Revise cinco eslabones de la cadena de elementos de diseño tan críticos para la operación de precisión.

Un sistema de movimiento lineal es tan fuerte como los eslabones más comprometidos de su cadena de elementos mecánicos y electromecánicos. Comprender cada componente y característica (y su impacto en el resultado del diseño) mejora las decisiones y las probabilidades de que el diseño final cumpla plenamente con las demandas de la aplicación. Después de todo, el juego, la precisión y otros aspectos de rendimiento del sistema se remontan a elementos del diseño y fabricación del husillo, la tuerca antijuego, los acoplamientos, el motor y la estrategia de control.

Trabajar con proveedores de movimiento lineal que tengan experiencia en todos los vínculos de un diseño es la mejor manera de obtener el máximo rendimiento del diseño. En última instancia, los sistemas de control de movimiento optimizados son como un automóvil deportivo de alto rendimiento con todos sus elementos bien equilibrados... para lo cual el motor del tamaño correcto + la transmisión correcta + los neumáticos correctos + excelentes funciones de control (como frenos antibloqueo y control de tracción) = excelente. actuación.

Considere algunos ejemplos de diseños que requieren el máximo rendimiento. En algunos tipos de impresión 3D, las resoluciones de las capas se están reduciendo a 10 µm por capa. En el caso de los dispositivos médicos, las unidades dispensadoras deben producir medicamentos que salvan vidas y controlar dosis hasta microlitros. El mismo tipo de precisiones estrictas se puede observar en equipos ópticos y de escaneo, equipos de procesamiento de chips y obleas en la industria de semiconductores y en el espacio de automatización de laboratorios.

Sólo los diseños de movimiento lineal creados con un enfoque holístico para la selección e integración de componentes pueden satisfacer estos requisitos de rendimiento cada vez más altos. A menudo, la solución más adecuada para estas construcciones es un tornillo y una tuerca accionados por motor con una arquitectura de control adecuada. Entonces, consideremos consideraciones clave y características de rendimiento para cada eslabón en este tipo de ensamblaje lineal.

Enlace uno: Calidad del husillo y la tuerca

Los tornillos de avance existen desde hace décadas en diversas formas con una variedad de diseños y materiales de tuercas. Durante gran parte de ese tiempo, las máquinas utilizadas para fabricar husillos se ajustaban manualmente, lo que limitaba la calidad a la capacidad de la máquina y al nivel de habilidad del operador. Hoy en día, la mayoría de los fabricantes todavía utilizan este tipo de equipos, pero los procesos automatizados modernos están llevando la calidad de los husillos al siguiente nivel.

Por ejemplo, tales operaciones utilizan una alimentación controlada por CNC, ajuste de inclinación y controles de presión para el proceso de roscado por rodillo para producir las formas de rosca de husillo más consistentes. El acabado de la superficie de estos husillos es consistentemente liso y libre de abrasiones superficiales que pueden romper las tuercas de polímero... para una precisión y vida útil del sistema sin precedentes.

Al mismo tiempo, las técnicas avanzadas de metrología e inspección que rastrean la forma y la forma de las roscas de los tornillos muestran resultados con precisiones de paso punto a punto que son hasta tres veces mejores que las de los métodos manuales tradicionales. Esto mantiene constantemente la precisión del plomo por debajo de 0,003 pulgadas/pie a lo largo de la longitud de un tornillo.

Para aplicaciones de tipo transporte que mueven algún objeto de un punto a otro a lo largo de un eje, el método tradicional de verificar la precisión del cable cada 300 mm o seis pulgadas es adecuado. Pero para las aplicaciones de mayor precisión, la precisión de la rosca de cada eje es relevante. La desviación de la geometría adecuada del hilo se denomina embriaguez del hilo.

Los nuevos equipos, procesos y métodos de inspección detallados de fabricación CNC automatizados producen un control y una calidad más estrictos, de modo que los puntos alto y bajo dentro de una rosca individual muestran una precisión de subrotación muy mejorada; en otras palabras, menos embriaguez. Esto, a su vez, ayuda a los tornillos de avance a mantener la repetibilidad del posicionamiento en una sola rotación a 1 µm. Esta es una métrica de rendimiento especialmente crítica en aplicaciones como el procesamiento de costosas obleas y chips para la industria de semiconductores y la dispensación precisa de medicamentos en una bomba de jeringa.

