Linear Guide/ลิเนียร์ ไกด์
     แบบโครงสร้างและคุณลักษณะ

 

     Rolling Linear guide bearing อาจเป็นการลอกแบบต้นกำเนิของวิธีโบราณในการเคลื่อนหินขนาดใหญ่บนท่อนซุงกลม แต่ก็ไม่ได้นำมาใช้เป็นส่วนของเครื่องจักร

     จนกระทั่งในศตวรรษที่ 20 การออกแบบขั้นพื้นฐานของ Rolling Linear guide พร้อมรางจนทุกวันนี้ ประวัติย่อๆโดยเป็นสิทธิบัตรของฝรั่งเศส ต่อมา ค.ศ. 1932 (รูปที่ 1)

     ได้มีการผลิตเชิงพาณิชย์ ในช่วงต้น ค.ศ. 1970 ในอุตสาหกรรมเครื่องมือกลสมัยใหม่ ใช้การควบคุมเชิงตัวเลขสำหรับเครื่องมือกลที่มีความเที่ยงตรงและความเร็วสูง

     Sliding guides แบบดั้งเดิม มักมีปัญหาเนื่องจากไม่ทนทานและตอบสนองต่อระบบควบคุมเชิงตัวเลขไม่ได้ จุดนี้ก็เลยทำให้ Rolling guide ซึ่งมีประสิทธิภาพ

     ด้านความเร็วสูงกว่า และสามารถทำงานร่วมกับอิเล็กทรอนิกส์ได้ดีกว่า เริ่มมีบทบาทแทน Sliding guide ในเครื่องมือกลในช่วงต้น ค.ศ. 1980 ได้เริ่มผลิต

     Linear guide LY Series สำหรับเครื่องมือกล ซึ่งก็เป็นช่วงที่ Rolling guide ขยายตัวอย่างมากมีการผลิตลิเนียร์ ไกด์ ( Linear guide) ออกมาเพื่อใช้งานในหลายๆแบบ

     จนทุกวันนี้ลิเนียร์ ไกด์ ( Linear guide) เป็นชิ้นส่วนเครื่องกลธรรมดาชนิดหนึ่ง มักใช้กันมากในผลิตภัณฑ์ที่เป็นอัตโนมัติและประหยัดพลังงาน

     เทคโนโลยีใหม่ล่าสุดที่นำมาใช้กับลิเนียร์ ไกด์ (Linear guide) จะออกมาเป็น Linear motor เคลื่อนที่โดยไม่ต้องใช้บอลสกรู (Ball Screw) แต่ใช้แม่เหล็กแทน

     ทำให้เคลื่อนที่ได้นุ่มนวลไม่สั่นสะเทือนและไม่มีเสียง รวดเร็วกว่ามาก รวมถึงความแข็งแกร่งของแกนสูงอีก

 

     แบบโครงสร้างและลักษณะ


     แสดงรุ่นต่างๆของลิเนียร์ ไกด์ (Linear guide) ที่ NSK เป็นผู้ผลิต ลิเนียร์ ไกด์ (Linear guide) แต่ละรุ่น แต่ละยี่ห้อมีหน้าที่คุณลักษณะการทำงานต่างกันขึ้นอยู่กับว่าจะใช้งานอย่างไร

 

 

     ร่อง Offset Gothic-arch และคุณลักษณะ

     คุณลักษณะของ Rolling guide ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของรางเม็ดบอล รูปทรงเรขาคณิตของเม็ดบอลมีอยู่ 2 ชนิด คือ Circular-arc

     (ประกอบด้วย 3Single circular arc ดังรูปที่ 2) และ Gothic-arch (เป็นการผสมของ Circular arc ดังรูปที่ 3)

 

     ใน Gothic-arch นั้นเม็ดบอลสัมผัสกับร่อง 4 จุด เมื่อร่องของรางและศูนย์กลางของร่องแบริ่งอยู่ในแนวเดียวกันดังรูปที่ 3 หากศูนย์กลางของร่องทั้งสองนี้อยู่ห่าง

