Tyto pohyby a jejich kombinace slouží ke konání hlavních (výrobních) a vedlejších (pomocných) činností prostřednictvím hnacích agregátů, převodů a mechanismů.
O mechanismech
Zvolený transformační mechanismus rotačního pohybu na lineární velmi úzce souvisí se zakomponováním do konstrukce stroje, vlastním realizovaným pohybem a jeho požadovanými parametry, zejména s rozsahem pohybu (zdvihem), rychlostí, zrychlením a potřebnou sílou. Neopomenutelná je požadovaná, přitom mechanismem docílitelná přesnost polohování a hnací agregát, který může být rotační nebo přímočarý. Pokud není potřeba docílit velkých zdvihů, má konstruktér pro dosažení přímočarého pohybu k dispozici např. klikový nebo vačkový mechanismus. Obdobnou délku dráhy, ovšem s možností změny jeho velikosti, zajistí kulisový mechanismus, používaný ve stavbě obrážeček. Velikostí "neomezený" rozsah pohybu může zajistit ozubený hřeben a pastorek nebo šnek a šnekový hřeben. Velikých zdvihů lze také docílit lanem či řemenem nataženým mezi dvě kladky. Pro krátké posuvy v řádu desítek mikrometrů mohou být využity piezoelektrické nebo magnetostrikční mechanismy. Rychlý, ale málo tuhý je pneumatický válec a píst, jenž je velmi často využíván v manipulační technice. Pro větší síly je tak vzduch nahrazen tlakem hydraulické kapaliny. Další možností pro zajištění přímočarých pohybů mohou být pružiny, u výrobních strojů ne příliš využitelné např. paralelogramy nebo způsobem zcela odlišné mechanismy, které jsou založeny na jiném fyzikálním principu (využívají např. chemickou energii).
Samostatnou skupinu mechanismů určených pro vyvození přímočarých pohybů tvoří pohybové šrouby, jež jsou velmi důležitou součástí většiny obráběcích strojů. Funkce tvářecích strojů, jako jsou např. vřetenové lisy, je přímo na jejich existenci založena. Využívány jsou v letectví, robotice a v dalších oborech, setkat se s nimi můžete v obyčejných stolních tiskárnách. Pojem pohybové šrouby je možno chápat ve více významech. V zúženém významu se jedná o kluzný šroub a matici, tvořené nejčastěji lichoběžníkovým, méně často čtvercovým profilem. Druhý - obecnější - označuje širokou skupinu všech mechanismů založených na principu transformace rotačního pohybu na přímočarý nebo naopak pomocí šroubu a matice ve spoustě konstrukčních provedení. Avšak existují mechanismy, které žádný závit nemají, přesto díky konstrukčnímu principu konají tutéž činnost - vyvodí přímočarý pohyb. V jejich případě se tedy nedá hovořit o pohybových šroubech, protože akční část je tvořena hladkou válcovou tyčí. Uvědomíme-li si, že závit šroubů je ve své podstatě pod úhlem stoupání nakloněná přímka (rovina) navinutá na tyč, nazývaná šroubovice, resp. šroubová plocha, tvořící trajektorií pohybu zmiňovaných mechanismů je také šroubovice, a tak by mohly být zařazeny mezi pohybové šrouby. Přesto bude rozumnější (i když názvem delší) ponechat je v kategorii mechanismů pro transformaci rotačního pohybu na lineární.
Z množství možných způsobů je zřejmé, že mnoho na výběr nemáme. Všechny mechanismy mají své výhody a nevýhody. Jejich konstrukce, výroba, údržba, docílitelné parametry i spolehlivost souvisí s jejich složitostí. Na nejnovějších obráběcích strojích je vidět snaha nahradit mechanické převody přímými, elektronicky řízenými lineárními pohony.
