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

Un sistema de movimiento lineal es tan fuerte como los enlaces más comprometedores en su cadena de elementos mecánicos y electromecánicos. Comprender cada componente y característica (y su impacto en la salida del diseño) mejora las decisiones y las probabilidades de que el diseño final satisfaga completamente las demandas de aplicaciones. Después de todo, la reacción del sistema, la precisión y otros aspectos de rendimiento se remontan a los elementos en el diseño y la fabricación del tornillo de plomo, la nuez anti-backlash, los acoplamientos, el motor y la estrategia de control.

Trabajar con proveedores de medición lineal que tiene experiencia en todos los enlaces de un diseño es la mejor manera de obtener el rendimiento de diseño superior. En última instancia, los sistemas de control de movimiento optimizados son como un automóvil deportivo de alto rendimiento, todos sus elementos están bien equilibrados ... para el cual el motor de tamaño correcto + la transmisión correcta + los neumáticos correctos + excelentes características de control (como frenos antilock y control de tracción) = gran rendimiento.

Considere algunos ejemplos de diseños que requieren un rendimiento superior. En algunos tipos de impresión 3D, las resoluciones de capa se están impulsando tan bajas como 10 µm por capa. En dispositivos médicos, las unidades de dispensación deben generar medicamentos para salvar vidas y controlar las dosis a los microlitros. Se puede ver el mismo tipo de precisiones estrictas en equipos ópticos y de escaneo, equipos de procesamiento de chips y obleas en la industria de semiconductores, y el espacio de automatización de laboratorio.

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

Enlace One: Calidad del tornillo de plomo y la nuez

Los tornillos de plomo han existido durante décadas en varias formas con una variedad de diseños y materiales de nueces. Durante gran parte de ese tiempo, las máquinas utilizadas para fabricar tornillos de plomo se ajustaron manualmente, lo que limita la calidad a la capacidad de la máquina y el nivel de habilidad del operador. La mayoría de los fabricantes de hoy todavía usan este tipo de equipo, pero los procesos automatizados modernos están llevando la calidad del tornillo de plomo al siguiente nivel.

Por ejemplo, tales operaciones utilizan una segultura controlada por CNC, ajuste de sesgo y controles de presión para el proceso de rollo de subproceso para producir las formas de hilo de tornillo de plomo más consistentes. El acabado superficial de estos tornillos de plomo es consistentemente liso y libre de abrasiones de superficie que pueden rasgarse en las nueces de polímero ... para la precisión del sistema sin precedentes y la vida.

Al mismo tiempo, las técnicas avanzadas de metrología e inspección que rastrean la forma y la forma de los hilos del tornillo de plomo muestran los resultados en las precisiones de plomo punto a punto que son hasta tres veces mejores que las de los métodos manuales tradicionales. Eso constantemente mantiene las precisiones de plomo hasta 0.003 in./ft sobre la longitud de un tornillo.

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

Los nuevos equipos automatizados de fabricación de CNC, procesos y métodos de inspección detallados producen un control y calidad más estrictos para que el punto alto y bajo dentro de un hilo individual muestre una precisión de sub-rotación muy mejorada, en otras palabras, menos borracha. Esto a su vez ayuda a los tornillos de plomo a retener 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 obleas caras y chips para la industria de semiconductores y dispensando con precisión los medicamentos en una bomba de jeringa.

Después de rodar con rosca, los proveedores de tornillos avanzados enderezan los ejes de los tornillos con un automatizado para minimizar los errores y el enrollamiento 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 alisado de tornillo 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 se sacudimentan alrededor del eje del eje largo. Una vez más, el alisado e inspección automatizados eliminan estos errores, lo que resulta en un rendimiento de tornillo estable.

El último paso en la producción de tornillos de plomo es la aplicación de un recubrimiento PTFE. Solo un acabado suave consistente proporciona una larga vida útil y el rendimiento del sistema. La aplicación inconsistente del PTFE (como resultado de un entorno o equipo de recubrimiento subóptimo) puede estimular las picaduras, fisuras, burbujas, descamación o rugosidad de la superficie que causan un desgaste prematuro en la tuerca y la vida útil de ensamblaje.

Enlace dos: interacción de la tuerca y tornillo

Las tuercas anti-backlash tradicionales usan un diseño de varias piezas que requiere un resorte de bobina para mover una coleta 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 a la falla en estos diseños son la fuerza esporádica y variable del resorte, el deslizamiento de la coleta sobre la tuerca y la presión fluctuante a medida que se usa el material de la tuerca. En contraste, una tuerca alternativa diseñada para administrar una 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 el espacio libre o jugar entre la tuerca y el tornillo.

Considere el diseño convencional de la bobina y el diseño de coleta para una tuerca de tornillo de plomo anti-backlash. Aquí, un resorte de bobina de fuerza variable genera fuerza axial que se convierte en fuerza radial a través de la interferencia mecánica. El diseño se basa en componentes moldeados por inyección para aplicar la fuerza por igual a los dedos. Las pruebas de referencia confirman que la precarga cambia dramáticamente en los primeros 1,000 ciclos.

Por el contrario, ciertas nueces de tornillo de plomo anti-backlash de fuerza constante proporcionan un rendimiento de reacción violenta que es de dos a cuatro veces mejor que los diseños convencionales validados por las pruebas de la FDA de Lab Automation Custom. Un diseño de primavera de fuerza constante asegura una precarga constante sobre la vida útil del eje. Material de tuerca autocetulicante con PTFE para lubricidad y eficiencia mejorada.

