направляющие качения и система направляющих качения

Формула изобретения

1. Направляющая качения, содержащая рейку и каретку с установленными на ней роликами, оси которых расположены в параллельных плоскостях, перпендикулярных оси рейки, выполненной с тремя расположенными под углами друг к другу плоскостями качения для роликов каретки, отличающаяся тем, что две из плоскостей качения предназначены для качения роликов каретки, контактирующих с ними цилиндрической поверхностью по нижней своей образующей, а третья плоскость - для качения ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по верхней своей образующей, причем углы между плоскостями качения рейки выбраны из условия исключения смещения каретки в направлении, отличном от направления ее перемещения.

2. Направляющая качения по п.1, отличающаяся тем, что рейка выполнена из отдельных деталей, собранных в единый элемент.

3. Направляющая качения по п.1, отличающаяся тем, что каретка расположена над рейкой и является съемной.

4. Направляющая качения по п.1, отличающаяся тем, что каретка снабжена средством для создания усилия прижима к рейке ролика, контактирующего с ее плоскостью качения по верхней своей образующей.

5. Система направляющих качения, содержащая две разнесенные в пространстве направляющие качения, каретки направляющих, жестко соединенные между собой рабочим органом, причем оси направляющих расположены в одной плоскости параллельно друг другу, отличающаяся тем, что одна из направляющих качения выполнена по п.1, а в качестве другой использована направляющая качения, содержащая рейку с двумя расположенными под углом друг к другу плоскостями качения для роликов каретки, одна из плоскостей качения которой предназначена для качения ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по нижней своей образующей, а вторая плоскость качения - для ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по верхней своей образующей, или направляющая качения, содержащая рейку с двумя параллельными и горизонтально расположенными плоскостями качения для роликов каретки, верхняя плоскость качения которой предназначена для качения ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по нижней своей образующей, а нижняя плоскость качения - для ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по верхней своей образующей.

6. Система направляющих качения по п.5, отличающаяся тем, что рейки направляющих качения выполнены из отдельных деталей, собранных в единый элемент.

7. Система направляющих качения по п.5, отличающаяся тем, что каретки направляющих качения расположены над рейками и выполнены съемными.

8. Система направляющих качения по п.5, отличающаяся тем, что каретки направляющих качения снабжены средством для создания усилия прижима к рейке роликов, контактирующих с плоскостью качения по верхней своей образующей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может найти применение в металлообрабатывающих станках с перемещающимся рабочим органом, а также в конструкциях приборов, оборудования и технологических машин, оснащенных направляющими качения.

Известны направляющие качения для стола металлообрабатывающего станка, содержащие основные роликовые опоры с закрепленными осями и механизм предварительного натяга. Механизм предварительного натяга выполнен в виде дополнительных роликовых опор с закрепленными осями, установленных на упругих элементах и расположенных зеркально над основными опорами, при этом основные и дополнительные роликовые опоры размещены в несущих направляющих элемента С-образной формы (Патент №2083344, кл. В 23 Q 1/01, дата публикации 10.07.1997).

Недостатком данной конструкции является то, что в ней не предусмотрена защита от перемещения направляющей по каналу в поперечном направлении, что в результате:

а) ведет к трению боковых поверхностей роликов об накладные планки и может привести к износу подшипников и заклиниванию стола;

б) снижает точность обработки материала.

Кроме того, данная конструкция достаточно сложна в изготовлении и сборке. Так как каналы, образованные накладными планками, должны отвечать требованиям высокой прямолинейности, а при сборке (как одного несущего направляющего элемента, так и всей конструкции в целом) необходимо обеспечить высокую параллельность всех каналов по отношению друг к другу.

Также известна направляющая качения, содержащая рейку с тремя расположенными под углом плоскостями и каретку с установленными на ней посредством осей роликами. Ролики расположены в двух параллельных плоскостях, перпендикулярных оси рейки, а оси роликов расположены под углом друг к другу. В каждой плоскости расположены по две оси роликов, внешние поверхности которых катаются по двум плоскостям рейки, а пятый ролик, установленный на ползуне посредством оси и расположенный между упомянутыми плоскостями, катается по третьей поверхности рейки. Ползун снабжен средством, создающим усилие прижима пятого ролика к рейке и рейки к остальным четырем роликам (Заявка №94030346, кл. F 16 С 29/04, дата публикации 20.08.1996).

