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 durabilità e prestazioni elevate.

Cattura quante più informazioni pertinenti possibili sull'applicazione all'inizio per evitare di dover tornare indietro e ripetere parti, se non l'intero processo di progettazione. Sii cauto e preparato al cambiamento di ambito. Utilizza calcoli e analisi teorici per determinare i migliori progetti iniziali, quindi confrontali con misurazioni di prova degli attributi chiave delle prestazioni sulle apparecchiature reali. Confermare i risultati dei test al banco eseguendo test ciclici in condizioni reali sul campo.

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 unica di criteri che ne influenzeranno le prestazioni. L'utilizzo di una lista di controllo aiuterà a garantire la considerazione di parametri che potrebbero altrimenti essere trascurati.

I dati relativi alle informazioni chiave sull'applicazione in un elenco di controllo di esempio possono includere:

• Carico/velocità (dinamico e statico)
• Voltaggio: 12, 24, 36, 48 V CC, 110, 220, V CA
• Direzione del carico
• Lunghezza della corsa
• Ciclo di vita/lavoro
• Ambientale
• Protezione di fine corsa: Frizione? Interruttori di limite?
• 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 ricircolo di sfere per un'applicazione specifica può richiedere un processo iterativo per determinare l'ingombro più piccolo e la soluzione più 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 adatto. I singoli componenti delle viti 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 uguale al peso del carico utile moltiplicato per il coefficiente di attrito. Con un orientamento verticale, il carico dell'azionamento è uguale al peso. I carichi che agiscono su cuscinetti e guide lineari possono essere carichi verticali, carichi orizzontali o carichi di momento di beccheggio, rollio o imbardata o qualsiasi combinazione di questi. I carichi possono anche variare nella loro entità e direzione.

I vettori di carico risultanti su ciascun cuscinetto devono essere stabiliti 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 complessivi del sistema. Il carico a cui è soggetto ciascun cuscinetto lineare è chiamato carico equivalente per quel dato cuscinetto. Il sistema viene quindi dimensionato in base al dimensionamento del cuscinetto maggiormente caricato. Per ulteriori informazioni sui metodi di calcolo per un carico equivalente, fare riferimento ai cataloghi dei fornitori di cuscinetti e guide lineari.

Un gruppo vite a ricircolo di sfere, ad esempio, è destinato a sostenere carichi assiali, trasformando il movimento rotatorio in movimento assiale. La capacità della vite a ricircolo di sfere di resistere alla deformazione sotto carichi di compressione è chiamata resistenza della colonna. La vite trasporta un carico assiale che è effettivamente uguale in grandezza e opposto in direzione al carico impartito alla chiocciola - la sua parte complementare - ed è correlato dalle geometrie di progettazione alla coppia del motore di azionamento. In generale, la resistenza della colonna è il parametro di progettazione limitante perché per lunghezze maggiori può essere molto inferiore all'effettiva resistenza a compressione del materiale. Poiché il rapporto lunghezza libera/diametro è strettamente correlato allo spostamento della colonna, 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 vita del sistema di movimento lineare può essere prevista in base al suo profilo operativo; semplicemente, quante ore al giorno, giorni alla settimana e settimane all'anno verrà utilizzata la vite a ricircolo di sfere. Per applicazioni più complesse o previsioni di vita più precise, è necessario costruire un profilo di movimento dettagliato e completo suddividendo i movimenti in segmenti sostanzialmente diritti. Ciascun segmento del profilo di movimento richiederebbe informazioni relative alla velocità all'inizio e alla fine del segmento, alla durata temporale del segmento e alla coppia durante il segmento.

Determina la precisione di posizionamento e la ripetibilità richieste dalla tua applicazione. Ad esempio, le viti a ricircolo di sfere in pollici sono generalmente prodotte in due qualità: Precision e Precision Plus. Le viti a ricircolo di sfere di precisione verrebbero utilizzate in applicazioni che richiedono movimenti relativamente grossolani o quelle che utilizzano feedback lineare per la posizione posizionale. Le viti a ricircolo di sfere di grado Precision Plus verrebbero 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 variazione cumulativa maggiore sulla lunghezza utile della vite, le viti di grado Precision Plus limitano l'accumulo di errori di passo, fornendo un posizionamento più preciso sull'intera lunghezza utile della vite.

