Unitățile de mișcare liniară sunt sisteme de transmisie mecanică care sunt utilizate pentru a converti mișcarea de rotație în mișcare liniară. Formele de filet convenționale precum trapezoidale sau pătrate nu sunt potrivite în CNC din cauza uzurii lor ridicate și a eficienței mai mici. Prin urmare, mașinile CNC folosesc în general șurub cu bile pentru a acționa sania cu piesele lor de lucru. Aceste unități asigură o operare fără patinare, cu caracteristici de uzură scăzută la frecare. Acestea sunt eficiente și exacte în comparație cu cea a acționărilor cu șurub-și-piuliță. Cele mai des utilizate drive-uri de mișcare liniară sunt șuruburile cu bilă. 

Un actuator liniar este un actuator care produce mișcare în linie dreaptă. Actuatoarele liniare sunt solicitate pe scară largă în mașini-unelte și mașini industriale. Cilindrii hidraulici sau pneumatici produc, inerent, o mișcare liniară. Multe alte mecanisme sunt utilizate  pentru a genera mișcare liniară de la un motor rotativ. 

1. Actuatoare mecanice 

Aceste actuatoare convertesc mișcarea de rotație în mișcare liniară. Conversia se face folosind diverse tipuri de mecanisme, cum ar fi: 

• Șurub: aceasta este o mașină simplă cunoscută sub numele de șurub. Prin rotirea arborelui șurubului, piulița actuatorului se deplasează în linie. 

• Roată și osie: Dispozitiv de ridicare, troliu, cremalieră și pinion, tracțiune cu lanț, tracțiune cu curea, actuatoare cu lanțuri   rigide și cu curea rigidă funcționează pe principiul roții și osiei. O roată rotativă mișcă un cablu, un rack, un lanț sau o curea pentru a produce mișcare liniară. 

• Camă: discutat în ultima prelegere. 

• Actuatoare hidraulice: utilizează lichid sub presiune pentru a produce o mișcare liniară, iar sistemele pneumatice folosesc aer comprimat în același scop. Vom  discuta despre aceste sisteme în cap. 4 și 5. 

2. Actuatoare piezoelectrice 

Aceste actuatoare lucrează pe principiul piezoelectricității care afirmă că aplicarea unei tensiuni pe un material de cristal, cum ar fi cuarțul, determină extinderea acestuia. Totuși, tensiunile foarte mari produc doar extensii minuscule. Ca urmare, deși actuatoarele piezoelectrice obțin o rezoluție de poziționare extrem de fină, au un interval de mișcare foarte scurt. În plus, materialele piezoelectrice prezintă histerezis, ceea ce face dificilă controlarea expansiunii lor într-o manieră repetabilă. 

3. Actuatoare electromecanice 

Actuatoarele electromecanice sunt similare cu actuatoarele mecanice, cu excepția faptului că butonul sau mânerul de control sunt înlocuite cu un motor electric. Mișcarea de rotație a motorului este convertită în deplasare liniară. În acest tip de actuatoare, un motor electric este conectat mecanic pentru a roti un șurub de avans. Un șurub de avans are un filet elicoidal continuu prelucrat pe circumferința sa, care se desfășoară de-a lungul lungimii (similar cu filetul de pe un bolț). Filetată pe șurubul de avans se află o piuliță de avans sau o piuliță cu bilă cu filete elicoidale corespunzătoare. Piulița este împiedicată să se rotească cu șurubul de avans (de obicei piulița se blochează cu o parte care nu se rotește din corpul actuatorului). Prin urmare, când șurubul de avans este rotit, piulița va fi condusă de-a lungul filetului. Direcția de mișcare a piuliței depinde de direcția de rotație a șurubului de avans. Prin conectarea legăturilor la piuliță, mișcarea poate fi transformată în deplasare liniară utilizabilă.  

Există multe tipuri de motoare care pot fi utilizate într-un sistem de acționare liniară. Acestea includ motoare: DC cu perii, DC fără perii, stepper sau, în unele cazuri, chiar și cele cu inducție. Actuatoarele liniare electromecanice au aplicații în echipamente optice,  robotică, și laser sau în mese XY cu rezoluție fină în microni.  

