Esamina cinque anelli della catena di elementi di progettazione così critici per il funzionamento di precisione.

Un sistema di movimento lineare è forte quanto gli anelli più compromettenti della sua catena di elementi meccanici ed elettromeccanici. Comprendere ciascun componente e caratteristica (e il relativo impatto sull'output della progettazione) migliora le decisioni e aumenta le probabilità che il progetto finale soddisfi pienamente le esigenze dell'applicazione. Dopotutto, il gioco del sistema, la precisione e altri aspetti prestazionali possono essere ricondotti a elementi di progettazione e produzione della vite di comando, della chiocciola anti-gioco, dei giunti, del motore e della strategia di controllo.

Lavorare con fornitori di movimento lineare esperti in tutti i collegamenti di un progetto è il modo migliore per ottenere le massime prestazioni di progettazione. In definitiva, i sistemi di controllo del movimento ottimizzati sono come un'auto sportiva ad alte prestazioni con tutti i suoi elementi ben bilanciati... per cui il motore della giusta dimensione + la giusta trasmissione + i giusti pneumatici + ottime funzionalità di controllo (come i freni antibloccaggio e il controllo della trazione) = ottimo prestazione.

Consideriamo alcuni esempi di progetti che richiedono le massime prestazioni. In alcuni tipi di stampa 3D, le risoluzioni degli strati vengono spinte fino a 10 µm per strato. Nei dispositivi medici, le unità di distribuzione devono erogare farmaci salvavita e controllare le dosi fino ai microlitri. Lo stesso tipo di precisione elevata può essere riscontrato nelle apparecchiature ottiche e di scansione, nelle apparecchiature per il trattamento di chip e wafer nell'industria dei semiconduttori e nello spazio di automazione dei laboratori.

Solo i progetti di movimento lineare realizzati con un approccio olistico alla selezione e integrazione dei componenti possono soddisfare questi requisiti di prestazioni sempre più elevati. Spesso la soluzione più adatta per queste costruzioni è una vite e un dado motorizzati con un'architettura di controllo adeguata. Consideriamo quindi le considerazioni chiave e le caratteristiche prestazionali per ciascun collegamento in questo tipo di assemblaggio lineare.

Collegamento uno: qualità della vite e del dado

Le viti di comando esistono da decenni in varie forme con una vasta gamma di modelli e materiali di dadi. Per gran parte di quel tempo, le macchine utilizzate per produrre viti venivano regolate manualmente, limitando la qualità alla capacità della macchina e al livello di abilità dell'operatore. La maggior parte dei produttori oggi utilizza ancora questo tipo di attrezzatura, ma i moderni processi automatizzati stanno portando la qualità delle viti a un livello superiore.

Ad esempio, tali operazioni utilizzano un'alimentazione controllata da CNC, una regolazione dell'inclinazione e controlli della pressione per il processo di filettatura dei rulli per ottenere le forme di filettatura della vite più coerenti. La finitura superficiale di queste viti è costantemente liscia e priva di abrasioni superficiali che potrebbero strappare i dadi polimerici... per una precisione e una durata del sistema senza precedenti.

Allo stesso tempo, la metrologia avanzata e le tecniche di ispezione che tracciano la forma e la forma delle filettature delle viti mostrano risultati in una precisione dei conduttori punto per punto fino a tre volte migliore rispetto a quella dei metodi manuali tradizionali. Ciò mantiene costantemente la precisione del piombo fino a 0,003 pollici/piedi sulla lunghezza di una vite.

Per le applicazioni di trasporto che spostano un oggetto da un punto all'altro lungo un asse, è adeguato il metodo tradizionale di controllo della precisione del passo ogni 300 mm o sei pollici. Ma per le applicazioni di massima precisione, l'accuratezza di ciascuna filettatura dell'albero è rilevante. La deviazione dalla geometria del filo adatta è nota come ubriachezza del filo.

Nuove apparecchiature di produzione CNC automatizzate, processi e metodi di ispezione dettagliati producono un controllo e una qualità più rigorosi in modo che il punto alto e basso all'interno di una singola filettatura mostri una precisione di subrotazione notevolmente migliorata, in altre parole, meno ubriachezza. Ciò a sua volta aiuta le viti a mantenere la ripetibilità di posizionamento su una singola rotazione a 1 µm. Si tratta di un parametro prestazionale particolarmente critico in applicazioni quali la lavorazione di wafer e chip costosi per l'industria dei semiconduttori e la somministrazione accurata di farmaci in una pompa a siringa.

