Ridurre i tempi di progettazione è fondamentale in ingegneria perché si traduce in costi inferiori e tempi di commercializzazione più rapidi. I tempi di progettazione spesso includono una serie di attività che non aggiungono valore, come la riprogettazione, la sovraprogettazione o l'ampliamento incontrollato dell'ambito del progetto, che possono essere minimizzate comprendendo a fondo tutti i criteri applicativi e verificando calcoli e analisi tramite test parametrici di componenti, moduli e assiemi completi con apparecchiature di acquisizione dati, e dimostrando i risultati prestazionali previsti tramite test.

Acquisite fin dall'inizio quante più informazioni possibili sull'applicazione per evitare di dover tornare indietro e ripetere parti, se non l'intero processo di progettazione. Siate prudenti e preparati a eventuali modifiche dell'ambito del progetto. Utilizzate calcoli e analisi teoriche per determinare le migliori soluzioni progettuali iniziali, quindi confrontatele con le misurazioni effettuate sui parametri prestazionali chiave delle apparecchiature reali. Confermate i risultati dei test di laboratorio eseguendo prove di ciclo in condizioni di campo reali.

Identificazione dei requisiti

Il primo e fondamentale passo di quasi ogni processo di ingegneria è l'identificazione dei requisiti dell'applicazione. Ogni prodotto può avere una serie di criteri specifici che ne influenzano le prestazioni. L'utilizzo di una checklist aiuta a garantire la considerazione di parametri che altrimenti potrebbero essere trascurati.

Le informazioni chiave relative alla candidatura, contenute in un elenco di controllo di esempio, possono includere:

• Carico/velocità (dinamica e statica)
• Tensione: 12, 24, 36, 48 VDC, 110, 220 VAC
• Direzione del carico
• Lunghezza della falcata
• Ciclo di vita/utilizzo
• Ambientale
• Protezione di fine corsa: Frizione? Finecorsa?
• Come verrà controllato l'attuatore?
• Feedback
• Certificazione CE

La selezione del gruppo vite a ricircolo di sfere più adatto a una specifica applicazione può richiedere un processo iterativo per determinare la soluzione più compatta ed economicamente vantaggiosa. Il carico di progetto, la velocità lineare e i requisiti di precisione di posizionamento vengono utilizzati per calcolare il diametro, il passo e la capacità di carico del gruppo vite a ricircolo di sfere idoneo. I singoli componenti della vite a ricircolo di sfere possono quindi essere selezionati in base alla durata, ai vincoli dimensionali, alla configurazione di montaggio e alle condizioni ambientali.

Un buon punto di partenza è definire la direzione e l'entità del carico. L'orientamento del sistema può essere molto importante. Con un orientamento orizzontale, il carico di azionamento è pari al peso del carico utile moltiplicato per il coefficiente di attrito. Con un orientamento verticale, il carico di azionamento è pari al peso. I carichi che agiscono su cuscinetti e guide lineari possono essere carichi verticali, carichi orizzontali, oppure carichi di momento di beccheggio, rollio o imbardata, o qualsiasi combinazione di questi. I carichi possono anche variare in entità e direzione.

I vettori di carico risultanti su ciascun cuscinetto devono essere determinati mediante la corretta combinazione dei vari vettori di carico a cui è sottoposto il sistema di cuscinetti lineari, poiché la durata prevista non può essere stimata basandosi unicamente sui vettori di carico complessivi del sistema. Il carico a cui è sottoposto ciascun cuscinetto lineare è definito carico equivalente per quel cuscinetto. Il sistema viene quindi dimensionato in base al cuscinetto maggiormente caricato. Per ulteriori informazioni sui metodi di calcolo del carico equivalente, consultare i cataloghi dei fornitori di cuscinetti e guide lineari.

Un gruppo vite a ricircolo di sfere, ad esempio, è progettato per sopportare carichi assiali, convertendo il moto rotatorio in moto assiale. La capacità della vite a ricircolo di sfere di resistere all'instabilità per flessione sotto carichi di compressione è detta resistenza alla compressione. La vite sopporta un carico assiale che è effettivamente uguale in modulo e opposto in direzione al carico trasmesso al dado a ricircolo di sfere – la sua parte complementare – ed è correlato, tramite le geometrie di progetto, alla coppia del motore di azionamento. In generale, la resistenza alla compressione è il parametro di progetto limitante perché, per lunghezze maggiori, può essere molto inferiore alla resistenza a compressione effettiva del materiale. Poiché il rapporto tra lunghezza libera e diametro è strettamente correlato all'instabilità per compressione, ne consegue che, per un dato diametro, la capacità di carico assiale di una vite a ricircolo di sfere dipende dalla sua lunghezza libera.

