Reducción del tiempo de diseño para sistemas de movimiento lineal

sistema de pórtico cartesiano de 3 ejes

Se puede reducir el tiempo de diseño garantizando al mismo tiempo la durabilidad y el alto rendimiento.

Recopile la mayor cantidad posible de información relevante sobre la aplicación desde el principio para evitar tener que volver atrás y repetir partes, o incluso todo, del proceso de diseño. Esté atento y preparado para posibles cambios en el alcance. Utilice cálculos y análisis teóricos para determinar los mejores diseños iniciales y, a continuación, compárelos con las mediciones de prueba de los atributos clave de rendimiento en equipos reales. Confirme los resultados de las pruebas de laboratorio realizando pruebas de ciclo en condiciones reales de campo.

IDENTIFICACIÓN DE LOS REQUISITOS

El primer paso, y crucial, de casi cualquier proceso de ingeniería es identificar los requisitos de la aplicación. Cada producto puede tener un conjunto único de criterios que afectarán su rendimiento. El uso de una lista de verificación ayudará a garantizar que se consideren parámetros que de otro modo podrían pasarse por alto.

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

• Carga/velocidad (dinámica y estática)
• Voltaje: 12, 24, 36, 48 V CC, 110, 220 V CA
• Dirección de la carga
• Longitud de la carrera
• Ciclo de vida/funcionamiento
• Medio ambiente
• Protección de fin 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 obtener consideraciones de diseño adicionales.

La selección del husillo de bolas adecuado para una aplicación específica puede requerir un proceso iterativo para determinar la solución más compacta y rentable. Los requisitos de carga de diseño, velocidad lineal y precisión posicional se utilizan para calcular el diámetro, el paso y la capacidad de carga del husillo de bolas idóneo. Posteriormente, se pueden seleccionar los componentes individuales del husillo de bolas en función de su vida útil, las restricciones dimensionales, la configuración de montaje y las condiciones ambientales.

Un buen punto de partida es definir la dirección y la magnitud de la carga. La orientación del sistema puede ser crucial. 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 cojinetes y guías lineales pueden ser verticales, horizontales, de cabeceo, balanceo o guiñada, o cualquier combinación de estas. Las cargas también pueden variar en magnitud y dirección.

Los vectores de carga resultantes en cada cojinete deben establecerse a partir de la combinación adecuada de los diversos vectores de carga a los que está sometido el sistema de cojinetes lineales, ya que la vida útil no puede estimarse únicamente en función de los vectores de carga del sistema global. La carga a la que está sometido cada cojinete lineal se denomina carga equivalente para ese cojinete. El dimensionamiento del sistema se realiza en función del dimensionamiento del cojinete que soporta la mayor carga. Para obtener más información sobre los métodos de cálculo de la carga equivalente, consulte los catálogos de los proveedores de cojinetes lineales y guías.

Un husillo de bolas, por ejemplo, está diseñado para soportar cargas axiales, transformando el movimiento rotacional en movimiento axial. La capacidad del husillo de bolas para resistir el pandeo bajo cargas de compresión se denomina resistencia a la compresión. El husillo soporta una carga axial de magnitud prácticamente igual y dirección opuesta a la carga aplicada a la tuerca de bolas —su componente complementario— y está relacionada, mediante la geometría del diseño, con el par motor. En general, la resistencia a la compresión es el parámetro de diseño limitante, ya que, para longitudes mayores, puede ser mucho menor que la resistencia a compresión real del material. Dado que la relación entre la longitud libre y el diámetro está íntimamente relacionada con el pandeo, 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 de un sistema de movimiento lineal puede predecirse a partir de su perfil operativo; es decir, cuántas horas al día, días a la semana y semanas al año funcionará el husillo de bolas. Para aplicaciones más complejas o una predicción de vida útil más precisa, es necesario elaborar un perfil de movimiento detallado y completo que descomponga los movimientos en segmentos básicamente rectos. Cada segmento del perfil de movimiento requeriría información sobre la velocidad al inicio y al final del segmento, su duración y el par durante el mismo.

Determine la precisión y repetibilidad de posicionamiento que requiere su aplicación. Por ejemplo, los husillos de bolas de una pulgada se fabrican generalmente en dos grados: Precisión y Precisión Plus. Los husillos de bolas de grado Precisión se utilizan en aplicaciones que requieren un movimiento relativamente grueso o que emplean retroalimentación lineal para el posicionamiento. Los husillos de bolas de grado Precisión Plus se utilizan cuando es fundamental un posicionamiento repetible con precisión micrométrica y no se emplea ningún dispositivo de retroalimentación lineal. Si bien los husillos de grado Precisión presentan una mayor variación acumulativa a lo largo de su longitud útil, los husillos de grado Precisión Plus limitan la acumulación de errores de avance, lo que proporciona un posicionamiento más preciso en toda su longitud útil.

TAMAÑO Y SELECCIÓN

Las tablas proporcionadas por los proveedores de sistemas de movimiento lineal pueden ahorrar tiempo al dimensionar y seleccionar correctamente dichos sistemas. Utilizaremos un pórtico de soldadura de tres ejes como ejemplo para demostrar cómo seleccionar y dimensionar husillos de bolas mediante las fórmulas del catálogo (Figura 2). El husillo de bolas recorre toda la longitud del eje X y está soportado en ambos extremos por cojinetes. Para simplificar, definiremos el montaje de la tuerca como con brida, el material como acero aleado, el sentido de la rosca como a la derecha y la serie del producto como métrica. La orientación del sistema en esta aplicación es horizontal, con un diseño accionado por husillo y una longitud del eje X de 6 metros. Se utilizarán extremos fijos con una brida termoestable.