Pohybové šrouby
V úvodu článku neuvedeným, přitom pro všechny mechanismy důležitým parametrem je účinnost transformace či převodu pohybů. Účinnost šroubů závisí na velikosti stoupání šroubu a na velikosti tření v závitu mezi maticí a šroubem. Rostoucí stoupání a pokles pasivních odporů zvyšuje jejich účinnost. I když vyšší stoupání znamená vyšší účinnost šroubového převodu, klesá velikost axiální síly, kterou lze využít. Tření je velmi nepříznivé, protože je zdrojem tepla a s ním související tepelné dilatace, které jsou v případě přesné výroby, jakou zajišťují obráběcí stroje, nežádoucí. Proto je kluzné tření minimalizováno využitím nových materiálů, vyšší přesností výroby, nebo je nahrazeno jinými formami. Například posuvový šroub s hydrostatickou maticí je tvořen závitem s lichoběžníkovým profilem. V závitu matice jsou olejové kapsy, které zabezpečují hydrostatický styk matice se šroubem. Příznivé kapalinné tření, bezvůlový převod, "nulové" opotřebení jsou výhody získané na úkor potřeby hydraulického obvodu i např. komplikací se zachycením z matice prosakujícího oleje. Rozsáhlá skupina kuličkových šroubů (podrobnější popis v MM Průmyslovém spektru 6/1999) je založena na odvalování kuliček vložených do závitu mezi matici a šroub. Pro vyšší únosnost je používán gotický profil závitu, který zajišťuje optimální stykový úhel mezi kuličkou a boky závitu. Díky vysoké účinnosti, malému opotřebení a oteplení, možnosti vymezení vůlí i předepnutí je to v současnosti nejpoužívanější mechanismus ve stavbě obráběcích strojů sloužící pro přímočarý posuv nástroje i obrobku. I kuličkový šroub a matice mají nevýhody. Protože je délka matice omezená, je nutné vyjmutí kuliček ze závitu a jejich opětovné zavedení na začátek závitu v matici. Řešení převáděčů vyžaduje zvládnutí spousty konstrukčních problémů, což má za cíl potlačení zdroje vibrací působených převáděním kuliček. Proto vznikly mechanismy nazývané valivé šrouby, planetové šrouby nebo "beztřecí" šrouby apod.
Příklad konstrukčního provedení a princip je zobrazen na obr. 1 (viz. časopis). Skládají se ze šroubu, matice a většího počtu válcových valivých tělísek. Všechny tyto součástky jsou opatřeny závitem. Při otáčení šroubu dochází k obíhání válečků okolo šroubu obdobně jako u planetových převodovek. Rovnoměrné rozložení válečků po obvodu šroubu zajišťuje klec nebo jsou válečky zakončeny čepy, které se zasunou do otvorů ve víčku. V některých případech mohou být na čepech nasunutá valivá ložiska, která mají za následek zvětšení vnějších rozměrů matice. Víčko zároveň udržuje axiální polohu válečků v matici a chrání vnitřní prostor proti vnikání nečistot. Díky množství valivých tělísek a velkému množství nosných závitů je docíleno velké kontaktní plochy. Únosnost planetových šroubů mimo jiné závisí na drsnosti povrchu a povoleném kontaktním tlaku. Statická i dynamická únosnost těchto šroubů je vysoká a provozní otáčky jsou dovoleny do 3000 za minutu i vyšší.
V úvodu byla zmíněna existence transformačních mechanismů bez závitové části. Svým principem jsou založeny na třecích silách, a proto nemohou sloužit pro velká axiální silová působení. Zato mohou dovolit prokluz, což může být v některých případech využito. Existují v různých konstrukčních variantách. Na obrázku 2 (viz. časopis) je nakresleno dělené pouzdro, v němž je umístěno osm válcových kotoučů skloněných pod vhodným úhlem k válcovému povrchu. Při otáčení tyče rotující válečky unášejí pouzdro, přímočaře ve směru otáčení šroubu. Pomocí předepnutí je zajišťována přítlačná síla kotoučů. Kotouče mohou být vyrobeny z materiálů se zvýšeným součinitelem tření (plastů) a potřebný kontaktní tlak je docílen jejich deformací. Zvýšení axiální síly a zamezení prokluzu je možné docílit vytvořením šroubovitého výstupku půlkruhového profilu na tyči. Kotouče pak mají po obvodu drážku, která se opírá o výstupek na tyči. Vzniká mechanismus velmi blízký planetovým šroubům.
