La mejor manera de especificar y dimensionar los rieles lineales es definir primero los parámetros más críticos de la aplicación; reducir las opciones en función de estos requisitos; y luego aplicar las variables críticas para realizar la selección final del riel lineal.

Primero, lo básico:Las guías lineales, los rieles y las correderas son sistemas mecánicos compuestos por rieles y cojinetes que soportan y mueven cargas físicas a lo largo de una trayectoria lineal con un bajo coeficiente de fricción. Generalmente se clasifican como de elementos rodantes o de cojinetes planos. Dado que existen numerosas formas y tamaños disponibles de diversos fabricantes, diseñados para satisfacer necesidades de ingeniería específicas, la aplicación particular determinará la lista de parámetros críticos que debe considerar, así como su orden de importancia.

Los tipos más comunes de guías y cojinetes incluyen rieles perfilados (cuadrados) con bloques de rodamientos de bolas recirculantes, guías para rodamientos de rodillos y rieles redondos con casquillos de bolas recirculantes o casquillos planos. Los rieles perfilados son adecuados para aplicaciones que requieren una rigidez y precisión excepcionales, como en cabezales de máquinas herramienta y movimientos de placas de circuito impreso de precisión. Los sistemas de rodamientos de rodillos están diseñados para una gama más amplia de aplicaciones, como elevación y transferencia de piezas o aplicaciones de recogida y colocación.

Para seleccionar el riel más adecuado para una aplicación, primero analice las necesidades específicas del sistema. A continuación, comprenda los requisitos del cliente o las directrices del programa, que incluyen el número de ejes, la repetibilidad, la tolerancia y la precisión necesarias para lograr el resultado final. Finalmente, considere la contaminación ambiental, como polvo, agua, fibras y otras sustancias.

En cualquier sistema, el entorno operativo determina el tipo de rodamientos que se deben seleccionar. Por ejemplo, los entornos sucios pueden contaminar el conjunto e interferir con el correcto funcionamiento de los sistemas de recirculación de bolas. La contaminación es más manejable en los sistemas de rodillos, ya que los elementos rodantes suelen ser de mayor tamaño. Los rodamientos planos son adecuados para aplicaciones donde no se recomienda la lubricación por contacto superficial o donde no se puede exponer al entorno, como en ciertos laboratorios de investigación o plantas de fabricación de chips de silicio.

Tras seleccionar un sistema, configure los parámetros para dimensionarlo correctamente. Para cada movimiento en un sistema de guías lineales, considere los siguientes parámetros: carrera, carga, velocidad, ciclo de trabajo, área de montaje y orientación de montaje.

Dimensionar el sistema de guía lineal

La carga estática se compone del peso del soporte, el accesorio de montaje, la carga útil y los cojinetes. Si 40,0 lb se centran horizontalmente de adelante hacia atrás y de izquierda a derecha en un conjunto típico de doble riel y cuatro carros, cada uno de los bloques de cojinetes estaría sometido a una carga estática de 10,0 lb.

Las guías deslizantes se presentan en dos tipos básicos: de silla de montar y de voladizo. La guía de silla de montar estándar, de base horizontal, utiliza una silla o bloque que se mueve entre dos bloques fijos en los extremos. En la guía de voladizo, el cuerpo principal y el cilindro permanecen estáticos, mientras que la placa portaherramientas se extiende y se retrae. Existe una segunda aplicación de voladizo para el movimiento vertical de cargas. Con un riel y dos carros, ambos carros de cojinetes pueden soportar la misma carga en dirección radial. Para dimensionar el cojinete o el carro, la carga total del deslizador sometido a mayor tensión estática se suele establecer como el peor escenario posible.

Al dimensionar los cojinetes, considere el parámetro de carga y su distancia al centro de gravedad (CG) o centro de masa. La carga se refiere al peso o la fuerza aplicada al sistema, que incluye tanto la carga estática como la dinámica. La carga estática comprende el peso del soporte, el accesorio de fijación, la carga útil y los cojinetes. La carga dinámica (o cinética) debe tener en cuenta las cargas aplicadas al interactuar con el soporte cargado con los cojinetes. Normalmente, esta carga impone un requisito de torsión a los cojinetes. El CG del soporte proporciona un valor de carga único a cierta distancia de los centros de los cojinetes.

Estos valores dinámicos, así como los de carga estática, se pueden organizar como radial (Corad), axial (Coax), par alrededor del eje "X" (Mx), par alrededor del eje "Y" (My) y par alrededor del eje "Z" (Mz). Estas variables se pueden utilizar en casi cualquier aplicación de dimensionamiento de rodamientos para seleccionar el tamaño adecuado del carro. Los valores de carga se presentan normalmente en libras o Newtons (N) para carga estática y en pulgadas-libra o Newton-metros (Nm) para carga dinámica.