4. Motoare liniare 

Principiul de funcționare al unui motor liniar este similar cu cel al unui motor electric rotativ. Are rotor, iar componentele câmpului magnetic circular al statorului sunt așezate în linie dreaptă. Deoarece motorul se mișcă în mod liniar, nu este nevoie de șurub de avans pentru a converti mișcarea de rotație în liniară. Motoarele liniare pot fi utilizate în medii exterioare sau murdare; dar, drive-ul electromagnetic trebuie să fie impermeabil și sigilat împotriva umidității și coroziunii. 

5. Unități liniare bazate pe șurub cu bile 

Fig.4.4.1 Configurația șurub cu bilă 

Șurubul cu bile este numit și șurub cu rulment sau cu șurub cu bile recirculante. Este alcătuit dintr-un arbore cu șurub, o piuliță, bile și un mecanism de întoarcere a bilelor integrat, prezentat în figura 4.4.1. Piulița cu flanșă este atașată la partea mobilă a mașinii-unelte CNC. Pe măsură ce șurubul se rotește, piulița translatează partea mobilă de-a lungul căilor de ghidare. Dar, având în vedere canelura din șurubul cu bile care este elicoidală, bilele sale de oțel se rostogolesc de-a lungul canelurii elicoidale și, apoi, pot ieși din piulița cu bile doar dacă nu sunt oprite într-un anumit loc. Astfel, este necesar să-și schimbe calea după ce au ajuns la un anumit loc, prin ghidarea lor, una după alta, înapoi către „punctul lor de plecare” (formând o cale de recirculare). Piesele de recirculare joacă acest rol. Când arborele cu șurub se rotește, așa cum se arată în figura 4.4.1, o bilă de oțel din punctul (A) parcurge 3 rotiri ale canelurii șurubului, rostogolindu-se de-a lungul canelurilor arborelui cu șurub și a piuliței cu bile și ajunge în cele din urmă la punctul (B). Atunci, bila este forțată să își schimbe calea la vârful tubului, trecând înapoi prin tub, până când în cele din urmă revine la punctul (A). De fiecare dată când piulița se lovește de arborele cu șurub, bilele repetă aceeași recirculare în interiorul tubului de întoarcere.

Când resturi sau materii străine intră în interiorul piuliței, pot afecta finețea în funcționare sau pot provoca o uzură prematură, oricare dintre acestea putând afecta negativ funcțiile șurubului cu bile. Pentru a a evita contaminarea, se pun sigilii. Există diferite tipuri de sigilii, adică, sigiliu din plastic sau tip perie utilizate în acționările cu șurub cu bile. 

5.1 Caracteristicile șurubului cu bile: 

5.1.1 Eficiență mecanică ridicată 

La șurubul cu bile, aproximativ 90% sau mai mult din forța utilizată pentru rotirea arborelui cu șurub poate fi transformată în forța pentru a mișca piulița cu bile. Deoarece pierderea prin frecare este extrem de scăzută, cantitatea de forță utilizată pentru rotirea arborelui cu șurub este la nivelul unei treimi din cea necesară pentru șurubul de avans cu filet trapezoidal. 

5.1.2 Uzură scăzută 

Din cauza contactului rulant, uzura este mai mică decât cea a contactului glisant. Astfel, acuratețea este ridicată. Șurubul cu bile se mișcă suficient de ușor în condiții de viteză foarte lentă. Rulează lin, chiar și sub o sarcină.

5.2 Forma filetului

Forma filetului utilizată la aceste șuruburi poate fi de tip arc gotic (fig. 4.4.2.a) sau tip arc circular (fig. 4.4.2.b). Frecarea în acest tip de aranjament este de tip rulant. Acest lucru reduce uzura în comparație cu unitățile cu șuruburi de fricțiune glisante convenționale.  

