Reducción del tiempo de diseño para sistemas de movimiento lineal

Sistema de pórtico cartesiano de 3 ejes

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

Capture la mayor cantidad posible de información pertinente de la aplicación al principio para evitar tener que volver atrás y repetir partes, si no todo el proceso de diseño. Sea cauteloso y esté preparado para el cambio de alcance. Utilice cálculos y análisis teóricos para determinar los mejores diseños iniciales y luego compárelos con mediciones de prueba de los atributos clave de rendimiento en equipos reales. Confirme los resultados de las pruebas de banco realizando pruebas de ciclo en condiciones de campo reales.

IDENTIFICAR LOS REQUISITOS

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

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

• Carga/velocidad (dinámica y estática)
• Voltaje: 12, 24, 36, 48 VCC, 110, 220, VCA
• Dirección de carga
• Longitud de carrera
• Ciclo de vida/servicio
• Ambiental
• Protección de final de carrera: ¿Embrague? ¿Interruptores de límite?
• ¿Cómo se controlará el actuador?
• Comentario
• UL, CSA, CE
• Otros: consulte a su ingeniero de aplicaciones de actuadores para consideraciones de diseño adicionales.

La selección del conjunto de husillo de bolas correcto para una aplicación específica puede requerir un proceso iterativo para determinar el tamaño más pequeño y la solución más rentable. Los requisitos de carga de diseño, velocidad lineal y precisión posicional se utilizan para calcular el diámetro, el avance y la capacidad de carga del conjunto de husillo de bolas adecuado. Luego se pueden seleccionar componentes individuales de husillos de bolas en función de la vida útil, las limitaciones dimensionales, la configuración de montaje y las condiciones ambientales.

Un buen punto de partida es definir la dirección y magnitud de la carga. La orientación del sistema puede ser muy importante. Con una orientación horizontal, la carga motriz es igual al peso de la carga útil multiplicado por el coeficiente de fricción. Con una orientación vertical, la carga motriz es igual al peso. Las cargas que actúan sobre guías y rodamientos lineales pueden ser cargas verticales, cargas horizontales o cargas de momento de cabeceo, balanceo o 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 está sujeto el sistema de rodamiento lineal, ya que la esperanza de vida no se puede estimar basándose únicamente en los vectores de carga generales del sistema. La carga a la que está sometido cada rodamiento lineal se denomina carga equivalente para ese rodamiento determinado. Luego se dimensiona el sistema basándose en el tamaño del rodamiento más cargado. Para obtener más información sobre los métodos de cálculo para una carga equivalente, consulte los catálogos de los proveedores de guías y rodamientos lineales.

Un conjunto de husillo de bolas, por ejemplo, está destinado a soportar cargas axiales, traduciendo el movimiento de rotación en movimiento axial. La capacidad del husillo de bolas para resistir el pandeo bajo cargas de compresión se denomina resistencia de la columna. El tornillo soporta una carga axial que es efectivamente igual en magnitud y opuesta en dirección a la carga impartida a la tuerca de bolas (su parte complementaria) y está relacionada por las geometrías de diseño con el par del motor impulsor. 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 longitud libre-diámetro está íntimamente relacionada con la flexión de la columna, se deduce que para un diámetro dado, la capacidad de carga axial de un husillo de bolas depende de su longitud libre.

La vida útil 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 funcionará el husillo de bolas. Para aplicaciones más complejas o predicciones de vida más refinadas, es necesario crear un perfil de movimiento completo y detallado que desglose los movimientos en segmentos básicamente rectos. Cada segmento del perfil de movimiento requeriría información sobre la velocidad al principio y al final del segmento, la duración del segmento y el par durante el segmento.

Determine la precisión posicional y la repetibilidad que requiere su aplicación. Por ejemplo, los husillos de bolas en pulgadas normalmente se producen en dos grados: Precision y Precision Plus. Los husillos de bolas de precisión se utilizarían en aplicaciones que requieren un movimiento relativamente grueso o en aquellas que utilizan retroalimentación lineal para la ubicación posicional. Los husillos de bolas de grado Precision Plus se utilizarían cuando el posicionamiento repetible dentro de micras es fundamental y no se utiliza ningún dispositivo de retroalimentación lineal. Mientras que los tornillos de grado Precision tienen una mayor variación acumulativa a lo largo de la longitud útil del tornillo, los tornillos de grado Precision Plus limitan la acumulación de errores de avance, proporcionando un posicionamiento más preciso en toda la longitud útil del tornillo.

TAMAÑO Y SELECCIÓN

Los gráficos proporcionados por los proveedores de sistemas de movimiento lineal pueden ser un atajo que ahorra tiempo para dimensionar y seleccionar los sistemas de movimiento lineal adecuados. Usaremos una aplicación de pórtico de soldadura de tres ejes como ejemplo para demostrar cómo seleccionar y dimensionar husillos de bolas usando fórmulas de catálogo (Figura 2). El husillo de bolas recorre toda la longitud del eje x y está sostenido en ambos extremos por soportes de rodamiento. Para simplificar, definiremos el montaje de la tuerca como bridado, el material como acero aleado, la dirección de la rosca como derecha y la serie del producto como métrica. La orientación del sistema en esta aplicación es horizontal, con un diseño atornillado y la longitud del eje x es de 6 metros. Utilizará extremos fijos con una cantidad de brida térmicamente estable.