Obdobný způsob, přitom hojně praktický používaný, slouží pro rovnání hutních výrobků kruhového průřezu - trubek a tyčí. Rovnačka má válečky ve tvaru rotačního hyperboloidu, aby byl kontakt s tyčí co nejdelší, a navíc jsou válečky přímo poháněny. Motory a převodovky potřebných výkonů jsou rozměrné a z konstrukčních důvodů musí být posunuty daleko od pracovního prostoru. Přenos pohybu je realizován spojkami a dlouhými kardany. Průchod rovnačkou se děje šroubovým pohybem, kde osový posuv se získá sklonem válečků vzhledem k výrobku.
Jiné konstrukční uspořádání je na schematickém obrázku 3. (viz. časopis) V tomto případě jsou kotouče nahrazeny valivými ložisky, tyč prochází jejich vnitřními otvory a jsou, stejně jako v předchozím případě, uloženy v pouzdře, jež má charakter matice. Ložiska jsou skloněna vůči šroubu, jak je zobrazeno na obrázku, a zároveň pod úhlem korespondujícím s úhlem stoupání. Je tak učiněno pro dosažení požadované funkce a zároveň vzniká větší kontaktní plocha - křivka na povrchu tyče. Ložiska jsou zároveň uspořádána tak, aby se tyče dotýkaly na protilehlých místech, což zaručuje jednoznačnou radiální polohu.
Popisovaný způsob transformace rotačního pohybu na přímočarý je základem výrobku firmy INA, který do sebe skloubil více konstrukčních možností (obr. 4) (viz. časopis). Je zde opět využit šroub se závitem, ale s vyšším stoupáním, aby vznikl prostor pro ložisko. Vnitřní kroužek ložiska je tvarován tak, aby zapadl do závitu. Ložisko je vhodně orientováno vůči šroubu, aby se vnitřní kroužek dotýkal boku závitu. Počet ložisek i protilehlá orientace zůstávají zachovány. Pro zajištění funkce musí být vnitřní průměr ložiska dostatečně veliký, větší oproti variantě bez závitu, což je jistou nevýhodou. Toto konstrukční provedení pohybového šroubu plně využívá axiální únosnosti ložisek, a proto dovoluje vyvodit větší axiální síly.
Poslední zajímavý mechanismus, o kterém bych se chtěl zmínit, opět nemá jednoznačný název a jeho princip je znázorněn na obrázku 5. Skládá se ze šroubu a válečků opatřených drážkami. Vnitřní část matice nemá kruhový tvar, ale tvar polygonu o třech i více vrcholech. Možná je varianta se dvěma vrcholy (eliptický tvar). Valivá tělíska při rotačním pohybu okolo šroubu procházejí fází kontaktu se závitem šroubu (nosná část) a místem (vrcholy polygonu), kde ztrácí kontakt se šroubem. V tomto prostoru dojde k postupnému vysunutí válečků ze záběru se šroubem a před jeho opětným navedení dojde k posunu o jeden závit. Díky určité podobnosti s harmonickými převodovkami by název mohl znít harmonické šrouby.
Závěr
Popsané mechanismy a jejich konstrukční provedení nejsou úplným výčtem. Některé varianty popsaných mechanismů nejsou dosud prakticky používány, zvláště proto, že pro mnohé existuje alternativa, kterou je léta používaný a prověřený kuličkový šroub a matice. Společným omezením pohybových šroubů je použitelná délka. Ve svislé poloze nejsou omezení až tak výrazná, ale ve vodorovné poloze dochází u dlouhých šroubů k velikým průhybům a s nimi souvisejícím problémům, které omezují jejich běžné použití na rozmezí 1 až 5 metrů, v opravdu výjimečných případech nad délku deset metrů. Navíc je-li otáčející se šroub dlouhý, dochází k jeho torznímu kroucení. I přes jisté nevýhody hovoří ve prospěch použití kuličkových šroubových mechanismů cena, protože cena např. karuselu, portálové frézky s lineárním pohonem o délce pěti metrů by v současnosti ceně strojů se šrouby nemohla konkurovat. Navíc, který z těchto strojů by využil zrychlení 10g lineárního pohonu?