Fig. 2 Forme de filet: (a) Arc gotic (b) Arc circular 

Șuruburile cu bile recirculante sunt de două tipuri. Într-un aranjament, bilele sunt returnate folosind un tub exterior. În cealaltă dispunere, bilele sunt readuse la începutul filetului în piuliță printr-un canal în interiorul piuliței. 

5.3 Preîncărcare 

Fig. 4.4.3 Sistem de preîncărcare cu piuliță dublă 

Pentru a obține mișcarea bidirecțională a saniei fără nicio eroare de poziție, jocul dintre piuliță și șurub trebuie să fie minim. Zero joc poate fi obținut prin montarea a două piulițe cu preîncărcare (tensiune sau compresie) sau prin aplicarea unei sarcini care  depășește sarcina maximă de operare. În figura 4.4.3 este prezentat sistemul de preîncărcare cu piuliță dublă. Între cele două piulițe este introdusă o placă de distanță (distanțier) pentru preîncărcare. Preîncărcarea constă în crearea deformațiilor elastice (devieri) în bilele de oțel și canelurile bilelor din piuliță și arborele cu șurub în prealabil prin asigurarea unei sarcini axiale. Drept urmare, bilele dintr-una dintre piulițe contactează o parte a filetului și bilele din cealaltă piuliță contactează partea opusă. 

5.3.1 Efectele preîncărcării 

• Joc zero: elimină jocul axial între un arbore cu șurub și o piuliță cu bile. 

• Minimizează deformarea elastică cauzată de forța externă, astfel încât sporește rigiditatea.  

În cazul erorilor de montaj, pot apărea alinieri necorespunzătoare între arborele cu șurub și piuliță, care generează ulterior forțe de distorsiune. Acest lucru ar putea duce la probleme precum: 

• Reducerea duratei de funcționare

• Efect negativ asupra funcționării fără probleme

• Precizie de poziționare redusă

• Generarea de zgomot sau vibrații

• Ruperea arborelui cu șurub   

5.4 Avantajele șurubului cu bile

• Foarte eficient și fiabil.

• Cuplu de pornire mai mic.

• Scade coeficientul de frecare în comparație cu șuruburile tip glisante și funcționează la temperaturi mai reci. 

• Eficiența de transmitere a energiei este foarte ridicată și este de ordinul a 95%.

• Ar putea fi ușor preîncărcat pentru a elimina jocul.

• Forța de frecare este practic independentă de viteza de deplasare, iar frecarea în repaus este foarte mică; în consecință, fenomenul de alunecare este practic absent, asigurând uniformitatea mișcării. 

• Are o durată de viață mai lungă a filetului, deci trebuie înlocuit mai rar.

• Șuruburile cu bile sunt bine adaptate la ieșiri mari, la aplicații de mare viteză sau la cele cu timp de ciclu continuu sau lung. 

• Mișcare lină pe toată gama de deplasare. 

5.5 Dezavantajele șurubului cu bile 

• Tinde să vibreze.

• Necesită revizuire periodică pentru a le menține eficiența.

• Intrarea murdăriei sau a particulelor străine reduce durata de viață a șuruburilor.

• Nu este la fel de rigid ca alte șuruburi de putere, astfel deviația și viteza critică pot provoca dificultăți.

• Nu sunt șuruburi cu auto-blocare, prin urmare, nu pot fi utilizate în susținerea dispozitivelor, cum ar fi menghine.

• Necesită nivele ridicate de ungere. 

5.6 Aplicațiile șurubului cu bilă: 

• Șuruburile cu bile sunt folosite la mașinile de așchiat, cum ar fi centrul de prelucrare și strungul NC, unde se dorește poziționarea exactă a mesei. 

• Folosit în echipamente precum echipamente litografice sau aparate de inspecție unde poziționarea precisă este vitală

• Șuruburile cu bile de înaltă precizie sunt utilizate în stepper-e pentru industria de producție a semiconductorilor pentru asamblarea cu precizie a pieselor micro.

• Folosit în aplicația robotică unde este necesară poziționarea de precizie.

• Folosit în echipamentele de examinare medicală, deoarece este foarte precis și oferă mișcare lină.