Dopo la rullatura della filettatura, i fornitori avanzati di viti raddrizzano gli alberi delle viti con un sistema automatizzato per ridurre al minimo gli errori e il runout che possono causare vibrazioni, rumore e usura prematura. La rettilineità dell'albero della vite è fondamentale perché qualsiasi errore viene accentuato durante l'assemblaggio con il motore. Al contrario, i metodi tradizionali (manuali) di raddrizzamento delle viti possono produrre un effetto a cono di neve nella geometria dell'albero della vite, sotto forma di un arco singolo o di archi multipli che si avvitano attorno all'asse lungo dell'albero. Anche in questo caso, il raddrizzamento e l'ispezione automatizzati eliminano questi errori, garantendo prestazioni stabili della vite.

La fase finale nella produzione delle viti è l'applicazione di un rivestimento in PTFE. Solo una finitura liscia e uniforme garantisce una lunga durata e prestazioni del sistema. Un'applicazione incoerente del PTFE (derivante da un ambiente o da un'apparecchiatura di rivestimento non ottimale) può provocare vaiolature, fessure, bolle, sfaldamento o ruvidità superficiale che causano un'usura prematura del dado e una durata ridotta dell'assieme.

Collegamento due: interazione tra dado e vite

I tradizionali dadi anti-gioco utilizzano un design multi-pezzo che richiede una molla elicoidale per spostare linearmente una pinza lungo il dado per chiudere le dita e controllare l'adattamento tra vite e dado.

I problemi che contribuiscono al cedimento in questi progetti sono la forza sporadica e variabile della molla, lo slittamento della pinza sulla chiocciola e la pressione fluttuante dovuta all'usura del materiale della chiocciola. Al contrario, un dado alternativo progettato per fornire una forza costante include un design semplificato in due pezzi che applica pressione alle linguette del dado in modo radiale, che è la direzione necessaria per controllare il gioco o il gioco tra il dado e la vite.

Considerare il design convenzionale della molla elicoidale e della pinza per una madrevite anti-gioco. Qui, una molla elicoidale a forza variabile genera una forza assiale che viene convertita in forza radiale attraverso l'interferenza meccanica. Il design si basa su componenti stampati a iniezione per applicare la forza in modo uniforme alle dita. I test di benchmark confermano che il precarico cambia drasticamente nei primi 1.000 cicli.

Al contrario, alcuni dadi delle madreviti anti-gioco a forza costante forniscono prestazioni di gioco da due a quattro volte migliori rispetto ai design convenzionali, come convalidato dai test FDA del cliente di automazione di laboratorio. Il design della molla a forza costante garantisce un precarico costante per tutta la durata dell'asse. Materiale del dado autolubrificante con PTFE per proprietà lubrificanti e maggiore efficienza.

Uno dei maggiori vantaggi delle madreviti anti-gioco a forza costante è la loro capacità di essere adattate a un'applicazione con regolazioni della molla e di altri parametri. Questa messa a punto consente l'ottimizzazione del precarico, del gioco, della forza di trascinamento e del gioco di esercizio per soddisfare le specifiche richieste. Ciascuna combinazione di vite e dado, insieme a ciascun motore a pieno carico e gruppo vite, può essere testato per ciascuna di queste caratteristiche prestazionali durante la convalida e l'ispezione finale.

Collegamento tre: collegamento accoppiato o diretto all'azionamento

Il prossimo anello della catena è il modo in cui la vite si collega al motore. Ci sono tre modi fondamentali per raggiungere questo obiettivo.

Il primo è il metodo più tradizionale in cui un accoppiatore viene introdotto nell'assieme come componente tra la vite e un motore costruito con un albero prigioniero estensibile. Questo design richiede più spazio per la lunghezza dell'accoppiatore e di qualsiasi alloggiamento di attacco associato, ed inoltre può creare problemi di allineamento. A causa del maggior numero di componenti, è più difficile mantenere tutto in linea centrale. Se uno o più componenti non sono rotondi o allineati, il risultato può essere un effetto di tipo camma che influisce notevolmente sulle prestazioni e sulla durata del sistema.

Il secondo metodo inserisce la vite in un foro conico per fissarla meccanicamente in posizione (dal retro) con un bullone. Tale assemblaggio è comune sui motori che richiedono una manutenzione frequente e un metodo rapido per lo smontaggio e il rimontaggio. Lo svantaggio è che l'allineamento è difficile da mantenere e può provocare un effetto a cono di neve che amplifica le imprecisioni sulla lunghezza della vite. Inoltre, questa oscillazione del cono di neve nella vite crea punti di usura che possono stimolare la necessità di manutenzione e il guasto prematuro del sistema.