Se aplica una carga de 2.668,9 Newtons (600 libras) mediante un carro que se desplaza sobre rieles perfilados. La longitud de recorrido es de 4,5 m (177,165″) y la longitud sin soporte es de 5,818 metros (229,055″). La velocidad requerida es 0,1 metros por segundo (3,927 pulg/seg) y se necesita una aceleración de ±2,5 m/s2 (98,4 pulg/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 útil es de 20 años para el husillo de bolas y de 5 años para los componentes. Un requisito adicional es que se utilice un motor paso a paso debido a la preferencia del departamento de ingeniería eléctrica.

A continuación, seleccionamos los rodamientos lineales para el eje x. Los requisitos principales de esta aplicación son una alta capacidad de carga y una alta rigidez. La aplicación tiene un recorrido relativamente largo de 5.500 metros (18 pies); sin embargo, la disponibilidad de tornillos de 6 metros de longitud elimina la necesidad de realizar uniones a tope. El bajo mantenimiento es un requisito importante de esta aplicación. El resultado fue la selección de guías lineales con raíles de perfil de bolas de la serie 500.

Una vez realizada esta selección, se puede calcular la carga sobre los husillos de bolas. A partir de esta carga se elige como punto de partida la tuerca de bolas NEFF KGF-D. Esta tuerca de bolas tiene una brida integral, un limpiador integral y un montaje DIN 69051. El husillo de bolas tiene una precisión de ±50 μm/300 mm.

A continuación, se comprueba el requisito de esperanza de vida. La vida útil suele ser L10, que representa el tiempo después del cual el 90 % de los husillos de bolas seguirán funcionando. En esta aplicación, la esperanza de vida es de 1.035.752,6 años. La razón por la que la vida útil es tan alta es que seleccionamos el husillo de bolas en función de la velocidad crítica en lugar de la vida útil.

PRUEBA DEL DISEÑO PROPUESTO

Una vez que haya seleccionado su diseño basándose en los cálculos, debe realizar pruebas para asegurarse de que sus premisas sean correctas. Las pruebas están diseñadas para validar que lo propuesto se cumplió realmente y, si ese no fuera el caso, guiar las acciones correctivas que puedan ser necesarias. Las pruebas de validación deben diseñarse para responder preguntas como:

• ¿El producto terminado cumple con las especificaciones de diseño?
• ¿El desempeño es consistente, dentro de los límites experimentales, con los cálculos teóricos? Si no, ¿en cuánto varía y por qué?
• ¿Proporciona el producto el nivel requerido de confiabilidad?
• ¿Cuáles son los posibles modos y puntos de falla del 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 las pruebas en banco de los subconjuntos y, finalmente, a las pruebas del conjunto completo. En cada fase de las pruebas, los resultados de las pruebas deben revisarse y compararse con los cálculos teóricos para asegurarse de que el diseño va por el camino correcto o considerar oportunidades razonables de mejora. Las pruebas tienen como objetivo revelar lo que podríamos haber pasado por alto en nuestros cálculos y modelos.

SISTEMAS DE MOVIMIENTO LINEAL CONFIGURADOS

También es importante, durante todo el proceso, considerar si tendría más sentido comprar un sistema de movimiento lineal configurado en lugar de diseñar y ensamblar uno propio. En este caso, debería proporcionar 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. Luego, el integrador normalmente utilizaría un sistema de selección y dimensionamiento basado en la web para diseñar y configurar un sistema de movimiento lineal personalizado según sus datos. 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 normalmente puede reducir el tiempo de ingeniería y los costos de ensamblaje en un 90 % o más y, a menudo, puede proporcionar un ahorro en el costo de materiales del 20 al 30 %. Lo más importante es que, al reducir el tiempo dedicado al diseño de sistemas de movimiento lineal, sus ingenieros dedicarán menos tiempo a trabajar en un área fuera de sus competencias principales y más tiempo a centrarse en lo que mejor saben hacer: la 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 pueden ayudarle a reducir los costos de ingeniería y ensamblaje. Evaluar las alternativas de compra de componentes versus módulos, versus sistemas completos en términos de su impacto en el tiempo de diseño y montaje. Utilice, a su favor, todas las herramientas de diseño disponibles, como gráficos, fórmulas, sistemas de selección en línea y modelos 3D. Finalmente, contrate soporte técnico para aprovechar su experiencia en productos en soluciones estándar, estándar modificada y especializadas. Asegúrese de confirmar que el proveedor tiene datos de verificación/prueba/análisis del diseño para respaldar las afirmaciones y posiciones de diseño. Este enfoque puede reducir el tiempo de diseño al mínimo y al mismo tiempo garantizar que los sistemas de movimiento lineal cumplan con los requisitos de rendimiento y durabilidad.

Hora de publicación: 28 de marzo de 2022

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