Данная направляющая имеет следующие недостатки:

а) низкая ремонтопригодность ввиду сложности съема каретки с рейки (каретка охватывает рейку со всех сторон и для снятия каретки необходимо освободить один из концов рейки от закрепления);

б) невозможность использования направляющей такой конструкции для перемещения рабочего органа на большие расстояния. Это объясняется тем, что изготовить несоставную рейку большой длины достаточно сложно, а в случае наборной рейки необходимо обеспечить надежную и качественную стыковку составных частей рейки (качественный стык обеспечивает плавное прохождение ролика, уменьшает износ роликов и рейки). Кроме того, рейка в данной конструкции не предусматривает дополнительных опор и креплений, кроме как на концах рейки, и на больших длинах рейка испытывает значительные механические нагрузки (изгибающие и крутящие моменты и т.д.).

Направляющая по заявке №94030346 была выбрана прототипом к заявляемой направляющей качения.

Вышеуказанные аналоги имеют еще один общий недостаток - подвижные части конструкций имеют большую массу и обладают высокой инертностью, это сказывается на скорости их перемещения, требует повышенных затрат мощности приводных устройств и негативно сказывается на работе всего устройства в целом.

Известны направляющие качения, обеспечивающие предварительный натяг поступательного перемещающегося узла, например стола координатно-расточного станка, и состоящие из закаленных стальных планок и опор качения. Опоры качения выполнены в виде комбинации цилиндрических и нецилиндрических роликов, цилиндрические ролики расположены сверху планок, а нецилиндрические - под углом 45° к первым и связаны с планками через круглые скалки, причем на планках выполнены V-образные углубления для размещения скалок (Авторское свидетельство СССР №490627, кл. В 23 Q 1/01, дата публикации описания 10.02.1976).

У данного технического решения выявлены следующие недостатки:

1) данное техническое решение является сложным ввиду большого количества используемых конструктивных элементов;

2) применение компенсационных прокладок, скалок и корсетных роликов значительно повышает трудоемкость изготовления и сборки конструкции;

3) необходимость обеспечения высокой параллельности расположения стальных планок и скалок также повышает трудоемкость изготовления и сборки конструкции;

4) низкая ремонтопригодность ввиду сложности съема каретки с рейки.

Техническое решение по авторскому свидетельству СССР №490627 было выбрано прототипом к заявляемой системе направляющих качения.

Задачи изобретения:

1. Создание направляющей качения, обеспечивающей безотрывное, с минимальным коэффициентом трения, бесшумное линейное перемещение каретки с установленным на ней рабочим органом на большие расстояния и исключающей смещение каретки в направлении, отличном от направления ее перемещения.

Направляющая должна быть легкой по массе и обеспечивать быстрое снятие каретки с рейки, не нарушая при этом положения, в котором была установлена и закреплена несущая рейка. Кроме того, конструкция направляющей должна предусматривать возможность быстрого и простого устранения люфтов, образующихся в результате укатывания роликовых опор в процессе работы.

2. Создание системы направляющих качения, обеспечивающих безотрывное, с минимальным коэффициентом трения, бесшумное линейное перемещение протяженного рабочего органа на большие расстояния, исключающей смещение рабочего органа в направлении, отличном от направления его перемещения. Причем система может включать в себя направляющие качения, как различные по конструкции, так и одинаковые, что определяется главным образом экономичностью конструкции и простотой ее изготовления.

Направляющие, входящие в систему, должны быть легкими по массе и обеспечивать быстрое снятие кареток с реек в каждой направляющей, не нарушая при этом положения, в котором были установлены и закреплены несущие рейки. Кроме того, конструкции направляющих должны предусматривать возможность быстрого и простого устранения люфтов, образующихся в результате укатывания роликовых опор в процессе работы.

Поставленные задачи решаются созданием:

1. Направляющей качения, содержащей рейку и каретку с установленными на ней роликами, оси которых расположены в параллельных плоскостях, перпендикулярных оси рейки, выполненной с тремя расположенными под углами друг к другу плоскостями качения для роликов каретки, при этом две из плоскостей качения предназначены для качения роликов каретки, контактирующих с ними цилиндрической поверхностью по нижней своей образующей, а третья плоскость - для качения ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по верхней своей образующей, причем углы между плоскостями качения рейки выбраны из условия исключения смещения каретки в направлении, отличном от направления ее перемещения.