Después del laminado de roscas, los proveedores avanzados de tornillos enderezan los ejes de los tornillos con un sistema automatizado para minimizar los errores y el descentramiento que pueden causar vibración, ruido y desgaste prematuro. La rectitud del eje del tornillo es crítica porque cualquier error se acentúa cuando se ensambla con el motor. Por el contrario, los métodos tradicionales (manuales) de enderezamiento de tornillos pueden producir un efecto de cono de nieve en la geometría del eje del tornillo, en forma de un solo arco o múltiples arcos que giran en espiral alrededor del eje largo del eje. Una vez más, el enderezamiento e inspección automatizados eliminan estos errores, lo que da como resultado un rendimiento estable del tornillo.

El último paso en la producción de husillos es la aplicación de un revestimiento de PTFE. Sólo un acabado uniforme y uniforme proporciona una larga vida útil y rendimiento del sistema. La aplicación inconsistente de PTFE (resultante de un entorno o equipo de recubrimiento subóptimo) puede provocar picaduras, fisuras, burbujas, descamación o rugosidad de la superficie que causan desgaste prematuro en la tuerca y acortan la vida útil del conjunto.

Enlace dos: Interacción de la tuerca y el tornillo

Las tuercas antirretroceso tradicionales utilizan un diseño de varias piezas que requiere un resorte helicoidal para mover un collar linealmente a lo largo de la tuerca para cerrar los dedos y controlar el ajuste entre el tornillo y la tuerca.

Los problemas que contribuyen al fallo en estos diseños son la fuerza esporádica y variable del resorte, el deslizamiento del collar sobre la tuerca y la presión fluctuante a medida que se desgasta el material de la tuerca. Por el contrario, una tuerca alternativa diseñada para ofrecer fuerza constante incluye un diseño simplificado de dos piezas que aplica presión a los dedos de la tuerca de forma radial, que es la dirección necesaria para controlar la holgura o el juego entre la tuerca y el tornillo.

Considere el diseño convencional de resorte helicoidal y collarín para una tuerca de husillo anti-juego. Aquí, un resorte helicoidal de fuerza variable genera una fuerza axial que se convierte en fuerza radial mediante interferencia mecánica. El diseño se basa en componentes moldeados por inyección para aplicar fuerza por igual a los dedos. Las pruebas de referencia confirman que la precarga cambia drásticamente en los primeros 1000 ciclos.

Por el contrario, ciertas tuercas de husillo anti-juego de fuerza constante brindan un rendimiento de juego que es de dos a cuatro veces mejor que los diseños convencionales, según lo validado por las pruebas de la FDA de los clientes de automatización de laboratorio. Un diseño de resorte de fuerza constante garantiza una precarga constante durante la vida útil del eje. Material de tuerca autolubricante con PTFE para lubricidad y mayor eficiencia.

Una de las mayores ventajas de las tuercas de husillo antijuego de fuerza constante es su capacidad de adaptarse a una aplicación con ajustes en el resorte y otros parámetros. Este ajuste permite optimizar la precarga, el juego, la fuerza de arrastre y el espacio libre de funcionamiento para cumplir con las especificaciones requeridas. Cada combinación de tornillo y tuerca, junto con cada conjunto de tornillo y motor completo, se puede probar para cada una de estas características de rendimiento durante la validación y la inspección final.

Enlace tres: conexión acoplada o directa al variador

El siguiente eslabón de la cadena es cómo se fija el tornillo al motor. Hay tres formas básicas de lograrlo.

El primero es el método más tradicional en el que se introduce un acoplador en el conjunto como componente entre el tornillo y un motor construido con un eje extensible. Este diseño requiere más espacio para la longitud del acoplador y cualquier alojamiento de fijación asociado, y también puede crear problemas de alineación. Debido al mayor número de componentes, es más difícil mantener todo en la línea central. Si uno o más de los componentes no están redondos o alineados, el resultado puede ser un efecto tipo leva que afecta en gran medida el rendimiento y la vida útil del sistema.

El segundo método inserta el tornillo en un orificio cónico para asegurarlo mecánicamente en su lugar (desde la parte posterior) con un perno. Este tipo de montaje es común en motores que requieren mantenimiento frecuente y un método rápido de desmontaje y montaje. El inconveniente es que la alineación es difícil de mantener y puede provocar un efecto de cono de nieve que amplifica las imprecisiones a lo largo de la longitud del tornillo. Además, esta oscilación del tornillo en forma de cono de nieve crea puntos de desgaste que pueden provocar la necesidad de mantenimiento y fallas prematuras del sistema.