La durata di un sistema di movimento lineare può essere prevista in base al suo profilo operativo, ovvero al numero di ore al giorno, giorni alla settimana e settimane all'anno in cui la vite a ricircolo di sfere sarà in funzione. Per applicazioni più complesse o per una previsione di durata più precisa, è necessario costruire un profilo di movimento dettagliato e completo, scomponendo i movimenti in segmenti rettilinei. Ogni segmento del profilo di movimento richiede informazioni sulla velocità all'inizio e alla fine del segmento, sulla durata del segmento e sulla coppia durante il segmento.

Determinate la precisione di posizionamento e la ripetibilità richieste dalla vostra applicazione. Ad esempio, le viti a ricircolo di sfere in pollici sono generalmente prodotte in due gradi: Precision e Precision Plus. Le viti a ricircolo di sfere di grado Precision vengono utilizzate in applicazioni che richiedono movimenti relativamente grossolani o che utilizzano un feedback lineare per il posizionamento. Le viti a ricircolo di sfere di grado Precision Plus vengono utilizzate quando è fondamentale un posizionamento ripetibile entro i micron e non viene utilizzato alcun dispositivo di feedback lineare. Mentre le viti di grado Precision presentano una maggiore variazione cumulativa sulla lunghezza utile della vite, le viti di grado Precision Plus limitano l'accumulo dell'errore di passo, fornendo un posizionamento più preciso sull'intera lunghezza utile della vite.

Dimensionamento e selezione

Le tabelle fornite dai produttori di sistemi di movimentazione lineare possono rappresentare una scorciatoia che consente di risparmiare tempo nel dimensionamento e nella selezione corretti di tali sistemi. Utilizzeremo come esempio un portale di saldatura a tre assi per dimostrare come selezionare e dimensionare le viti a ricircolo di sfere utilizzando le formule di catalogo. La vite a ricircolo di sfere percorre l'intera lunghezza dell'asse x ed è supportata alle estremità da cuscinetti. Per semplicità, definiremo il montaggio del dado come flangiato, il materiale come acciaio legato, la direzione della filettatura come destrorsa e la serie di prodotto come metrica. L'orientamento del sistema in questa applicazione è orizzontale, con un design a vite e una lunghezza dell'asse x di 6 metri. Verranno utilizzate estremità fisse con una flangia termicamente stabile.

Un carico di 2.668,9 Newton viene applicato da un carrello che scorre su rotaie profilate. La lunghezza di corsa è di 4,5 m e la lunghezza libera è di 5,818 metri. La velocità richiesta è di 0,1 metri al secondo e l'accelerazione necessaria è di ±2,5 m/s². Il ciclo di lavoro è di 8 ore al giorno, 5 giorni alla settimana e 50 settimane all'anno, con una media di 10 cicli all'ora. La durata richiesta è di 20 anni per la vite a ricircolo di sfere e di 5 anni per i componenti. Un requisito aggiuntivo è l'utilizzo di un motore passo-passo, a causa di una preferenza del reparto di ingegneria elettrica.

Successivamente, abbiamo selezionato i cuscinetti lineari per l'asse x. I requisiti principali di questa applicazione sono un'elevata capacità di carico e un'elevata rigidità. L'applicazione presenta una corsa relativamente lunga di 5.500 metri; tuttavia, la disponibilità di viti da 6 metri elimina la necessità di giunzioni testa a testa. La bassa manutenzione è un requisito importante per questa applicazione. Il risultato è stata la selezione di guide lineari a profilo a sfere della serie 500.

Una volta effettuata questa selezione, è possibile calcolare il carico sulle viti a ricircolo di sfere. In base a questo carico, il dado a ricircolo di sfere 1610 viene scelto come punto di partenza. Questo dado a ricircolo di sfere è dotato di flangia integrata, raschiatore integrato e attacco M4. La vite a ricircolo di sfere ha una precisione di ±50 μm/300 mm.