Направляющая качения может быть охарактеризована тем, что

- рейка выполнена из отдельных деталей, собранных в единый элемент,

- каретка расположена над рейкой и выполнена съемной,

- каретка снабжена средством для создания усилия прижима к рейке ролика, контактирующего с ее плоскостью качения по верхней своей образующей.

В составе системы направляющих качения данная направляющая качения играет роль основной направляющей.

2. Системы направляющих качения, содержащие две разнесенные в пространстве направляющие качения, оси которых расположены в одной плоскости параллельно друг другу, и каретки направляющих, жестко соединенные между собой рабочим органом, при этом одна из направляющих качения (основная) выполнена, как указано выше, а в качестве другой (вспомогательной) использована направляющая качения, содержащая рейку с двумя расположенными под углом друг к другу плоскостями качения для роликов каретки, одна из плоскостей качения которой предназначена для качения ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по нижней своей образующей, а вторая плоскость качения - для ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по верхней своей образующей, или направляющая качения, содержащая рейку с двумя параллельными и горизонтально расположенными плоскостями качения для роликов каретки, верхняя плоскость качения которой предназначена для качения ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по нижней своей образующей, а нижняя плоскость качения - для ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по верхней своей образующей.

Направляющие качения, входящие в систему, могут быть охарактеризованы тем, что:

- рейки направляющих качения выполнены из отдельных деталей, собранных в единый элемент,

- каретки направляющих качения расположены над рейками и выполнены съемными,

- каретки направляющих снабжены средством для создания усилия прижима к рейке роликов, контактирующих с плоскостью качения по верхней своей образующей.

На чертежах представлены:

Фиг.1 - направляющая качения, рейка которой содержит три плоскости качения, общий вид;

Фиг.2 - направляющая качения, рейка которой содержит три плоскости качения, вид сверху, рейка условно не показана;

Фиг.3 - разрез А-А на фиг.2;

Фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2;

Фиг. 5 - разрез В-В на фиг.2;

Фиг.6 - направляющая качения, рейка которой содержит две плоскости качения, лежащие в параллельных плоскостях, разрез по верхнему ролику;

Фиг.7 - направляющая качения, рейка которой содержит две плоскости качения, лежащие в параллельных плоскостях, разрез по нижнему ролику;

Фиг.8 - система направляющих качения;

Фиг.9 - место стыка элементов бруска.

Была создана направляющая качения, обеспечивающая безотрывное, линейное перемещение каретки с установленным на ней рабочим органом на большие расстояния, исключающая смещение каретки в направлении, отличном от направления ее перемещения. Данная направляющая может найти широкое применение как при одиночном ее использовании, так, в составе системы направляющих, включающей в себя направляющие других конструкций. В составе системы она играет роль основной направляющей и несет на себе основную нагрузку по массе и отвечает за точное линейное перемещение рабочего органа. Рейка такой направляющей качения содержит три грани, являющиеся плоскостями качения для роликов каретки.

Данная направляющая качения представлена на фиг.1 - 5. Она содержит каретку 1, на которой посредством осей 2 установлены опоры качения 3. Оси 2 расположены под углом друг к другу. В рассматриваемом варианте угол составляет 90 градусов. Внешние цилиндрические поверхности опор качения 3 катаются по плоскостям качения 4 и 5 рейки. Рейка направляющей качения состоит из отдельных деталей, собранных в единый элемент: основания 6 и двух закрепленных на боковых гранях основания 6 брусков 7, имеющих форму параллелепипеда. Брусок в сечении имеет форму прямоугольника (секущая плоскость перпендикулярна оси рейки). Угол между плоскостями качения 4 и 5 рейки, которые образуют верхние поверхности брусков, равен углу между осями 2 рейки и в данном случае составляет 90 градусов. Боковая поверхность 8 одного из брусков 7 рейки служит плоскостью качения для ролика 9, который посредством оси 10 установлен на уголке 11. Уголок 11 посредством разъемного соединения 12 крепится к каретке 1. Соединение 12 позволяет осуществлять выборку люфтов, появляющихся от укатывания роликов 3 и ролика 9 в процессе длительной работы устройства, с помощью крепежных болтов с эксцентриситетом. Разъемное соединение 12 позволяет при необходимости осуществлять быстрый съем каретки с рейки (например, при ремонте) путем освобождения болтов. Рейка имеет площадки крепления 13 для установки на станке. Площадки крепления 13 имеют крепежные болты с эксцентриситетом. Углы между плоскостями качения рейки выбираются такими, чтобы ролики охватывали рейку с трех сторон и препятствовали смещению каретки в любом направлении, отличном от направления ее перемещения.