     จากศูนย์กลาง(offset) ดังรูปที่ 4 จะทำให้เกิดการสัมผัส 2 จุด ซึ่งแบบนี้เรียกว่า Offset Gothic-arch groove โดยธรรมชาติแล้ว แบบเรขาคณิตการสัมผัสของเม็ดบอลใน

     Offset Gothic arch grooves จะแปรเปลี่ยนไปตามระยะห่างจากศูนย์กลาง(offset) ถ้ามี offset น้อย เม็ดบอลจะมีการสัมผัสสองจุด เมื่อมีพรีโหลด (Preload) น้อย

     และเป็นสี่จุดเมื่อพรีโหลดมาก การสัมผัสสี่จุดทำให้มีความแข็งแกร่งสูง (High rigidity) และความสามารถในการรับแรงสูงกว่าสองจุด นอกจากนั้น Differential sliding

     ที่เกิดกับการสัมผัสแบบสี่จุดสูงกว่า ส่งผลให้ความเสียดทานสูงกว่าและเป็นการเพิ่มความสามารถในการลดความสั่นสะเทือนของ Linear guide อย่างไรก็ตาม

     หากมี offset มากไปเม็ดบอลก็จะไม่สัมผัส สี่จุดแม้ว่าจะมีพรีโหลดมากและความเสียดทานต่ำ ก็ยังคงอยู่

     รูปที่ 5 แสดงภาพตัดของ LY และ LH, LS, Series ในรุ่น LY ซึ่งมี offset น้อยจึงเหมาะสมกับเครื่องตัด (Cutting machine tools)

     เนื่องจากต้องมีความแข็งแกร่งสูงและซึมซับความสั่นสะเทือนได้สูง ส่วนรุ่น LH และ LS ซึ่งมี offset มาก จึงเหมาะกับเครื่องมือกลที่ไม่ใช่เครื่องตัด

     (Non-cutting machine tools)และเครื่องกลอุตสาหกรรมอื่นๆที่ต้องการความเสียดทานต่ำ

     

     พื้นฐานการออกแบบและความแม่นยำ
     ความแข็งแกร่ง (Stiffness) อายุ (Life) และความแม่นยำ Linear guide ขึ้นอยู่กับว่าร่องได้รับการขึ้นรูปได้เที่ยงตรงและได้ตำแหน่งที่แม่นยำตามที่ออกแบบหรือไม่

     ซึ่งนั้นก็คือการวัดที่เที่ยงตรงและการควบคุมความแม่นยำด้านตำแหน่งและรูปทรงเรขาคณิตของร่อง (Grooves) เป็นหัวใจสำคัญในการผลิต Linear guide คุณภาพสูง

     รูปที่ 6 อธิบายถึงวิธีการเจียระไนร่องของราง (Rail grooves) และวิธีการวัดระยะร่องถึงร่อง (groove to grooves distance) ขึ้นรูปร่องทั้ง 2 ด้านพร้อมกัน

     ด้วยล้อเจียระไน 2 ล้อเป็นผลให้ความแม่นยำของรูปทรงเรขาคณิต และระยะจากด้านบนสู่ด้านล่างของร่องเที่ยงตรงแน่นอน โดยการควบคุมความแม่นยำของตัวแต่ง (dresser)

     ซึ่งเป็นตัวกำหนดความแม่นยำของล้อเจียระไน องค์ประกอบสำคัญอย่างอื่นเพื่อความแม่นยำของร่อง คือ การวัดที่แม่นยำและการควบคุมระยะ W ระหว่างร่องในด้านตรงกันข้าม

 

     รูปที่ 7 แสดงเทคนิคในการวัดตำแหน่งของร่อง เมื่อ Master roller สัมผัส 2 จุดใน Gothic-arch grooves ทำให้การวัดทำได้ง่ายและแม่นยำ จากผลดังกล่าว

     ทำให้การสัมผัสของเม็ดบอลคงที่ (Stable) แม้ในการออกแบบที่มีการสัมผัสหลายจุดเหมือนอย่าง LY และสามารถสลับคู่ใช้งานได้ เช่น ใน LH และ LS

