Reducción del tiempo de diseño para sistemas de movimiento lineal

Sistema de pórtico cartesiano de 3 eje

El tiempo de diseño se puede reducir al tiempo que garantiza la durabilidad y el alto rendimiento.

Capture la mayor cantidad de información de la aplicación pertinente como sea posible al principio para evitar tener que regresar y repetir porciones, si no todo el proceso de diseño. Tenga cuidado y prepárese para el cambio de alcance. Use cálculos y análisis teóricos para determinar los mejores diseños iniciales, y luego compararlos con las mediciones de prueba de los atributos clave de rendimiento en el equipo real. Confirme los resultados de las pruebas de banco realizando pruebas de ciclo en condiciones de campo reales.

Identificar los requisitos

El primer y muy crítico paso de casi todos los procesos de ingeniería es identificar los requisitos de la aplicación. Cada producto puede tener un conjunto único de criterios que afectará su rendimiento. El uso de una lista de verificación ayudará a garantizar la consideración de parámetros que de otro modo se pueden pasar por alto.

Los datos clave de la información de la aplicación en una lista de verificación de muestra pueden incluir:

• Carga/velocidad (dinámica y estática)
• Voltaje: 12, 24, 36, 48 VDC, 110, 220, VAC
• Dirección de carga
• Longitud del trazo
• Ciclo de vida/trabajo
• Ambiental
• Protección del final del golpe: ¿Embrague? Interruptores de límite?
• ¿Cómo se controlará el actuador?
• Comentario
• UL, CSA, CE
• Otro: consulte a su ingeniero de aplicaciones de actuador para obtener consideraciones de diseño adicionales.

La selección del conjunto correcto de tornillo de bola para una aplicación específica puede requerir un proceso iterativo para determinar la envoltura más pequeña y la solución más rentable. La carga de diseño, la velocidad lineal y los requisitos de precisión posicional se utilizan para calcular el diámetro, el cable y la capacidad de carga del conjunto de tornillo de bola adecuado. Los componentes de tornillo de bola individuales se pueden seleccionar en función de la vida, las limitaciones dimensionales, la configuración de montaje y las condiciones ambientales.

Un buen lugar para comenzar es definiendo la dirección y la magnitud de la carga. La orientación del sistema puede ser muy importante. Con una orientación horizontal, la carga de accionamiento es igual al peso de la carga útil, veces el coeficiente de fricción. Con una orientación vertical, la carga de accionamiento es igual al peso. Las cargas que actúan sobre cojinetes y guías lineales pueden ser cargas verticales, cargas horizontales o cargas de momento, rollo o momento de guiñada, o cualquier combinación de las mismas. Las cargas también pueden variar en su magnitud y dirección.

Los vectores de carga resultantes en cada rodamiento deben establecerse a partir de la combinación adecuada de los diversos vectores de carga a los que se somete al sistema de rodamiento lineal, ya que la esperanza de vida no se puede estimar en función de los vectores de carga generales del sistema. La carga a la que se somete a cada rodamiento lineal se llama carga equivalente para el rodamiento dado. El sistema se dimensiona en función del tamaño del rodamiento más cargado. Para obtener más información sobre los métodos de cálculo para una carga equivalente, consulte el rodamiento lineal y guía los catálogos de los proveedores.

Un conjunto de tornillo de bola, por ejemplo, está destinado a transportar cargas axiales, traduciendo el movimiento de rotación al movimiento axial. La capacidad del tornillo de bola para resistir el pandeo bajo las cargas de compresión se llama resistencia a la columna. El tornillo lleva una carga axial que es efectivamente igual en magnitud y opuesta en dirección a la carga impartida a la tuerca de la bola, su parte complementaria, y está relacionada con las geometrías de diseño con el par del motor conductor. En general, la resistencia de la columna es el parámetro de diseño limitante porque para longitudes más largas, puede ser mucho menor que la resistencia a la compresión real del material. Dado que la relación de longitud a diámetro libre está íntimamente relacionada con el soporte de columna, se deduce que para un diámetro dado, la capacidad de carga axial de un tornillo de bola depende de su longitud libre.