В процессе работы по плоскостям качения 4 и 5 рейки катаются ролики 3, в каждом из которых цилиндрическая поверхность контактирует с плоскостью качения по самой нижней своей образующей, а по плоскости качения 8 рейки катается ролик 9, в котором цилиндрическая поверхность контактирует с плоскостью качения по самой верхней своей образующей. Ролики 3, расположенные под углом на рейке, препятствуют смещению каретки в горизонтальном направлении, а ролик 9 препятствует отрыву каретки от рейки, т.е. смещению каретки в вертикальном направлении. В процессе работы ролики 3 и ролик 9 катаются по трем плоскостям качения 4, 5 и 8, обеспечивая безотрывное линейное перемещение рабочего органа.

В качестве вспомогательной направляющей в составе системы может использоваться направляющая, у которой две расположенные под углом друг к другу плоскости рейки служат плоскостями качения для роликов каретки, по одной из них катается ролик, в котором цилиндрическая поверхность контактирует с плоскостью качения по самой нижней своей образующей, а по второй плоскости рейки катается ролик, в котором цилиндрическая поверхность контактирует с плоскостью качения по самой верхней своей образующей.

Данная направляющая не исключает смещения каретки в горизонтальном направлении. Главное назначение такой рейки - перемещение каретки по рейке без отрыва, т.е. без смещения каретки в вертикальном направлении. Для этой цели служит ролик, в котором цилиндрическая поверхность контактирует с плоскостью качения по самой верхней своей образующей и который препятствует отрыву каретки от рейки, т.е. смещению каретки в вертикальном направлении.

Из рассмотренного выше авторского свидетельства СССР №490627, кл. В 23 Q 1/01, дата публикации описания 10.02.1976, известна направляющая качения, содержащая рейку с двумя расположенными под углом друг к другу плоскостями качения для роликов каретки, одна из плоскостей качения которой предназначена для качения ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по нижней своей образующей, а вторая плоскость качения - для ролика каретки, контактирующего с ней поверхностью качения по верхней своей образующей. Следует отметить, что в аналоге (авторское свидетельство СССР №490627) поверхность качения ролика каретки, контактирующего с рейкой по верхней своей образующей, является нецилиндрической, а в предложенном варианте - цилиндрической.

В качестве вспомогательной направляющей в составе системы может использоваться направляющая, рейка которой содержит две плоскости качения, лежащие в параллельных плоскостях.

Данная направляющая представлена на фиг.6 и 7. Две параллельные и горизонтально расположенные грани рейки служат плоскостями качения для роликов каретки. Рейка направляющей содержит в своем составе только один брусок 14, имеющий форму параллелепипеда. Брусок в сечении имеет форму прямоугольника (секущая плоскость перпендикулярна оси рейки). Брусок размещен в горизонтальной плоскости так, что нижняя и верхняя грани параллелепипеда расположены в горизонтальных плоскостях, а боковые грани в вертикальных плоскостях. Верхняя 15 и нижняя 16 грани бруска служат плоскостями качения для роликов каретки. По верхней грани 15 катается ролик 17, а по нижней грани 16 ролик 18. Ролик 17 посредством оси 19 устанавливается непосредственно на каретке 20, а ролик 18 посредством оси 21 крепится к уголку 22. Уголок 22 присоединяется к каретке 20 посредством разъемного соединения 23. Соединение 23 позволяет осуществлять выборку люфтов, появляющихся от укатывания роликов 17 и 18 в процессе длительной работы устройства, с помощью крепежных болтов с эксцентриситетом. Разъемное соединение 23 позволяет при необходимости осуществлять быстрый съем каретки с рейки (например, при ремонте) путем освобождения болтов.