El centro de las cargas individuales se encuentra a una distancia relativa del centro del sistema de guías o de los centros de los cojinetes. La masa total tiene un centro de gravedad (CG) a una distancia de 1,5 pulgadas (60 pulg.-lb/40 lb). Los cojinetes tendrían que soportar un par de torsión de 60 pulg.-lb, especialmente cuando el sillín se acelera o desacelera bruscamente.

Velocidad:La velocidad es fundamental, ya que las cargas aplicadas afectan al sistema de forma diferente durante la aceleración y la desaceleración que durante el movimiento a velocidad constante. La velocidad se suele expresar en pulgadas/s o su equivalente en metros/s. Factores como el tipo de perfil de movimiento determinan la aceleración necesaria para alcanzar la velocidad o el tiempo de ciclo deseados. En un perfil de movimiento trapezoidal, la carga acelera rápidamente y luego se mueve a velocidad constante antes de disminuir la velocidad. En cambio, un perfil de movimiento triangular acelera y desacelera rápidamente. Además, al calcular la velocidad de la aplicación, conviene considerar la velocidad máxima de movimiento, así como la aceleración y la desaceleración necesarias para lograr la sincronización general del movimiento.

Ciclo de trabajo:El parámetro del ciclo de trabajo debe considerar el movimiento completo del carro a lo largo de un ciclo completo, que generalmente equivale al doble de la carrera más el tiempo de inactividad durante el tiempo deseado. La carrera de la aplicación es la longitud del movimiento total en una dirección a lo largo de una trayectoria lineal. Normalmente, el parámetro del ciclo de trabajo se expresa como el número de ciclos necesarios por minuto.

Área de montaje:El área de montaje del riel guía y los cojinetes de apoyo ayuda a determinar la longitud total (LT) y la separación entre rieles del sistema de guiado. En la mayoría de las aplicaciones, es mejor considerar la mayor superficie de contacto posible para que los cojinetes funcionen. A menos que se utilicen cojinetes lineales telescópicos, que funcionan de manera similar a las guías de cajones simples, la LT del riel guía debe incluir tanto el recorrido del movimiento lineal como la superficie de contacto del cojinete.

La zona de montaje también debe tener en cuenta el sustrato o el sistema de estructura que sujeta la guía. La huella de apoyo es la distancia desde la parte delantera de un carro hasta la parte trasera del carro más alejado a lo largo de una guía lineal. Muchos ejes perfilados deben montarse sobre superficies completamente mecanizadas y rectificadas para cumplir con los requisitos de precisión del programa. Otros diseños pueden aplicarse directamente a estructuras de aluminio o tubulares sin perder capacidad ni rigidez.

Orientación:La orientación de montaje de las guías es fundamental para configurar el parámetro de carga, ya que el soporte puede moverse horizontal o verticalmente, a lo largo de un soporte de pared o incluso en posición invertida. Para un rendimiento óptimo, gestione la carga de la aplicación con la parte más resistente del sistema de rodamientos. Por ejemplo, el deslizador de rodamientos radiales debe orientarse para soportar la carga radialmente, no axialmente.

Ahora haga una selección de guía lineal.

Este es un ejemplo de una aplicación que presenta un entorno con contaminación por polvo ligero estándar y que requiere una repetibilidad media. Debido a estos dos factores, se selecciona un sistema de rodamientos de rodillos precargados que funciona sobre pistas de rodadura de acero endurecido. La velocidad es alta y se puede lograr una mayor vida útil sin necesidad de alcanzar los niveles máximos de capacidad.

Generalmente, para una guía de 1 pulgada, los cojinetes planos no deben exceder las 20 pulgadas/s, los sistemas de recirculación de bolas las 80 pulgadas y los rodillos alrededor de las 200 pulgadas/s. Para lograr la carrera completa de 118 pulgadas en 3 s, aceleraremos y desaceleraremos 6 pulgadas en 0,5 s cada una. Esto permitiría una carrera de 106 pulgadas y 2 s para alcanzar el tiempo objetivo. Cada una de las guías debe tener al menos 162 pulgadas de largo, porque la carrera es de 118 pulgadas y la longitud del asiento es de 44 pulgadas en la dimensión que corre a lo largo de la guía. A veces es útil dejar una o dos pulgadas adicionales en cada extremo de la carrera para interruptores de límite, amortiguadores o sensores.

Cada uno de los cojinetes soportará una carga uniforme de 100 lb, ya que están montados en cada esquina del soporte y el centro de gravedad de la masa se encuentra centrado longitudinalmente. Cada uno de los carros de los cojinetes puede soportar una carga radial máxima de 500 lb, por lo que se calcula una vida útil adecuada, dado que los cojinetes se cargan dentro del rango del 20 al 50 % de su capacidad total.