La vida del sistema de movimiento lineal se puede predecir en función de su perfil operativo; Simplemente, cuántas horas por día, días por semana y semanas por año se ejecutará el tornillo de pelota. Para aplicaciones más complejas o una predicción de vida más refinada, uno necesita construir un perfil de movimiento detallado e integral descomponiendo los movimientos a segmentos básicamente rectos. Cada segmento del perfil de movimiento requeriría información sobre la velocidad al comienzo y al final del segmento, la duración del tiempo del segmento y el par durante el segmento.

Determine la precisión posicional y la repetibilidad que requiere su aplicación. Por ejemplo, los tornillos de bola de pulgada típicamente se producen en dos grados: precisión y precisión más. Los tornillos de bola de grado de precisión se utilizarían en aplicaciones que requieren un movimiento relativamente grueso o aquellos que utilizan retroalimentación lineal para la ubicación posicional. Los tornillos de pelota de precisión más de grado se utilizarían cuando el posicionamiento repetible dentro de los micras sea crítico y no se use un dispositivo de retroalimentación lineal. Mientras que los tornillos de grado de precisión tienen una mayor variación acumulativa sobre la longitud útil del tornillo, los tornillos de grado más de precisión limitan la acumulación del error de plomo, proporcionando una posición más precisa sobre toda la longitud útil del tornillo.

Dimensionamiento y selección

Los gráficos proporcionados por los proveedores de sistemas de movimiento de lineal pueden ser un atajo que ahorra el tiempo para un tamaño y selección adecuados de sistemas de movimiento lineal. Usaremos una aplicación de pórtico de soldadura de tres ejes como ejemplo para demostrar cómo seleccionar y tamaño tornillos de bola usando fórmulas de catálogo (Figura 2). El tornillo de la bola corre toda la longitud del eje X y está soportado en cada extremo mediante soportes de rodamiento. Para simplificar, definiremos el montaje de tuercas como con bridas, el material como acero de aleación, la dirección del rosco como la mano derecha y la serie de productos como métrica. La orientación del sistema en esta aplicación es horizontal, con un diseño impulsado por el tornillo y la longitud del eje X es de 6 metros. Utilizará extremos fijos con una cantidad de brida térmicamente estable.

Una carga de 2.668.9 Newtons (600 lbs.) Se aplica mediante un carro que conduce en rieles de perfil. La longitud de viaje es de 4.5 m (177.165 ″) y la longitud no compatible es de 5.818 metros (229.055 ″). La velocidad requerida es de 0.1 metros por segundo (3.927 in/seg), y se necesita una aceleración de ± 2.5 m/s2 (98.4 in/s2). El ciclo de trabajo es de 8 horas por día, 5 días por semana y 50 semanas por año con un promedio de 10 ciclos por hora. El requisito de vida es de 20 años para el tornillo de pelota y 5 años para los componentes. Un requisito adicional es que se use un motor paso a paso debido a una preferencia del Departamento de Ingeniería Eléctrica.

A continuación, seleccionamos los rodamientos lineales para el eje X. Los requisitos principales de esta aplicación son la alta capacidad de carga y la alta rigidez. La aplicación tiene una longitud de viaje relativamente larga de 5.500 metros (18 pies); Sin embargo, la disponibilidad de tornillos de longitud de 6 metros elimina la necesidad de unirse a tope. El bajo mantenimiento es un requisito importante de esta aplicación. El resultado fue la selección de guías lineales de riel de perfil de bola de la serie 500.

Con esta selección realizada, se puede calcular la carga en los tornillos de la pelota. Según esta carga, la tuerca de bola NEFF KGF-D se selecciona como punto de partida. Esta tuerca de bola tiene una brida integral, limpiaparabrisas integral y un montaje DIN 69051. El tornillo de bola tiene una precisión de precisión de ± 50 μm/300 mm.