     ลักษณะของ Linear guide

 

     พิกัดแรงประเมินและอายุ (Basic dynamic Load rating and Life) วิธีการคำนวณสำหรับพิกัดแรงประเมินของแบริ่งมีขึ้นโดย ISO ในข้อกำหนด 281(ISO in directive 281)

     ISO 281 ถือตามทฤษฎีความล้าของ Lundberg-Palmgren การคำนวณถือตามทฤษฎีนี้ เป็นการคำรวณความสามารถในการรับแรง (Load-carrying Capacity)

     คือพิกัดแรงประเมินและอายุ (rated dynamic Load and Life) ของแบริ่ง (Rolling bearing) อย่างไรก็ตามเนื่องจากไม่มีมาตรฐานระหว่างประเทศสำหรับ Linear guide

     ผู้ผลิตจึงใช้วิธีการคำนวณของตนเอง
     เนื่องจากว่าลักษณะที่สำคัญของลูกกลิ้ง (Rolling element) และการสัมผัสของรางวิ่ง (Raceway contact) ใน Linear guide เหมือนกันทุกประการกับของแบริ่ง ดังนั้น

     ทฤษฎีสำหรับแบริ่งจึงสามารถใช้งานได้กับ Linear guide ซึ่งทาง NSK ได้พัฒนาสูตรคำนวณพิกัดแรงประเมินสำหรับ Linear guide ดังนั้น

 

       C=bm .fc.i^0.7.Dw^2.1.Z^(2/3)
       Le^(1/30).Cos∝⋯………………..(1)
       bm∶Compensation Coefficient
       fc ∶Material and shape coefficient
       i ∶Number of rows of ball to bear load
       Dw∶Ball diameter
       Z ∶Number of ball per row to bear load 
       Le ∶Effective length of ball slide groove
       ∝ ∶Angle between contact direction and loading direction

     เมื่อพัฒนาสูตรขึ้นมาก็ต้องมีการทดสอบว่าใช้งานได้จริงหรือไม่ ผลของการทดสอบกับค่าประมาณที่ได้จากสูตรดังรูปที่ 8

 

     ในกราฟนี้ แกน X แทนอายุคำนวณเป็นระยะทาง ขณะที่แกน Y แทนระยะทางจริงที่ทำได้ ซึ่งทั้ง 2 แกนใช้ Logarithmic scale ถ้าอายุจริงเท่ากับอายุคำนวณพอดี

     ผลทดสอบจะตกไปตามเส้นทแยงมุม ดังผลที่ได้จะเห็นว่าจุดที่พลอตตกอยู่บนหรือเหนือเส้นทแยงมุม ซึ่งเป็นการแสดงว่าอายุจริงยาวกว่าและเป็นการยืนยันความถูกต้องของ

     สูตรความต้านทานแรงกระแทก (Shock resistance)

     ข้อด้อยข้อหนึ่งเหมือนกับ Rolling element คือ การรับภาระที่สูงมากๆ ได้ไม่เพืยงพอ เช่น แรงกระแทกเมื่อมีแรงกระทำที่สูงมากแรงหนึ่งกระทำต่อ Linear guide ที่เป็น

     Gothic- arch grooves ทำให้การกระจายแรงเปลี่ยนแปลง ดังนั้นเม็ดบอลทั้งสองแถวช่วยรับโหลดดังแสดงในรูปที่ 9 จะเห็นว่า Gothic-arch grooves

     มีความสามารถในการรับรับแรงแระแทกสูงได้

 

     รูปที่ 10 เปรียบเทียบคึวามลึกของรอย Indentation จากแรงสถิต (static load) ที่เกิดใน LH 45 LN Linear guide และ Linear guide ที่ใช้เปรียบเทียบซึ่งไม่ใช่

     Gothic-arch grooves รอย Indentation ใน LH 45 AN น้อยกว่าหนึ่งของความลึก Linear guide ที่ไม่มี Gothic-arch grooves
     รูปที่ 11 แสดงผลทดสอบเกี่ยวกับรอย Indentation ภายใต้แรงสถิตย์ประเมิน (rated static Load) ผลทดสอบ แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของ Gothic-arch grooves