Se aplica una carga de 2668,9 Newtons (600 libras) mediante un carro que se desplaza sobre rieles perfilados. La longitud de recorrido es de 4,5 m (177,165 pulgadas) y la longitud sin soporte es de 5,818 metros (229,055 pulgadas). La velocidad requerida es de 0,1 metros por segundo (3,927 pulgadas/seg) y se necesita una aceleración de ±2,5 m/s² (98,4 pulgadas/seg). El ciclo de trabajo es de 8 horas al día, 5 días a la semana y 50 semanas al año, con un promedio de 10 ciclos por hora. La vida útil requerida es de 20 años para el husillo de bolas y de 5 años para los componentes. Como requisito adicional, se debe utilizar un motor paso a paso debido a la preferencia del departamento de ingeniería eléctrica.

A continuación, seleccionamos los cojinetes lineales para el eje X. Los requisitos principales de esta aplicación son una alta capacidad de carga y una gran rigidez. La aplicación tiene una longitud de recorrido relativamente larga de 5500 metros (18 pies); sin embargo, la disponibilidad de tornillos de 6 metros de longitud elimina la necesidad de uniones a tope. Un bajo mantenimiento es un requisito importante para esta aplicación. Como resultado, se seleccionaron las guías lineales de riel con perfil de bolas de la serie 500.

Una vez realizada esta selección, se puede calcular la carga sobre los husillos de bolas. En función de esta carga, se selecciona la tuerca de bolas NEFF KGF-D como punto de partida. Esta tuerca de bolas cuenta con brida integrada, limpiador integrado y montaje DIN 69051. El husillo de bolas tiene una precisión de ±50 μm/300 mm.

A continuación, se verifica el requisito de vida útil. La vida útil se suele clasificar como L10, que representa el tiempo tras el cual el 90 % de los husillos de bolas seguirán funcionando. En esta aplicación, la vida útil es de 1 035 752,6 años. El motivo de una vida útil tan elevada es que seleccionamos el husillo de bolas en función de la velocidad crítica, y no de la vida útil.

PRUEBA DEL DISEÑO PROPUESTO

Una vez seleccionado el diseño según los cálculos, es necesario realizar pruebas para verificar que las premisas sean correctas. Estas pruebas están diseñadas para validar que se haya entregado lo propuesto y, de no ser así, para orientar las acciones correctivas necesarias. Las pruebas de validación deben estar diseñadas para responder a preguntas como:

• ¿El producto final cumple con las especificaciones de diseño?
• ¿El rendimiento es consistente, dentro de los límites experimentales, con los cálculos teóricos? Si no lo es, ¿en qué medida varía y por qué?
• ¿El producto ofrece el nivel de fiabilidad requerido?
• ¿Cuáles son los posibles modos y puntos de fallo del producto?
• ¿Cómo se compara la solución actual con las alternativas?

Para sistemas y máquinas de gran tamaño, conviene comenzar con las pruebas de componentes antes de pasar a las pruebas de banco de subconjuntos y, finalmente, a las pruebas del conjunto completo. En cada fase de las pruebas, se deben revisar los resultados y compararlos con los cálculos teóricos para asegurar que el diseño sea el correcto o considerar posibles mejoras. El objetivo de las pruebas es revelar posibles omisiones en los cálculos y el modelado.

SISTEMAS DE MOVIMIENTO LINEAL CONFIGURADOS

También es importante, a lo largo de todo el proceso, considerar si sería más conveniente adquirir un sistema de movimiento lineal ya configurado en lugar de diseñarlo y ensamblarlo uno propio. En este caso, se deben proporcionar los requisitos de la aplicación a un integrador de sistemas de movimiento lineal, tales 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, por lo general, utilizará un sistema web de dimensionamiento y selección para diseñar y configurar un sistema de movimiento lineal personalizado según la información proporcionada. El integrador suele poder proporcionar un presupuesto y un archivo CAD del diseño propuesto en un plazo de 24 horas tras la solicitud. En la mayoría de los casos, el costo de dicho sistema será menor que el de los componentes individuales.

Este enfoque suele reducir el tiempo de ingeniería y el coste de montaje en un 90 % o más, y a menudo supone un ahorro en costes 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 áreas ajenas a su especialidad y más tiempo a centrarse en lo que mejor saben hacer: la integración global del sistema.

En resumen, aproveche todos los recursos disponibles para ahorrar tiempo de diseño. No pase por alto la capacidad de los proveedores de sistemas de movimiento lineal para ofrecer conjuntos configurados que le ayudarán a reducir los costos de ingeniería y ensamblaje. Evalúe las alternativas de compra de componentes, módulos o sistemas completos en función de su impacto en el tiempo de diseño y ensamblaje. Saque provecho de todas las herramientas de diseño disponibles, como gráficos, fórmulas, sistemas de selección en línea y modelos 3D. Finalmente, solicite asistencia técnica para aprovechar su experiencia en productos estándar, estándar modificados y soluciones especializadas. Asegúrese de confirmar que el proveedor cuenta con datos de verificación, pruebas y análisis de diseño que respalden sus afirmaciones y posturas de diseño. Este enfoque puede reducir el tiempo de diseño al mínimo, garantizando que los sistemas de movimiento lineal cumplan con los requisitos de rendimiento y durabilidad.

Fecha de publicación: 28 de marzo de 2022

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