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

Primero lo básico:Los rieles, guías y deslizadores lineales son sistemas mecánicos compuestos por rieles y rodamientos que soportan y desplazan cargas físicas a lo largo de una trayectoria lineal con un bajo coeficiente de fricción. Generalmente se clasifican como elementos rodantes o bujes planos. Dado que existen diversas formas y tamaños de diversos fabricantes, diseñados para satisfacer necesidades de ingeniería específicas, su aplicación específica determina la lista de parámetros críticos que debe considerar, así como su orden de importancia.

Los tipos más comunes de guías y rodamientos 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 ideales para aplicaciones que requieren una rigidez y precisión excepcionales, como en cabezales de máquinas herramienta y movimientos precisos de placas de circuito impreso. Los sistemas de rodamientos de rodillos están diseñados para una gama más amplia de aplicaciones, como la elevación y el traslado de piezas o las 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 el polvo, el agua, las 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 las pistas 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 no pueden exponerse al ambiente, como en ciertos laboratorios de investigación o plantas de fabricación de chips de silicio.

Tras seleccionar un sistema, determine los parámetros para su dimensionamiento adecuado. Para cada movimiento de un sistema de guía lineal, 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 consiste en el peso del sillín, el soporte del nido, la carga útil y los cojinetes. Si se centran 40.0 lb horizontalmente de adelante hacia atrás y de izquierda a derecha en un conjunto típico de dos rieles y cuatro carros, cada bloque de cojinetes tendría una carga estática de 10.0 lb.

Las guías deslizantes se presentan en dos tipos básicos: de silla y en voladizo. La guía deslizante estándar, de base horizontal, utiliza una silla o bloque que se mueve entre dos bloques fijos en los extremos. Con la guía en voladizo, el cuerpo principal y el cilindro permanecen estáticos, mientras que la placa de herramientas se extiende y se retrae. Existe una segunda aplicación en voladizo para el movimiento de cargas vertical. Con un riel y dos carros, ambos carros de apoyo pueden soportar la misma carga radial. Para dimensionar el soporte o carro, la carga total para la guía deslizante con mayor esfuerzo estático se suele establecer como el peor escenario posible.

Al dimensionar los rodamientos, organice el parámetro de carga y su distancia al centro de gravedad (CG) o centro de masa. La carga se refiere al peso o fuerza aplicada al sistema, que incluye tanto la carga estática como la dinámica. La carga estática comprende el peso del asiento, el dispositivo de fijación, la carga útil y los rodamientos. La carga dinámica (o cinética) debe considerar las cargas aplicadas al interactuar con el asiento cargado con el rodamiento. Normalmente, esta carga impondría un requisito de torsión a los rodamientos. El CG del asiento proporciona un valor de carga único a cierta distancia de los centros de los rodamientos.

Estos valores dinámicos, así como los valores de carga estática, pueden organizarse como radial (Corad), axial (Coax), par sobre el eje X (Mx), par sobre el eje Y (My) y par sobre el eje Z (Mz). Las variables pueden utilizarse en la mayoría de las aplicaciones de dimensionamiento de rodamientos para seleccionar el tamaño adecuado del carro. Los valores de carga se presentan normalmente en lb o Newtons (N) para carga estática y en in.-lb o Newtons-metro (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 rodamientos; la masa total tiene una distancia del centro de gravedad a los rieles guía de 1,5 pulg. (60 pulg.-lb/40 lb). Los rodamientos tendrían que soportar una carga de par de 60 pulg.-lb, especialmente al acelerar o desacelerar rápidamente el asiento.

Velocidad:Es fundamental considerar la velocidad, ya que las cargas aplicadas afectan al sistema de forma diferente durante la aceleración y la desaceleración, en comparación con el movimiento a una velocidad constante. La velocidad se expresa generalmente en pulgadas por segundo o su equivalente métrico en m/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 una velocidad constante antes de desacelerar. En un perfil de movimiento triangular, en cambio, acelera y desacelera rápidamente. Además, al calcular la velocidad de la aplicación, considere la velocidad máxima de movimiento, así como la aceleración y desaceleración necesarias para lograr la sincronización total del movimiento.

Ciclo de trabajo:El parámetro del ciclo de trabajo debe considerar el movimiento completo del sillín a lo largo de un ciclo completo, que suele ser el doble de la carrera, más las operaciones en vacío 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 rodamientos de silla ayuda a determinar la longitud total (LTO) y la separación entre rieles del sistema de guiado. En la mayoría de las aplicaciones, es recomendable considerar la huella más amplia posible para el funcionamiento de los rodamientos. A menos que se utilicen rodamientos lineales telescópicos, que funcionan de forma similar a las guías de cajones simples, la LTO del riel guía debe incluir la carrera del movimiento lineal, así como la huella del rodamiento.

El área de montaje también debe considerar 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 en 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 crucial 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, la corredera con rodamiento de bolas radial debe orientarse para soportar la carga radialmente, no axialmente.

Ahora haga una selección de guía lineal

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

Generalmente, para una guía de 1 pulgada, los rodamientos planos no deben superar las 20 pulgadas/s, los sistemas de recirculación de bolas, las 80 pulgadas/s y los rodillos, las 200 pulgadas/s. Para alcanzar la carrera completa de 118 pulgadas en 3 s, se acelera y desacelera 6 pulgadas en 0,5 s cada una. Esto permitiría 106 pulgadas de carrera y 2 s para alcanzar la sincronización objetivo. Cada guía debe tener al menos 162 pulgadas de longitud, ya que la carrera es de 118 pulgadas y la longitud del asiento es de 44 pulgadas en la dimensión que recorre 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 rodamiento soportará una carga uniforme de 100 lb, ya que están montados en cada esquina del asiento y el centro de gravedad de la masa está centrado longitudinalmente y de izquierda a derecha. Cada carro de rodamientos puede soportar una carga radial máxima de 500 lb, por lo que se calcula una vida útil adecuada, ya que los rodamientos se cargan entre el 20 % y el 50 % de su capacidad total.