Una de las mayores ventajas de las nueces de tornillo de plomo anti-backlash de fuerza constante es su capacidad de ajustarse a una aplicación con ajustes a los parámetros de resorte y otros. Esta sintonización permite la optimización de precarga, reacción, la fuerza de arrastre y la autorización de ejecución para cumplir con las especificaciones requeridas. Cada combinación de tornillo y tuerca, junto con cada motor completo y conjunto de tornillo, se puede probar para cada una de estas características de rendimiento durante la validación y la inspección final.

Enlace tres: conexión acoplada o directa a la unidad

El siguiente enlace en la cadena es cómo el tornillo se une al motor. Hay tres formas básicas en que esto se puede lograr.

El primero es el método más tradicional en el que se introduce un acoplador en el ensamblaje como el componente entre el tornillo y un motor construido con un eje de espárrago extendido, este diseño requiere más espacio para la longitud del acoplador y cualquier carcasa de accesorio asociada, y también puede crear problemas de alineación. Debido a la mayor cantidad de componentes, es más difícil mantener todo en la línea central. Si uno o más de los componentes están fuera de red o alineados, el resultado puede ser un efecto de tipo CAM que afecta en gran medida el rendimiento y la vida 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. Tal ensamblaje es común en motores que requerirán mantenimiento frecuente, y un método rápido para el desmontaje y el reensamblaje. El inconveniente es que la alineación es difícil de sostener y puede estimular un efecto de cono de nieve que amplifica las inexactitudes a lo largo del tornillo. Además, este bamboleo de cono nieve en el tornillo crea puntos de desgaste que pueden estimular la necesidad de mantenimiento y falla prematura del sistema.

El tercer método es un ajuste directo del tornillo a un eje hueco dentro del motor y colocando el tornillo con una soldadura láser en la parte posterior del motor. Este método asegura el máximo compromiso en el ajuste del tornillo con el motor, lo que resulta en la alineación de mayor precisión posible. En algunos casos, la soldadura puede reemplazarse con un adhesivo industrial que crea un enlace permanente entre el tornillo y el motor. Este método de ensamblaje también proporciona el nivel más alto de precisión al proporcionar la menor cantidad de enrollamiento en el tornillo, lo que resulta en una vida extendida y minimizando la necesidad de mantenimiento.

La optimización de la alineación de tornillos de plomo, nueces y acoplamiento extiende la vida útil de todo el sistema. Como línea de base para la comparación con otros elementos en el sistema, las pruebas en una variedad de orientaciones con diversos cables y con una gama de cargas y velocidades. Los resultados han mostrado la vida de viaje que excede la vida estándar de L10 que lleva la vida en 40 veces.

En otras palabras, las configuraciones tradicionales de motor y tornillo de liderazgo incluyen múltiples componentes que requieren ensamblaje y son difíciles de alinear. Introducen un apilamiento de juego y tolerancia que degradan la precisión y aumentan el potencial de falla. El alto recuento de componentes también provoca un mayor costo general de ensamblaje. Pero las configuraciones integradas del actuador lineal híbrido incluyen un tornillo de plomo alineado y fijado directamente con el motor, para menos componentes. Eso hace que la rigidez, la precisión y la confiabilidad ... así como el valor general de diseño.

Enlace cuatro: Selección de tipo de motor y diseño

Los actuadores lineales vienen con una opción de opciones de motor, con las opciones de motor más comunes que son un paso a paso de bucle abierto, una versión de circuito cerrado que utiliza un control montado en la placa o un paso inteligente industrial y, por último, un motor DC sin escobillas (BLDC). Cada uno tiene su propia propuesta de rendimiento o velocidades y capacidades de carga, y cada una también viene con su propio conjunto de pros y contras en torno al costo, la integración, el control y más que cubrimos más adelante.

El mayor impacto en el rendimiento del movimiento lineal de un motor requiere un vistazo debajo del capó en el diseño interno del motor. Los motores típicos de uso general usan una arandela ondulada para sostener los rodamientos y el ensamblaje en su lugar. Esto suele ser adecuado para aplicaciones giratorias y, a menudo, también se puede aplicar a lineal. Sin embargo, las lavadoras onduladas proporcionan una cantidad de cumplimiento dentro del motor que puede estimular pequeñas cantidades de juego axial o lineal que se traducen en inexactitudes de posición lineal.

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

Enlace cinco: opciones de opción de control

El enlace final que une todos los elementos es cómo se dirigirá y controlará el movimiento lineal físico. Tradicionalmente, esto necesitaría múltiples piezas separadas, incluido un amplificador y un controlador. Cada uno necesitaría un gabinete y el hardware asociado, el cableado, el codificador y los sensores para obtener retroalimentación. Estas configuraciones pueden volverse complicadas y engorrosas de instalar, solucionar problemas y operar.

La aparición de soluciones de motor inteligente estándar ha servido para simplificar el cableado y reducir la cantidad de conectores y sensores asociados con la obtención del rendimiento y el control del tipo de servicio. Esto proporciona ahorros de costos gracias a un recuento de componentes más bajos, así como menos tiempo y mano de obra asociada con la instalación. Estos motores también vienen en paquetes industrializados previos a la prueba que sella y protegen la Junta y el control del abuso o la contaminación con las calificaciones a IP65 o IP67.

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