Napędy liniowe – charakterystyka

Napędy liniowe – charakterystyka Adobe Stock – dizfoto1973
14.7.2023

Napędy liniowe to mechanizmy, których zadaniem jest wprawianie w ruch liniowy lub ruch w linii prostej poszczególnych elementów maszyn i urządzeń. Ruch postępowy, zależnie od wymagań, jest wytwarzany poprzez przekształcenie energii sprężonego gazu, hydraulicznej lub elektrycznej. Cechą charakterystyczną napędów liniowych jest ich płynny ruch, duża dynamika, dokładność i powtarzalność.

  • Zasada działania pneumatycznych napędów liniowych opiera się na zamianie energii sprężonego gazu na ruch liniowy. Można je podzielić ze względu na budowę zastosowanych siłowników
  • Napędy hydrauliczne liniowe najczęściej wykorzystywane są w aplikacjach, w których potrzebna jest duża wydajność i niezawodność.
  • Elektryczne napędy liniowe działają na zasadzie zmiany energii elektrycznej na energię kinetyczną ruchu postępowego. W większości przypadków zastosowanie mają napędy, które składają się z silników obrotowych z mechanizmami do zamiany ruchu obrotowego na ruch liniowy. 
  • Silniki liniowe znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach, które wymagają dużej wydajności z możliwie minimalnym tarciem.

Napędy przemysłowe odgrywają bardzo istotną rolę w automatyzacji przedsiębiorstw. Wybór odpowiedniego napędu wpływa na efektywność wykorzystania maszyn i urządzeń, koszty eksploatacji, a także bezpieczeństwo obsługi.

Pneumatyczne napędy liniowe

Zasada działania napędów pneumatycznych opiera się na zamianie energii sprężonego gazu na ruch liniowy. Najczęściej do generowania ruchu wykorzystywane jest powietrze atmosferyczne, które jest łatwe w magazynowaniu i transporcie. Dzięki zastosowaniu odpowiedniej filtracji i oczyszczeniu z jakichkolwiek zanieczyszczeń powoduje, że powyższe medium nie stanowi zagrożenia dla środowiska oraz ludzi.

Poniżej przedstawiono podstawowy podział linowych napędów pneumatycznych ze względu na budowę zastosowanych siłowników:

Siłowniki beztłoczyskowe

Po podaniu medium roboczego do komory cylindra siła z tłoka jest przenoszona na wózek, który porusza się ruchem prostoliniowym po specjalnej prowadnicy zamontowanej na obudowie siłownika. Wbudowane w tłoku magnesy trwałe umożliwiają dzięki sprzężeniu magnetycznemu przesuw zewnętrznego wózka. Prosta konstrukcja i brak zjawiska wyboczenia tłoka umożliwia zastosowanie siłowników w dużych przemieszczeniach. 

Główne elementy dwustronnych napędów beztłoczyskowych to: pokrywa lewa, pokrywa prawa, przecięty wzdłuż profil cylindra, tłok sprzężony z wózkiem, prowadnice z łożyskowaniem rolkowym, kulkowym lub ślizgowym oraz taśmy maskująca i uszczelniająca.

Siłowniki beztłoczyskowe są bardzo rozpowszechnione, ponieważ przy tej samej wartości skoku tłoka wymagają o połowę mniejszej długości do zabudowy w porównaniu z siłownikami z tłoczyskiem. Stosowane są przede wszystkim w aplikacjach o dłuższych drogach przesuwu (np. jako napęd podstawowy w systemach wieloosiowych i w zadaniach do przenoszenia lub podawania).

Siłowniki tłoczyskowe

Po podaniu medium roboczego i wypełnieniu komory cylindra, energia przyłożona do tłoka przeosi ruch liniowy na wałek tłoczyska. Siła generowana przez siłownik zależy od ciśnienia gazu i średnicy tłoka.

Siłowniki z tłoczyskiem występują jako siłowniki okrągłe, profilowe, kompaktowe, o krótkim skoku, miniaturowe, wkręcane lub siłownik ze stali nierdzewnej. Odporna na korozję konstrukcja umożliwia zastosowanie siłowników w trudnych i wybuchowych środowiskach.

Dzięki swojej konstrukcji znalazły zastosowanie w urządzeniach automatyki przemysłowej, m.in. w aplikacjach otwierania, zamykania, narzędziach pneumatycznych, robotach przemysłowych i systemach transportowych. Dostępne są również specjalne wersje siłowników wyposażone w zintegrowany pozycjoner tłoka lub enkoder, który odmierza wysunięcie tłoczyska.

