Reducción del tiempo de diseño para sistemas de movimiento lineal

Sistema de pórtico cartesiano de 3 ejes

Es posible reducir el tiempo de diseño sin comprometer la durabilidad y el alto rendimiento.

Recopile la mayor cantidad posible de información relevante para la aplicación desde el principio, para evitar tener que repetir partes, o incluso todo, el proceso de diseño. Esté atento y preparado para posibles cambios en el alcance del proyecto. Utilice cálculos y análisis teóricos para determinar los mejores diseños iniciales y, a continuación, compárelos con las mediciones de las características 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 el más importante, 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/trabajo
• Medioambiental
• 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 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. La carga de diseño, la velocidad lineal y los requisitos de precisión de posicionamiento se utilizan para calcular el diámetro, el paso y la capacidad de carga del husillo de bolas idóneo. Posteriormente, los componentes individuales del husillo se seleccionan en función de su vida útil, las limitaciones 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 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 los 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 determinarse mediante la combinación adecuada de los distintos vectores de carga a los que está sometido el sistema de cojinetes lineales, ya que la vida útil no puede estimarse únicamente con base en los vectores de carga generales del sistema. La carga a la que está sometido cada cojinete lineal se denomina carga equivalente para dicho cojinete. El sistema se dimensiona en función 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 y guías lineales.

Un conjunto de 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 de columna. El husillo soporta una carga axial que es prácticamente igual en magnitud y opuesta en dirección a la carga aplicada a la tuerca de bolas —su parte complementaria— y está relacionada, según la geometría del diseño, con el par motor. En general, la resistencia de columna 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 longitud libre/diámetro está íntimamente relacionada con el pandeo de 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 de un sistema de movimiento lineal se puede predecir en función de su perfil operativo; es decir, cuántas horas al día, días a la semana y semanas al año estará en funcionamiento el husillo de bolas. Para aplicaciones más complejas o una predicción de vida útil más precisa, es necesario crear un perfil de movimiento detallado y completo, desglosando 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 motor durante el mismo.

Determine la precisión y repetibilidad de posicionamiento que requiere su aplicación. Por ejemplo, los husillos de bolas en pulgadas se fabrican normalmente 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 la ubicación de la posición. Los husillos de bolas de grado Precisión Plus se utilizan cuando la repetibilidad del posicionamiento dentro de micras es fundamental y no se utiliza ningún dispositivo de retroalimentación lineal. Si bien los husillos de grado Precisión presentan una mayor variación acumulada 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.

TALLAS Y SELECCIÓN

Los gráficos proporcionados por los proveedores de sistemas de movimiento lineal pueden ser un atajo que ahorra tiempo para dimensionar y seleccionar correctamente dichos sistemas. Usaremos como ejemplo una aplicación de pórtico de soldadura de tres ejes para demostrar cómo seleccionar y dimensionar husillos de bolas utilizando fórmulas de catálogo (Figura 2). El husillo de bolas recorre toda la longitud del eje x y está soportado en ambos extremos por soportes de cojinetes. Para simplificar, definiremos el montaje de la tuerca como bridado, el material como acero aleado, la dirección de la rosca como dextrógira 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. Utilizará extremos fijos con una cantidad de brida térmicamente estable.

Una carga de 2668,9 Newtons (600 lb) es aplicada por 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 de 0,1 metros por segundo (3,927 in/s) 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. La vida útil requerida es de 20 años para el husillo de bolas y de 5 años para los componentes. Un requisito adicional es el uso de 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 elevada rigidez. La aplicación tiene un recorrido relativamente largo de 5500 metros (18 pies); sin embargo, la disponibilidad de tornillos de 6 metros de longitud elimina la necesidad de uniones a tope. El bajo mantenimiento es un requisito importante para esta aplicación. El resultado fue la selección de guías lineales de perfil de bola 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 y rascador integrados, y montaje según la norma 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 en 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. La razón de esta larga vida útil 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, deberá realizar pruebas para asegurarse de que sus premisas sean correctas. Las pruebas están diseñadas para validar que lo propuesto se haya entregado realmente y, de no ser así, para orientar las acciones correctivas que puedan ser necesarias. Las pruebas de validación deben diseñarse para responder preguntas como:

• ¿El producto final cumple con las especificaciones de diseño?
• ¿El rendimiento es coherente, dentro de los límites experimentales, con los cálculos teóricos? Si no lo es, ¿cuánto 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 pruebas de componentes antes de pasar a las pruebas 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 va por buen camino o considerar posibles mejoras. El objetivo de las pruebas es detectar posibles errores en los cálculos y el modelado.

SISTEMAS DE MOVIMIENTO LINEAL CONFIGURADOS

Durante todo el proceso, es importante considerar si sería más conveniente adquirir un sistema de movimiento lineal preconfigurado en lugar de diseñarlo y ensamblarlo uno mismo. En este caso, usted proporcionaría los requisitos de la aplicación a un integrador 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 utilizaría entonces un sistema de dimensionamiento y selección en línea para diseñar y configurar un sistema de movimiento lineal personalizado según sus indicaciones. El integrador suele proporcionar un presupuesto y un archivo CAD del diseño propuesto en un plazo de 24 horas tras su solicitud. El coste de dicho sistema será, en la mayoría de los casos, inferior al coste 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 el coste de los materiales de entre un 20 % y un 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 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 disponibles para ahorrar tiempo de diseño. No pase por alto la capacidad de los proveedores de movimiento lineal para ofrecer conjuntos de movimiento lineal configurados que pueden ayudarle a reducir los costos de ingeniería y ensamblaje. Evalúe las alternativas de compra de componentes frente a módulos y sistemas completos en términos de su impacto en el tiempo de diseño y ensamblaje. Utilice, a su favor, todas las herramientas de diseño disponibles, como diagramas, fórmulas, sistemas de selección en línea y modelos 3D. Finalmente, contacte con el soporte técnico para aprovechar su experiencia en productos estándar, estándar modificados y soluciones especializadas. Asegúrese de confirmar que el proveedor dispone de datos de verificación, pruebas y análisis de diseño que respalden las afirmaciones y posiciones de diseño. Este enfoque puede reducir el tiempo de diseño al mínimo, al tiempo que garantiza 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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