 

     ความตรงในการเคลือนที่
     ด้วยหน้าที่หลักของ Linear guide ที่ทำหน้าที่นำร่องการเคลื่อนที่เชิงเส้นความแม่นยำในเรื่องของความเที่ยงตรงเป็นส่วนสำคัญมากส่วนหนึ่งในสมรรถนะรวมทั้งหมด

     ซึ่งในข้อเท็จจริงนั้น ความต้องการด้านความเที่ยงตรงทั่วไปได้ถูกกำหนดไว้แล้ว สำหรับ Linear guide อย่างไรก็ตามความเที่ยงตรงของ Linear guide

     ก็ได้รับผลกระทบจากความเที่ยงตรงของฐานที่ติดตั้งในเครื่องจักรจริง การขัดตัว (Interference) ระหว่าง ball slide และระหว่างราง (Rail)

     อาจมีผลกระทบต่อค่าเฉลี่ยความคลาดเคลื่อนของความตรงและนั้นคือ เป็นการลดความคลาดเคลื่อนให้อยู่ในระดับที่ต่ำกว่าของโต๊ะงานโดยรวม (Entire table)

    

     รูปที่ 12 แสดงการวัดความตรงจริงของโต๊ะงานที่ใช้ Linear guide ความคลาดเคลื่อนของความตรงของโต๊ะงานรวมอยู่เกือบ

     หนึ่งส่วนห้าของผิวหน้าติดตั้งโดยทั่วๆไปแล้วความคลาดเคลื่อนของความตรงของโต๊ะที่ใช้ Linear guide

     ถูกลดลงไประหว่างหนึ่งส่วนสองและหนึ่งส่วนสิบของความคลาดเคลื่อนความตรงของผิวหน้าที่ติดตั้ง

     โดยปกติแบริ่ง (Rolling Bearing) มีความสั่นสะเทือนตามคาบเวลา (Periodic Vibration) ที่เกิดจากการหมุนวนของลูกกลิ้ง ในกรณีของ Linear guide ตำแหน่งของ

     ball slide อยู่ภายใต้การเคลื่อนทีตามคาบเวลา สาเหตุจากเม็ดบอลขณะเคลื่อนที่เข้าออกบริเวณรับ (Loaded Zone) การเคลื่อนที่ (displacement) นี้ เรียกว่า   

     ความสั่นสะเทือนจากการผ่านของเม็ดบอลในงานที่ต้องการความเที่ยงตรงสูงมากๆหรือในจุดที่ต้องการความเที่ยงตรงอยู่ห่างจาก Linear guide การเคลื่อนที่นั้น

     (displacement) อาจขยายใหญ่ขึ้นและนำไปสู่ปัญหา เพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งนี้ปลายร่องของแบริ่งมี Slope เล็กน้อย เรียกว่า Crowing

 

     รูปที่ 14 แสดงความสั่นสะเทือนจากการผ่านของเม็ดบอลที่วัดได้ โดยใช้เครื่องมือวัดที่แสดงในรูปที่ 13 ที่ความสูง 300 มม. และ 500 มม. (จาก Linear guide ไปยังจุดวัด)

     ขนาดของความสั่นสะเทือนจากการผ่านของเม็ดบอลเกือบจะเป็นสัดส่วนกับระยะทางจาก Linear guide (ระยะที่ยื่น Overhang distance)

     ค่าจะน้อยลงเมื่อจำนวนของแบริ่งต่อรางมากขึ้น เมื่อช่วงการติดตั้งแบริ่ง (bearing mounting span) กว้างขึ้นและเมื่อมีการพรีโหลดน้อย (Light preload) นี้ ก็หมายความว่า

     การใช้ ball slides จำนวนน้อยภายใต้พรีโหลดน้อยสามารถลดความสั่นสะเทือนจากการผ่ายของเม็ดบอลได้มากกว่าการใช้ ball slide จำนวนมากภายใต้พรีโหลดสูง