Pneumatyczne siłowniki tłoczyskowe ze względu na konstrukcję można podzielić na: 

  • Siłowniki jednostronnego działania – są zasilane tylko z jednej strony cylindra i pod wpływem ciśnienia wykonują ruch tylko w jednym kierunku. Powrót tłoczyska do pozycji wyjściowej wykonywany jest za pomocą sprężyny, ciężaru lub grawitacyjnie.
  • Siłowniki dwustronnego działania – wykorzystują ciśnienie powietrza do wytworzenia siły w dwóch kierunkach. Wysuw lub powrót tłoczyska realizowany jest poprzez dopowiedzenie sprężonego gazu z jednej strony, a zmiana kierunku następuje po zmianie strony zasilania.

Powszechna dostępność medium roboczego, stosunkowo prosta konstrukcja i łatwa obsługa sprawiły, że liniowe napędy pneumatyczne są doceniane przez użytkowników. Przede wszystkim podczas wycieków nie stanowią zagrożenia dla środowiska ani ludzi. Charakteryzują się dużą trwałością i precyzją w działaniu.

Dość dobrze radzą sobie w skrajnych warunkach, tzn. są odporne na wstrząsy, wibracje i zmianę temperatury otoczenia. Oprócz wielu zalet napędy pneumatyczne mają jednak także wady. Charakteryzują się głośną pracą, brakiem precyzyjnego sterowania i ograniczonymi możliwościami kontroli prędkości.

Hydrauliczne napędy liniowe

Zasada działania hydraulicznych napędów liniowych polega na wykorzystaniu cieczy pod ciśnieniem do wytworzenia siły w celu przemieszczenia wzdłuż linii prostej ruchomych elementów roboczych. Najczęściej jednostką napędową układu jest indukcyjny silnik elektryczny, który załącza pompę hydrauliczną.

Olej hydrauliczny jest tłoczony do cylindra, a sterowanie jego przepływem (ruchem liniowym tłoczyska) odbywa się za pomocą elektrozaworów. Pomiar kontrolny ciśnienia oleju w instalacji pozwala na określenie występujących sił nacisku. W hydraulicznych napędach linowych – podobnie jak w elektrycznych – mają zastosowanie siłowniki dwustronnego i jednostronnego działania.

Napędy hydrauliczne liniowe są podstawą napędu różnych maszyn i urządzeń. Najczęściej wykorzystuje się je w aplikacjach, w których potrzebna jest duża wydajność i niezawodność. Stosowane są w maszynach górniczych, rolniczych i budowlanych, służą także do otwierania i zamykania bram.

Napędy mają również zastosowanie w wielu maszynach warsztatowych, samolotach, prasach, robotach i podnośnikach. Specjalnej konstrukcji napędy hydrauliczne wykonują ciężką pracę na statkach rzecznych i pokładach lodołamaczy.

Niewątpliwie do zalet liniowych napędów hydraulicznych należy zdolność do generowania dużej siły docisku i możliwość precyzyjnej kontroli ruchu. Ponadto napędy te charakteryzują się wysoką niezawodnością, długą żywotnością i niskimi kosztami konserwacji.

Napędy hydrauliczne mają także wady. Są nimi: głośna praca pomp hydraulicznych, możliwość zapowietrzenia układu i konieczność regularnej konserwacji napędów.

Elektryczne napędy liniowe

Elektryczne napędy liniowe działają na zasadzie zmiany energii elektrycznej na energię kinetyczną ruchu postępowego. W większości przypadków zastosowanie mają napędy, które składają się z silników obrotowych z mechanizmami do zamiany ruchu obrotowego na ruch liniowy. Coraz częściej spotykanym rozwiązaniem jest jednak zastosowanie elektrycznych silników liniowych, które oferują wysoką precyzję i dokładność.

Wśród stosowanych elektrycznych napędów liniowych zastosowanie mają poniżej wymienione.

Elektryczny siłownik liniowy

To urządzenie, które przy pomocy śruby z nakrętką przekształca ruch obrotowy silnika na ruch liniowy. Silnik elektryczny poprzez zastosowaną przekładnię uruchamia obrót śruby pociągowej, po której przesuwa się nakrętka. Przymocowany do nakrętki tłok wysuwa się lub wraca do osłony siłownika. Zakres pracy tłoka realizowany jest przy użyciu wyłączników krańcowych lub przeciążeniowych.