Il terzo metodo prevede l'adattamento diretto della vite a un albero cavo all'interno del motore e il fissaggio della vite con una saldatura laser sul retro del motore. Questo metodo garantisce il massimo impegno nell'accoppiamento della vite con il motore, con conseguente allineamento con la massima precisione possibile. In alcuni casi, la saldatura può essere sostituita con un adesivo industriale che crea un legame permanente tra la vite e il motore. Questo metodo di assemblaggio fornisce inoltre il massimo livello di precisione fornendo la minima quantità di eccentricità nella vite, con conseguente maggiore durata e minimizzando la necessità di manutenzione.

L'ottimizzazione dell'allineamento della vite, del dado e del giunto prolunga la durata dell'intero sistema. Come linea di base per il confronto con altri elementi del sistema, eseguire test in una varietà di orientamenti con vari cavi e con una gamma di carichi e velocità. I risultati hanno dimostrato che la durata della corsa supera di 40 volte la durata standard dei cuscinetti L10.

In altre parole, le configurazioni tradizionali di motore e vite includono più componenti che richiedono assemblaggio e sono difficili da allineare. Introducono gioco e accumulo di tolleranza che riducono la precisione e aumentano il rischio di fallimento. Un numero elevato di componenti comporta anche costi di assemblaggio complessivi più elevati. Ma le configurazioni di attuatori lineari ibridi integrati includono una vite allineata e fissata direttamente con il motore, per un minor numero di componenti. Ciò garantisce maggiore rigidità, precisione e affidabilità... oltre al valore complessivo del progetto.

Punto quattro: selezione del tipo e del design del motore

Gli attuatori lineari sono dotati di una scelta di opzioni di motore; le scelte di motore più comuni sono uno stepper ad anello aperto, una versione ad anello chiuso che utilizza un controllo montato su scheda o uno stepper intelligente con involucro industriale e infine un motore cc senza spazzole (bldc). Ognuno ha la propria proposta di prestazioni o velocità e capacità di carico, e ognuno presenta anche una propria serie di pro e contro in termini di costi, integrazione, controllo e altro che tratteremo in seguito.

L'impatto maggiore sulle prestazioni di movimento lineare di un motore richiede uno sguardo dietro il cofano al design interno del motore. I tipici motori per uso generale utilizzano una rondella ondulata per mantenere i cuscinetti e il gruppo in posizione. Questo di solito è adeguato per le applicazioni rotanti e spesso può essere applicato anche a quelle lineari. Tuttavia, le rondelle ondulate forniscono una quantità di cedevolezza all'interno del motore che può stimolare piccole quantità di gioco assiale o lineare che si traducono in imprecisioni della posizione lineare.

Per alleviare questo problema, è possibile modificare uno o entrambi gli elementi nel progetto. È possibile inserire cuscinetti più grandi per aumentare la capacità di carico di spinta del gruppo ed è possibile aggiungere un dado chiave e regolarlo su una specifica di coppia predeterminata per eliminare il gioco dal sistema.

Collegamento cinque: scelta delle opzioni di controllo

L'anello finale che unisce tutti gli elementi è il modo in cui il movimento lineare fisico deve essere diretto e controllato. Tradizionalmente ciò richiederebbe più pezzi separati tra cui un amplificatore e un controller. Ciascuno avrebbe bisogno di un armadio e dell'hardware, del cablaggio, dell'encoder e dei sensori associati per il feedback. Queste configurazioni possono diventare complicate e scomode da installare, risolvere i problemi e utilizzare.

L'emergere di soluzioni di motori intelligenti standardizzate è servita a semplificare il cablaggio e a ridurre il numero di connettori e sensori associati all'ottenimento di prestazioni e controllo di tipo servopasso. Ciò garantisce risparmi sui costi grazie a un numero inferiore di componenti nonché a meno tempo e manodopera associati all'installazione. Questi motori sono disponibili anche in pacchetti industrializzati preassemblati che sigillano e proteggono la scheda e il controllo da abusi o contaminazione con classificazione IP65 o IP67.

Quando un'applicazione richiede funzionalità personalizzate specifiche, ha considerazioni di spazio e dimensioni ridotte al minimo o il basso costo è un fattore critico, un controllo personalizzato su scheda IP20 montato su motore non incapsulato è un'opzione utile. Ciò è particolarmente vero per le applicazioni di grandi volumi collocate in alloggiamenti o apparecchiature stilizzate. Tali attuatori offrono i vantaggi dei motori intelligenti (tipicamente con notevoli risparmi sui costi) e il controllo è direttamente sul motore per una comunicazione più semplice e veloce con il master o il PLC.