 μm.

3. Systemy indukcyjne wykorzystują zjawisko indukcji elektromagnetycznej. W prowadnicę wbudowana jest specjalna listwa, która budową przypomina nieco rdzeń transformatora. Podczas ruchu głowica rejestruje zmiany amplitudy i fazy prądu elektrycznego. Tego typu system pomiarowy jest bardzo odporny na uszkodzenia mechaniczne, ale trudno uzyskać rozdzielczość poniżej 1 mm.

Pomiar pośredni czy bezpośredni
W praktyce układ łożyskowania liniowego najczęściej współpracuje z danym zespołem napędowym. Zazwyczaj jest to śruba napędowa, listwa zębata lub pas zębaty. Rodzi się zatem pytanie, dlaczego nie skorzystać ze sterownika zespołu napędowego lub prostego enkodera obrotowego? Znając kąt obrotu wału napędowego, możemy przecież obliczyć odległość, o jaką przesunie się napędzany układ liniowy. Jest to tzw. pośredni system pomiarowy. Niewątpliwą zaletą takiego rozwiązania jest jego niski koszt. Musimy jednak pamiętać, że każda operacja przeliczania wartości zawsze obarczona jest pewnym błędem (np. dokładność reprezentacji liczb zmiennoprzecinkowych w maszynie cyfrowej, błędy zaokrągleń). Jeśli do tego podczas długotrwałej eksploatacji pojawią się termiczna pewnych elementów maszyny, to po pewnym czasie może się okazać, że błędy przeliczeń sumują się, a w konsekwencji oś maszyny „gubi pozycję”.

Wad tych pozbawiony jest układ pomiarowy zintegrowany z wózkiem liniowym. Jest to pomiar bezpośredni, a więc zawsze jesteśmy w stanie odczytać rzeczywistą pozycję ruchomej części maszyny w stosunku do stojana. Głowica czytająca operuje bardzo blisko listwy pomiarowej, co minimalizuje błędy odczytu, a sama listwa pomiarowa wykonana jest materiału o rozszerzalności cieplnej zbliżonej do rozszerzalności prowadnicy liniowej. Tak więc zastosowanie bezpośredniego układu pomiarowego zapewnia dokładniejsze, powtarzalne odczyty, większą niezawodność i odporność na wpływ czynników zewnętrznych.

Systemy pomiarowe w praktyce
Na ilustracji 2 przedstawiono system łożyskowania liniowego wózek-prowadnica ze zintegrowanym systemem pomiarowym magnetooporowym na przykładzie produktu firmy Schneeberger. Producent ten oferuje możliwość integracji z systemem pomiarowym wszystkich typów swoich liniowych prowadnic wózkowych, tzw. Monorail, zarówno kulkowych (BM), jak i wałeczkowych (MR). Dostępne są systemy z pomiarem inkrementalnym oraz absolutnym (a więc pamiętające pozycję wózka również po wyłączeniu zasilania). W zależności od potrzeb możemy nasz system pomiarowy wyposażyć w interfejs analogowy lub cyfrowy. Dostępnych jest wiele popularnych standardów. Przy zakupie warto poprosić o dobranie odpowiedniego kabla do połączenia systemu pomiarowego z naszym sterownikiem lub komputerem. Tu również mamy do dyspozycji wiele popularnych standardów (np. Heidenhein, Siemens, Fanuc).

Najbardziej typowym rozwiązaniem jest zastosowanie dwóch prowadnic i czterech wózków (po dwa wózki na każdej prowadnicy) dla każdej osi maszyny. W takim przypadku wystarczy, że w zintegrowany system pomiarowy wyposażone będą jedna z prowadnic i jedna z wózków.

Ilustracja 3 prezentuje łożysko liniowe typu Minirail ze zintegrowanym systemem pomiarowym firmy Schneeberger. Jest to bardzo interesujące rozwiązanie dla konstruktorów miniaturowych urządzeń mechatronicznych lub różnego rodzaju robotów. Wózki liniowe Minirail (MNN) wyposażone są w dwa obiegi kulek łożyskowych. Dzięki swej przemyślnej konstrukcji łożyska liniowe typu MNN zajmują minimalną przestrzeń, zachowując doskonałe własności jezdne. Można je zamówić także ze zintegrowanym systemem pomiarowym. W tym przypadku jest to inkrementalny system pomiarowy zbudowany w oparciu o odczyt optyczny. Dokładność podziałki wygrawerowanej na prowadnicy liniowej może wynosić nawet do 5 μm, a rozdzielczość odczytu (po obróbce sy gnału) nawet do 0,1 μm. Do dyspozycji jest interfejs analogowy lub cyfrowy TTL (standard RS-422). Do kompletu producent oferuje konwertery sygnału – USB Counter 026 (dla 1 osi) oraz USB Counter 046 (dla 3 osi), dzięki którym w prosty sposób możemy podłączyć system pomiarowy do komputera PC, tabletu czy laptopa z systemem Windows XP/Vista/7. Dostępna jest ponadto aplikacja demonstracyjna dla komputera PC pozwalająca na bieżąco na wykresie śledzić położenie wózka MNN z systemem pomiarowym. Dla programistów, chcących napisać własne oprogramowanie, korzystające z odczytów systemu pomiarowego przez USB Counter, dostępne są biblioteki DLL. Dla pozostałych użytkowników producent ma w ofercie gotowy do użycia ekran dotykowy w obudowie przemysłowej Sirius II, umożliwiający odczyt pozycji z liniowego systemu pomiarowego oraz kilka podstawowych funkcji.

Warto spróbować
Łożyska liniowe zbudowane na bazie profilowanej szyny i wózka ze zintegrowanym systemem pomiarowym dają potężne możliwości w projektowaniu i budowaniu nowoczesnych maszyn i urządzeń dla przemysłu, laboratoriów, a także innowacyjnych projektów badawczych. Świat nieustannie mknie do przodu. Nauka i przemysł wciąż podwyższają poprzeczkę. Aby nadążyć za peletonem, powinniśmy naszym projektom zapewnić najbardziej płynny posuw liniowy z najdokładniejszym odczytem pozycji. Wbrew pozorom nie są to rozwiązania bardzo kosztowne, zwłaszcza w kontekście zalet i zysków, jakie otrzymujemy wraz z ich zastosowaniem.