DIMENSIONAMENTO E SELEZIONE

I grafici forniti dai fornitori di sistemi di movimento lineare possono rappresentare una scorciatoia per risparmiare tempo verso 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 del catalogo (Figura 2). La vite a ricircolo di sfere percorre l'intera lunghezza dell'asse x ed è supportata su entrambe le estremità da supporti di cuscinetti. Per semplicità, definiremo il montaggio della chiocciola come flangiato, il materiale come acciaio legato, la direzione della filettatura come destrorsa e la serie del 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 quantità di flangia termicamente stabile.

Un carico di 2.668,9 Newton (600 libbre) viene applicato da un carrello che corre su rotaie profilate. La lunghezza della corsa 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/s) ed è necessaria un'accelerazione 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. Il requisito di durata è di 20 anni per la vite a ricircolo di sfere e di 5 anni per i componenti. Un ulteriore requisito è che venga utilizzato un motore passo-passo a causa della preferenza del dipartimento 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 ha una corsa relativamente lunga di 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 importante di questa applicazione. Il risultato è stata la selezione delle guide lineari con rotaia a profilo sferico serie 500.

Effettuata questa selezione è possibile calcolare il carico sulle viti a ricircolo di sfere. Sulla base di questo carico, come punto di partenza viene scelta la chiocciola a ricircolo di sfere NEFF KGF-D. Questa chiocciola a sfera ha una flangia integrale, un raschiatore integrale e un montaggio DIN 69051. La vite a ricircolo di sfere ha una precisione di ±50 μm/300 mm.

Successivamente viene controllato il requisito relativo all’aspettativa di vita. La durata è generalmente valutata L10, che rappresenta il tempo dopo il quale il 90% delle viti a ricircolo di sfere continuerà a 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 ricircolo di sfere in base alla velocità critica piuttosto che alla durata.

VERIFICA DEL DESIGN PROPOSTO

Dopo aver selezionato il progetto in base ai calcoli, è necessario eseguire dei test per assicurarsi che i locali siano corretti. Il test ha lo scopo di convalidare che quanto proposto sia stato effettivamente consegnato e, in caso contrario, di guidare eventuali azioni correttive che potrebbero essere necessarie. I test di validazione dovrebbero 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 e, in caso contrario, di quanto varia e perché?
• Il prodotto fornisce il livello di affidabilità richiesto?
• Quali sono le potenziali modalità e punti di guasto del prodotto?
• Come si confronta la soluzione attuale con le alternative?

Per sistemi e macchine di grandi dimensioni, potresti voler iniziare con il test dei componenti prima di passare al test al banco dei sottoassiemi e infine al test dell'assieme completo. In ogni fase del test, i risultati del test dovrebbero essere rivisti e confrontati con i calcoli teorici per assicurarsi che il progetto sia sulla strada giusta o per considerare ragionevoli opportunità di miglioramento. I test hanno lo scopo di rivelare ciò che potremmo aver perso nei nostri calcoli e modellizzazioni.

SISTEMI DI MOVIMENTO LINEARE CONFIGURATI

È anche importante, durante tutto il processo, considerare se potrebbe avere più senso acquistare un sistema di movimento lineare già configurato piuttosto che progettarne e assemblarne uno proprio. In questo caso, forniresti i requisiti dell'applicazione a un integratore di movimento lineare come la configurazione di montaggio, i requisiti di posizionamento, le condizioni ambientali, le condizioni di carico, i requisiti di movimento ed eventuali considerazioni speciali. 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 al input dell'utente. 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 tale sistema 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 e spesso può fornire un risparmio sul costo dei materiali dal 20 al 30%. Ancora più importante, riducendo il tempo dedicato alla progettazione di sistemi di movimento lineare, i tuoi ingegneri passeranno 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, sfrutta tutte le risorse utili per risparmiare tempo nella progettazione. Non trascurare la capacità dei fornitori di movimento lineare di fornire gruppi di movimento lineare configurati che possono aiutarti a ridurre i costi di progettazione e assemblaggio. Valutare le alternative di acquisto di componenti rispetto a moduli o a sistemi completi in termini di impatto sulla progettazione e sui tempi di assemblaggio. Utilizza, a tuo vantaggio, tutti gli strumenti di progettazione disponibili come grafici, formule, sistemi di selezione online e modelli 3D. Infine, coinvolgere il supporto tecnico per sfruttare la propria esperienza sui prodotti in soluzioni standard, standard modificati e speciali. Assicurarsi di confermare che il fornitore disponga di dati di verifica/test/analisi del progetto a sostegno delle dichiarazioni e delle posizioni di progettazione. Questo approccio può ridurre al minimo i tempi di progettazione garantendo al tempo stesso che i sistemi di movimento lineare soddisfino i requisiti di prestazioni e durata.

Orario di pubblicazione: 28 marzo 2022

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