Successivamente, viene verificato il requisito di durata prevista. La durata prevista è in genere valutata a L10, che rappresenta il tempo dopo il quale il 90% delle viti a ricircolo di sfere sarà ancora in grado di funzionare. In questa applicazione, la durata prevista è di 10 km. Il motivo per cui la durata prevista è così elevata è che abbiamo selezionato la vite a ricircolo di sfere in base alla velocità critica piuttosto che alla durata prevista.

Test del progetto proposto

Una volta selezionato il progetto in base ai calcoli, è necessario testarlo per accertarsi che le premesse siano corrette. I test hanno lo scopo di verificare che quanto proposto sia stato effettivamente realizzato e, in caso contrario, di guidare le eventuali azioni correttive necessarie. I test di validazione dovrebbero essere progettati per rispondere a domande come:

• Il prodotto finito soddisfa le specifiche di progettazione?
• Le prestazioni sono coerenti, entro i limiti sperimentali, con i calcoli teorici? In caso contrario, di quanto variano e perché?
• Il prodotto offre il livello di affidabilità richiesto?
• Quali sono le potenziali modalità e i punti di guasto del prodotto?
• Come si confronta la soluzione attuale con le alternative?

Per sistemi e macchinari di grandi dimensioni, potrebbe essere opportuno iniziare con il collaudo dei singoli componenti prima di passare al collaudo al banco dei sottoassiemi e, infine, al collaudo dell'intero assieme. In ogni fase del collaudo, i risultati devono essere esaminati e confrontati con i calcoli teorici per verificare che il progetto sia corretto o per individuare possibili miglioramenti. Lo scopo del collaudo è quello di rivelare eventuali errori di calcolo e di modellazione.

Sistemi di movimento lineare configurati

È inoltre importante, durante tutto il processo, valutare se sia più conveniente acquistare un sistema di movimentazione lineare già configurato piuttosto che progettarne e assemblarne uno personalizzato. In questo caso, si dovrebbero fornire i requisiti dell'applicazione a un integratore di sistemi di movimentazione lineare, come la configurazione di montaggio, i requisiti di posizionamento, le condizioni ambientali, le condizioni di carico, i requisiti di movimento e qualsiasi altra considerazione particolare. L'integratore utilizzerà in genere un sistema di dimensionamento e selezione basato sul web per progettare e configurare un sistema di movimentazione lineare personalizzato in base alle vostre indicazioni. Spesso, l'integratore è in grado di fornire un preventivo e un file CAD del progetto proposto entro 24 ore dalla richiesta. Il costo di un sistema di questo tipo sarà, nella maggior parte dei casi, inferiore al costo dei singoli componenti.

Questo approccio può in genere ridurre i tempi di progettazione e i costi di assemblaggio del 90% o più e spesso consente un risparmio sui costi dei materiali del 20-30%. Cosa ancora più importante, riducendo il tempo dedicato alla progettazione di sistemi di movimento lineare, i vostri ingegneri potranno dedicare meno tempo ad attività al di fuori delle loro competenze principali e più tempo a concentrarsi su ciò che sanno fare meglio: l'integrazione complessiva del sistema.

In sintesi, sfruttate tutte le risorse disponibili per risparmiare tempo nella progettazione. Non sottovalutate la possibilità offerta dai fornitori di sistemi di movimento lineare di fornire assemblaggi preconfigurati che possono aiutarvi a ridurre i costi di progettazione e assemblaggio. Valutate le alternative di acquisto di componenti, moduli o sistemi completi in termini di impatto sui tempi di progettazione e assemblaggio. Utilizzate a vostro vantaggio tutti gli strumenti di progettazione disponibili, come diagrammi, formule, sistemi di selezione online e modelli 3D. Infine, coinvolgete l'assistenza tecnica per sfruttare la loro competenza sui prodotti, sia per soluzioni standard che per soluzioni personalizzate. Assicuratevi che il fornitore disponga di dati di verifica, collaudo e analisi della progettazione a supporto delle dichiarazioni e delle posizioni progettuali. Questo approccio può ridurre al minimo i tempi di progettazione, garantendo al contempo che i sistemi di movimento lineare soddisfino i requisiti di prestazioni e durata.