A continuación, se verifica el requisito de esperanza de vida. La vida generalmente se clasifica en L10, lo que representa el tiempo después del cual el 90% de los tornillos de bola aún funcionarán. En esta aplicación, la esperanza de vida es de 1,035,752.6 años. La razón por la que la vida es tan alta es que seleccionamos el tornillo de bola en función de la velocidad crítica en lugar de la vida.

Prueba del diseño propuesto

Una vez que haya seleccionado su diseño en función de los cálculos, debe probar para asegurarse de que sus premisas sean correctas. La prueba está diseñada para validar que lo que se propuso se entregó realmente y, si ese no fuera el caso, para guiar cualquier acción correctiva que pueda ser necesaria. Las pruebas de validación deben diseñarse para responder preguntas como:

• ¿El producto terminado cumple con la especificación de diseño?
• ¿El rendimiento es consistente, dentro de los límites experimentales, con los cálculos teóricos y, si no, por cuánto varía y por qué?
• ¿El producto proporciona el nivel de confiabilidad requerido?
• ¿Cuáles son los modos potenciales y los puntos de falla para el producto?
• ¿Cómo se compara la solución actual con las alternativas?

Para sistemas y máquinas grandes, es posible que desee comenzar con las pruebas de componentes antes de pasar a la prueba de banca de subconjuntos, y finalmente a la prueba del ensamblaje completo. En cada fase de la prueba, los resultados de la prueba deben revisarse y compararse con los cálculos teóricos para asegurarse de que el diseño esté en el camino correcto o considere oportunidades razonables de mejora. Las pruebas están destinadas a revelar lo que podríamos haber perdido en nuestros cálculos y modelos.

Sistemas de movimiento lineal configurados

También es importante, durante todo el proceso, considerar si podría tener más sentido comprar un sistema de movimiento lineal configurado en lugar de diseñar y ensamblar el suyo. En este caso, proporcionaría los requisitos de la aplicación a un integrador de movimiento lineal, como la configuración de montaje, los requisitos de posicionamiento, las condiciones ambientales, las condiciones de carga, los requisitos de movimiento y cualquier consideración especial. El integrador típicamente utilizaría un sistema de selección y tamaño basado en la web para diseñar y configurar un sistema de movimiento lineal personalizado basado en su entrada. El integrador a menudo puede proporcionar una cotización y un archivo CAD del diseño propuesto dentro de las 24 horas posteriores a su solicitud. El costo de dicho sistema será menor que el costo de los componentes individuales, en la mayoría de los casos.

Este enfoque generalmente puede reducir el tiempo de ingeniería y el costo de ensamblaje en un 90% o más y a menudo puede proporcionar un ahorro en un costo de material del 20 al 30%. Lo más importante, al reducir el tiempo dedicado a diseñar sistemas de movimiento lineal, sus ingenieros pasarán menos tiempo trabajando en un área fuera de sus competencias centrales y más tiempo enfocándose en lo que mejor hacen: integración general del sistema.

En resumen, aproveche todos los recursos útiles para ahorrar tiempo de diseño. No pase por alto la capacidad de los proveedores de movimiento lineal para proporcionar conjuntos de movimiento lineal configurados que puedan ayudarlo a reducir los costos de ingeniería y ensamblaje. Evalúe las alternativas de los componentes de compra versus los módulos, versus los sistemas completos en términos de su impacto en el diseño y el tiempo de ensamblaje. Use, para su ventaja, todas las herramientas de diseño disponibles, como gráficos, fórmulas, sistemas de selección en línea y modelos 3D. Finalmente, involucre el soporte técnico para aprovechar su experiencia en productos en soluciones estándar, estándar modificadas y especializadas. Asegúrese de confirmar que el proveedor tiene datos de verificación/prueba/análisis de diseño para reclamos de diseño y posiciones de diseño. Este enfoque puede reducir el tiempo de diseño a un mínimo al tiempo que garantiza que los sistemas de movimiento lineal cumplan con los requisitos de rendimiento y durabilidad.

Tiempo de publicación: marzo-28-2022

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