El tercer método consiste en encajar directamente el tornillo en un eje hueco dentro del motor y fijar el tornillo con una soldadura láser en la parte posterior del motor. Este método garantiza el máximo compromiso en el ajuste del tornillo con el motor, lo que da como resultado una alineación con la mayor precisión posible. En algunos casos, la soldadura se puede reemplazar con un adhesivo industrial que crea una unión permanente entre el tornillo y el motor. Este método de ensamblaje también proporciona el más alto nivel de precisión al proporcionar la menor cantidad de descentramiento en el tornillo, lo que prolonga la vida útil y minimiza la necesidad de mantenimiento.

La optimización de la alineación del husillo, la tuerca y el acoplamiento prolonga la vida útil de todo el sistema. Como punto de referencia para la comparación con otros elementos del sistema, se realizan pruebas en una variedad de orientaciones con varios cables y con una variedad de cargas y velocidades. Los resultados han demostrado que la vida útil supera en 40 veces la vida útil estándar del rodamiento L10.

En otras palabras, las configuraciones tradicionales de motor y husillo incluyen múltiples componentes que requieren ensamblaje y son difíciles de alinear. Introducen juego y acumulación de tolerancia que degradan la precisión y aumentan el potencial de falla. Un alto número de componentes también genera un mayor costo general de ensamblaje. Pero las configuraciones de actuador lineal híbrido integrado incluyen un tornillo de avance alineado y fijado directamente con el motor, para menos componentes. Eso genera una mayor rigidez, precisión y confiabilidad... así como un valor de diseño general.

Enlace cuatro: Selección del tipo y diseño del motor.

Los actuadores lineales vienen con una variedad de opciones de motor, siendo las opciones de motor más comunes un paso a paso de circuito abierto, una versión de circuito cerrado que utiliza un control montado en placa o un paso a paso inteligente con carcasa industrial y, por último, un motor de CC sin escobillas (bldc). Cada uno tiene su propia propuesta de rendimiento o velocidades y capacidades de carga, y cada uno también viene con su propio conjunto de ventajas y desventajas en cuanto a costo, integración, control y más que cubriremos más adelante.

El mayor impacto en el rendimiento del movimiento lineal de un motor requiere una mirada debajo del capó al diseño interno del motor. Los motores típicos de uso general utilizan una arandela ondulada para mantener los cojinetes y el conjunto en su lugar. Esto suele ser adecuado para aplicaciones rotativas y, a menudo, también se puede aplicar a aplicaciones lineales. Sin embargo, las arandelas onduladas proporcionan una cierta flexibilidad dentro del motor que puede provocar pequeñas cantidades de juego axial o lineal que se traducen en imprecisiones de posición lineal.

Para aliviar esto, se pueden modificar uno o ambos elementos en el diseño. Se pueden insertar cojinetes más grandes para aumentar la capacidad de carga de empuje del conjunto, y se puede agregar una tuerca llave y ajustarla a una especificación de torque predeterminada para eliminar el juego del sistema.

Enlace cinco: Elección de opciones de control

El vínculo final que une todos los elementos es cómo se debe dirigir y controlar el movimiento lineal físico. Tradicionalmente, esto necesitaría varias piezas separadas, incluido un amplificador y un controlador. Cada uno necesitaría un gabinete y el hardware, cableado, codificador y sensores asociados para la retroalimentación. Estas configuraciones pueden volverse complicadas y engorrosas de instalar, solucionar problemas y operar.

La aparición de soluciones de motores inteligentes listas para usar ha servido para simplificar el cableado y reducir la cantidad de conectores y sensores asociados con la obtención de rendimiento y control de tipo servo paso a paso. Esto proporciona ahorros de costos gracias a un menor número de componentes, así como a menos tiempo y mano de obra asociados con la instalación. Estos motores también vienen en paquetes industrializados preensamblados que sellan y protegen la placa y el control contra abuso o contaminación con clasificaciones de IP65 o IP67.

Cuando una aplicación requiere características personalizadas específicas, tiene consideraciones de espacio y tamaño minimizadas, o el bajo costo es un factor crítico, un control de placa montado en motor IP20 no encapsulado personalizado es una opción útil. Esto es especialmente cierto para aplicaciones de gran volumen ubicadas en carcasas o equipos estilizados. Dichos actuadores imparten las ventajas de los motores inteligentes (generalmente con ahorros sustanciales de costos) y el control está directamente en el motor para una comunicación más fácil y rápida con el maestro o el PLC.