В процессе работы по плоскости качения 15 рейки катается ролик 17, в котором цилиндрическая поверхность контактирует с плоскостью качения по самой нижней своей образующей, а по плоскости качения 16 рейки катается ролик 18, в котором цилиндрическая поверхность контактирует с плоскостью качения по самой верхней своей образующей.

Данная направляющая также не исключает смещения каретки в горизонтальном направлении, но она обеспечивает перемещение каретки по рейке без отрыва, т.е. без смещения каретки в вертикальном направлении. Для этой цели и служит ролик 18, который препятствует отрыву каретки от рейки, т.е. смещению каретки в вертикальном направлении.

Из рассмотренного выше патента РФ 2083344, В 23 Q 1/01, 10.07.1997 известна направляющая качения, содержащая рейку с двумя параллельными и горизонтально расположенными плоскостями качения для роликов каретки, одна из плоскостей качения которой предназначена для качения ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по нижней своей образующей, а вторая плоскость качения - для ролика каретки, контактирующего с ней цилиндрической поверхностью по верхней своей образующей. В предложенном варианте направляющей верхняя плоскость качения рейки предназначена для ролика каретки, контактирующего с рейкой цилиндрической поверхностью по нижней своей образующей, а нижняя плоскость качения рейки - для ролика каретки, контактирующего с рейкой цилиндрической поверхностью по верхней своей образующей.

Система направляющих качения (фиг.8) предназначена для перемещения протяженного рабочего органа на большие расстояния и включает в себя две направляющие качения, разные по сложности конструкции: направляющую, рейка которой имеет три плоскости качения, и направляющую, рейка которой имеет две плоскости качения. Выбор двух различных направляющих для перемещения рабочего органа был не случаен. Основная направляющая позволяет перемещать рабочий орган со значительной точностью (исключает смещение каретки в направлении, отличном от направления ее перемещения, и исключает отрыв каретки от рейки в процессе работы). Однако конструкция данной направляющей является более сложной, а изготовление требует больших трудозатрат, чем конструкция любой из вспомогательных направляющих. Вторая направляющая не является такой точной, но она, как и основная направляющая, позволяет перемещать рабочий орган, расположенный на каретке, на большие расстояния и исключает отрыв каретки от рейки в процессе работы. Основная и вспомогательная направляющие в процессе работы устанавливаются так, чтобы оси направляющих качения были расположены в одной плоскости параллельно друг другу, а на каретки разнесенных в пространстве направляющих устанавливается протяженный рабочий орган (например, портал металлообрабатывающего станка). Каретки направляющих оказываются жестко связанными посредством рабочего органа. Ввиду того, что каретка основной направляющей имеет высокоточное перемещение, жестко связанная с ней каретка вспомогательной направляющей также будет совершать перемещение с высокой точностью.

Элементы конструкций направляющих выполняются из углеродистых сталей и алюминиевого сплава Д16. Использование алюминиевого сплава дает значительный выигрыш в уменьшении массы как всей конструкций, так и массы каретки. Благодаря небольшой массе каретки возможно увеличение скорости ее перемещения, уменьшение мощности приводов. Прямоугольные бруски 7 и 14 выполняются из износостойкой стали. Боковые грани брусков 7 и 14 шлифуются. Бруски 7 и 14 являются составными (наборными), что очень удобно при больших длинах, и состоят из отдельных элементов, которые устанавливаются в линейку друг за другом. Торцевые части этих элементов имеют скос 45 градусов (фиг.9). Подобная стыковка элементов исключает удар при прохождении места стыка опорой качения. При длине направляющей 3 метра и более, во избежание возникновения напряжений при изменении температуры окружающего воздуха, бруски устанавливаются с небольшим торцевым зазором. Прямолинейность основной направляющей обеспечивается сборкой в кондукторе. После установки направляющей на изделие производится ее юстировка оптическим методом. В качестве опор качения используются шариковые подшипники, применение которых обеспечивает бесшумное перемещение рабочего органа с минимальным коэффициентом трения.

Количество роликов, катающихся по каждой плоскости качения, может быть любым (не менее одного) и их взаимное расположение по отношению друг к другу также может быть различным и подбирается экспериментальным путем. Подбор необходимого количества и расположения роликов позволяет усреднить погрешности юстировки и неточности стыковки брусков, что в результате повышает точность позиционирования.