Elektryczne siłowniki liniowe umożliwiają uzyskanie prostego, bezpiecznego ruchu z dokładną i płynną regulacją. Wykorzystywane są jako siłowniki otwarcia i zamknięcia bram oraz klap wentylacyjnych, a także do regulacji wysokości oparć w fotelach. Stosuje się je także w automatyce przemysłowej, motoryzacji, medycynie, w maszynach rolniczych i budowlanych oraz w urządzeniach AGD. Zależnie od zastosowania siłowniki liniowe mogą być zasilane napięciem stałym lub zmiennym.

Elektryczny napęd liniowy ze śrubą

Przenosi on ruch obrotowy z silnika na ruch liniowy wózka na prowadnicy. Zastosowanie śrub kulowych lub trapezowych w aplikacjach, które nie wymagają dużej dynamiki, umożliwia uzyskanie dokładnego i powtarzalnego pozycjonowania. Dla śruby z nakrętką kulową wynosi ono do ±0,025 mm. Jednostki napędowe ze śrubą pociągową charakteryzują się dużą wytrzymałością i dobrymi właściwościami dynamicznymi.

Elektryczny napęd liniowy paskowy z wózkiem

Umożliwia on wykonywanie ruchów o dużej niezawodności i dynamice. Zastosowanie paska zębatego wzmocnionego stalowymi drutami zapobiega powstaniu poślizgów i pozwala na szybsze zmiany kierunku. Wprowadzenie łożysk kulkowych do prowadzenia wózka sprawia, że możliwy jest transport dużych obciążeń i momentów. Powtarzalność pozycjonowania jest mniejsza niż przy śrubie kulowej i wynosi 0,1 mm przy prędkości do 10 m/s.

Elektryczne napędy liniowe są bardzo proste w obsłudze, a ich zwarta budowa umożliwia uruchamianie jednostek zgodnie z zasadą „plug and work”. Zastosowanie serwonapędów w sterowaniu pracą napędów liniowych pozwala na uzyskanie wysokiej precyzji i powtarzalności pozycjonowania.

Silniki liniowe jako napęd bezpośredni

Silniki liniowe w przeciwieństwie do silników indukcyjnych nie generują ruchu obrotowego w napędzanym obiekcie. Pole elektromagnetyczne o ruchu postępowym uzyskiwane jest jakby po rozcięciu i rozwinięciu silnika konwencjonalnego. Rozwinięcie stojana i wirnika odpowiada konstrukcji silnika płaskiego. Ponowne zwinięcie elementów wokół osi wzdłużnej pozwala na uzyskanie silnika rurowego, zwanego również tubowym. Dostępne są również rozwiązania u-kanałowe.

Charakterystyczną cechą elektrycznych silników liniowych jest tworzenie i przekazywanie energii kinetycznej ruchu postępowego bez użycia dodatkowych elementów mechanicznych przeniesienia napędu. Z tego powodu silniki liniowe określane są często jako napędy bezpośrednie.

Elektryczne silniki liniowe składają się z uzwojonej części pierwotnej (wzbudnika) i części wtórnej (bieżnika). Po podaniu zasilania prąd, który płynie w uzwojeniach części pierwotnej, wytwarza pole magnetyczne i oddziałuje na zasadzie indukcji elektromagnetycznej z częścią wtórną. Wytworzona siła ciągu powoduje przesunięcie na długości ścieżki magnetycznej jednego z elementów maszyny. Bieżnik ma kształt płaskiej szyny i jest na ogół dłuższy od części pierwotnej.

Głównymi zaletami napędów elektromagnetycznych są ich trwałość, niezawodność i doskonałe parametry dynamiczne. Szybkość i przyspieszenie nie są w tym przypadku ograniczone tarciem ani bezwładnością.

Silniki linowe dzięki prostej budowie znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach, które wymagają dużej wydajności z możliwie minimalnym tarciem. Wykorzystywane są w napędach trakcji kolejowej, posuwu w obrabiarkach sterowanym numerycznie i mechanizmach robotów przemysłowych. Stosowane są również jako mechanizmy, które przemieszczają głowicę w dyskach twardych, i do zmiany kąta położenia materaca w łóżkach szpitalnych.

Wybór odpowiedniego rodzaju napędu liniowego powinien być poprzedzony analizą wymagań, jakie się przed nim stawia. Tylko bowiem użycie właściwego napędu umożliwi długą i bezawaryjną pracę. Wybierając konkretny napęd, warto też zwrócić szczególną uwagę na te rozwiązania, które przyniosą największe oszczędności.

O Autorze

Tagi artykułu

MM Magazyn Przemysłowy 5-6/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę