Riduzione dei tempi di progettazione per i sistemi di movimento lineare

Sistema a portale cartesiano a 3 assi

È possibile ridurre i tempi di progettazione garantendo nel contempo durata e prestazioni elevate.

Raccogliete quante più informazioni possibili sull'applicazione pertinente fin dall'inizio per evitare di dover ripetere parti, se non l'intero processo di progettazione. Siate cauti e preparati a eventuali cambiamenti di ambito. Utilizzate calcoli e analisi teoriche per determinare i migliori progetti iniziali, quindi confrontateli con le misurazioni dei test sugli attributi prestazionali chiave su apparecchiature reali. Confermate i risultati dei test al banco eseguendo prove cicliche in condizioni reali sul campo.

IDENTIFICAZIONE DEI REQUISITI

Il primo e fondamentale passaggio di quasi ogni processo di ingegneria è l'identificazione dei requisiti applicativi. Ogni prodotto può avere un insieme unico di criteri che ne influenzano le prestazioni. L'utilizzo di una checklist aiuterà a garantire la considerazione di parametri che altrimenti potrebbero essere trascurati.

I dati informativi chiave dell'applicazione in una checklist di esempio possono includere:

• Carico/velocità (dinamico e statico)
• Tensione: 12, 24, 36, 48 VDC, 110, 220, VAC
• Direzione del carico
• Lunghezza della corsa
• Ciclo di vita/lavoro
• Ambientale
• Protezione di fine corsa: Frizione? Finecorsa?
• Come verrà controllato l'attuatore?
• Feedback
• UL, CSA, CE
• Altro: consultare il tecnico dell'applicazione dell'attuatore per ulteriori considerazioni sulla progettazione.

La selezione del corretto gruppo vite a sfere per una specifica applicazione può richiedere un processo iterativo per determinare la soluzione più compatta e conveniente. I requisiti di carico di progetto, velocità lineare e precisione di posizionamento vengono utilizzati per calcolare il diametro, il passo e la capacità di carico del gruppo vite a sfere più adatto. I singoli componenti della vite a 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 agenti su cuscinetti e guide lineari possono essere carichi verticali, carichi orizzontali, momenti di beccheggio, rollio o imbardata, o qualsiasi combinazione di essi. I carichi possono anche variare in entità e direzione.

I vettori di carico risultanti su ciascun cuscinetto devono essere stabiliti a partire dalla corretta combinazione dei vari vettori di carico a cui è soggetto il sistema di cuscinetti lineari, poiché la durata prevista non può essere stimata basandosi solo sui vettori di carico del sistema complessivo. Il carico a cui è soggetto ciascun cuscinetto lineare è chiamato carico equivalente per quel dato cuscinetto. Il sistema viene quindi dimensionato in base alle dimensioni del cuscinetto più caricato. Per ulteriori informazioni sui metodi di calcolo del carico equivalente, fare riferimento ai cataloghi dei fornitori di cuscinetti lineari e guide.

Un gruppo vite a sfere, ad esempio, è progettato per sopportare carichi assiali, traducendo il moto rotatorio in moto assiale. La capacità della vite a sfere di resistere al cedimento sotto carichi di compressione è chiamata resistenza della colonna. La vite sopporta un carico assiale che è effettivamente uguale in intensità e opposto in direzione al carico impartito alla chiocciola a sfere – la sua parte complementare – ed è correlato dalle geometrie di progetto alla coppia del motore di azionamento. In generale, la resistenza della colonna è il parametro di progetto limitante perché, per lunghezze maggiori, può essere molto inferiore alla resistenza a compressione effettiva del materiale. Poiché il rapporto lunghezza libera/diametro è intimamente correlato al cedimento della colonna, ne consegue che, per un dato diametro, la capacità di carico assiale di una vite a sfere dipende dalla sua lunghezza libera.

La durata del sistema di movimento lineare può essere prevista in base al suo profilo operativo; in pratica, per quante ore al giorno, giorni alla settimana e settimane all'anno verrà utilizzata la vite a sfere. Per applicazioni più complesse o per una previsione di durata più precisa, è necessario costruire un profilo di movimento dettagliato e completo, suddividendo i movimenti in segmenti sostanzialmente rettilinei. Ogni segmento del profilo di movimento richiederebbe informazioni sulla velocità all'inizio e alla fine del segmento, sulla durata del segmento e sulla coppia durante il segmento.

Determina la precisione di posizionamento e la ripetibilità richieste dalla tua applicazione. Ad esempio, le viti a sfere in pollici sono in genere prodotte in due gradi: Precision e Precision Plus. Le viti a 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 sfere di grado Precision Plus vengono utilizzate quando il posizionamento ripetibile entro i micron è fondamentale e non viene utilizzato alcun dispositivo di feedback lineare. Mentre le viti di grado Precision presentano una maggiore variazione cumulativa lungo la lunghezza utile della vite, le viti di grado Precision Plus limitano l'accumulo di errori di passo, garantendo un posizionamento più preciso sull'intera lunghezza utile della vite.

DIMENSIONAMENTO E SELEZIONE

Le tabelle fornite dai fornitori di sistemi di movimento lineare possono rappresentare una scorciatoia rapida per il corretto dimensionamento e la selezione dei sistemi di movimento lineare. Utilizzeremo un'applicazione di un portale di saldatura a tre assi come esempio per dimostrare come selezionare e dimensionare le viti a sfere utilizzando le formule di catalogo (Figura 2). La vite a sfere si estende per l'intera lunghezza dell'asse x ed è supportata su entrambe le estremità da supporti a cuscinetto. Per semplicità, definiremo il montaggio della chiocciola 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. Utilizzerà estremità fisse con una flangia termicamente stabile.

Un carico di 2.668,9 Newton (600 libbre) viene applicato da un carrello che scorre su rotaie profilate. La lunghezza di spostamento è di 4,5 m (177,165") e la lunghezza non supportata è di 5,818 metri (229,055"). La velocità richiesta è di 0,1 metri al secondo (3,927 pollici/sec) e l'accelerazione richiesta è di ±2,5 m/s² (98,4 pollici/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 sfere e di 5 anni per i componenti. Un ulteriore requisito è l'utilizzo di un motore passo-passo, in base a una preferenza del reparto di ingegneria elettrica.

Successivamente, selezioniamo 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, pari a 5.500 metri (18 piedi); tuttavia, la disponibilità di viti lunghe 6 metri elimina la necessità di giunzioni di testa. La bassa manutenzione è un requisito fondamentale per questa applicazione. Il risultato è stata la selezione di guide lineari con guide profilate a sfere della serie 500.

Una volta effettuata questa selezione, è possibile calcolare il carico sulle viti a sfere. In base a questo carico, si sceglie come punto di partenza la chiocciola a sfere NEFF KGF-D. Questa chiocciola a sfere è dotata di flangia integrata, raschiatore integrato e attacco DIN 69051. La vite a sfere ha una precisione di ±50 μm/300 mm.

Successivamente, viene verificato il requisito di aspettativa di vita. La durata è generalmente valutata a L10, che rappresenta il tempo dopo il quale il 90% delle viti a sfere è ancora in grado di funzionare. In questa applicazione, l'aspettativa di vita è di 1.035.752,6 anni. Il motivo per cui la durata è così elevata è che abbiamo selezionato la vite a sfere in base alla velocità critica anziché alla durata.

TEST DEL DESIGN PROPOSTO

Una volta selezionato il progetto in base ai calcoli, è necessario effettuare dei test per assicurarsi che i presupposti siano corretti. I test servono a convalidare che quanto proposto sia stato effettivamente realizzato e, in caso contrario, a guidare eventuali azioni correttive. I test di convalida devono essere progettati per rispondere a domande come:

• Il prodotto finito soddisfa le specifiche di progettazione?
• La prestazione è coerente, entro i limiti sperimentali, con i calcoli teorici? In caso contrario, di quanto varia e perché?
• Il prodotto fornisce 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 macchine di grandi dimensioni, potrebbe essere opportuno iniziare con i test sui componenti prima di passare ai test al banco dei sottoassiemi e infine al test dell'assemblaggio completo. In ogni fase dei test, i risultati devono essere esaminati e confrontati con i calcoli teorici per assicurarsi che la progettazione sia sulla strada giusta o per valutare ragionevoli opportunità di miglioramento. I test hanno lo scopo di rivelare ciò che potremmo aver trascurato nei nostri calcoli e nella modellazione.

SISTEMI DI MOVIMENTO LINEARE CONFIGURATI

È inoltre importante, durante tutto il processo, valutare se sia più sensato acquistare un sistema di movimento lineare configurato piuttosto che progettarne e assemblarne uno proprio. In questo caso, è necessario fornire i requisiti dell'applicazione a un integratore di sistemi di movimento 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 speciale. L'integratore utilizzerà quindi in genere un sistema di dimensionamento e selezione basato sul Web per progettare e configurare un sistema di movimento lineare personalizzato in base alle vostre indicazioni. L'integratore può spesso fornire un preventivo e un file CAD del progetto proposto entro 24 ore dalla richiesta. Nella maggior parte dei casi, il costo di un sistema di questo tipo sarà 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, con un risparmio sui costi dei materiali dal 20 al 30%. Ancora più importante, riducendo il tempo dedicato alla progettazione di sistemi di movimento lineare, i vostri ingegneri dedicheranno meno tempo a lavorare in un'area 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 utili per risparmiare sui tempi di progettazione. Non sottovalutate la capacità dei fornitori di soluzioni di movimento lineare di fornire assiemi di movimento lineare configurati che possono aiutarvi a ridurre i costi di progettazione e assemblaggio. Valutate le alternative all'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 grafici, formule, sistemi di selezione online e modelli 3D. Infine, coinvolgete il supporto tecnico per sfruttare la sua competenza di prodotto in soluzioni standard, standard modificati e speciali. Assicuratevi che il fornitore disponga di dati di verifica/test/analisi del progetto a supporto delle dichiarazioni e delle posizioni di progetto. 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.

Data di pubblicazione: 28 marzo 2022

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