Analise cinco elos na cadeia de elementos de projeto essenciais para a operação de precisão.

Um sistema de movimento linear é tão robusto quanto os elos mais sensíveis em sua cadeia de elementos mecânicos e eletromecânicos. Compreender cada componente e característica (e seu impacto no resultado do projeto) aprimora as decisões e aumenta as chances de o projeto final atender plenamente às demandas da aplicação. Afinal, a folga, a precisão e outros aspectos de desempenho do sistema podem ser rastreados até elementos presentes no projeto e na fabricação do fuso, da porca anti-folga, dos acoplamentos, do motor e da estratégia de controle.

Trabalhar com fornecedores de sistemas de movimento linear que possuam experiência em todas as etapas de um projeto é a melhor maneira de obter o máximo desempenho. Em última análise, sistemas de controle de movimento otimizados são como um carro esportivo de alto desempenho com todos os seus elementos bem equilibrados… onde o motor do tamanho certo + a transmissão certa + os pneus certos + ótimos recursos de controle (como freios ABS e controle de tração) = ótimo desempenho.

Considere alguns exemplos de projetos que exigem desempenho máximo. Em alguns tipos de impressão 3D, as resoluções das camadas estão sendo reduzidas a até 10 µm por camada. Em dispositivos médicos, as unidades de dispensação devem fornecer medicamentos que salvam vidas e controlar doses na ordem de microlitros. O mesmo nível de precisão pode ser observado em equipamentos ópticos e de escaneamento, equipamentos de processamento de chips e wafers na indústria de semicondutores e na área de automação laboratorial.

Somente projetos de movimento linear construídos com uma abordagem holística para a seleção e integração de componentes podem atender a esses requisitos de desempenho cada vez mais elevados. Frequentemente, a solução mais adequada para essas construções é um conjunto de parafuso e porca acionado por motor com arquitetura de controle apropriada. Portanto, vamos considerar os principais aspectos e características de desempenho para cada elo nesse tipo de montagem linear.

Link um: Qualidade do fuso e da porca

Os fusos de esferas existem há décadas em diversas formas, com uma variedade de designs de porcas e materiais. Durante grande parte desse tempo, as máquinas usadas para fabricar fusos de esferas eram ajustadas manualmente, limitando a qualidade à capacidade da máquina e ao nível de habilidade do operador. A maioria dos fabricantes hoje ainda usa esse tipo de equipamento, mas os modernos processos automatizados estão elevando a qualidade dos fusos de esferas a um novo patamar.

Por exemplo, essas operações utilizam um sistema de alimentação controlado por CNC, ajuste de inclinação e controle de pressão para o processo de rosqueamento por laminação, resultando em roscas de fusos de esferas com a máxima consistência. O acabamento superficial desses fusos é sempre liso e livre de abrasões que possam danificar as porcas de polímero, proporcionando precisão e vida útil sem precedentes ao sistema.

Ao mesmo tempo, técnicas avançadas de metrologia e inspeção que rastreiam a forma e o formato das roscas do fuso apresentam resultados com precisões de passo ponto a ponto até três vezes melhores do que as dos métodos manuais tradicionais. Isso mantém consistentemente as precisões de passo em até 0,003 pol./pé ao longo do comprimento do fuso.

Para aplicações de transporte que envolvem a movimentação de um objeto de um ponto a outro ao longo de um eixo, o método tradicional de verificação da precisão do passo a cada 300 mm (ou seis polegadas) é adequado. No entanto, para aplicações de altíssima precisão, a exatidão de cada rosca do eixo é crucial. O desvio da geometria ideal da rosca é conhecido como empenamento da rosca.

Os novos equipamentos, processos e métodos de inspeção detalhados de fabricação CNC automatizada proporcionam maior controle e qualidade, de modo que os pontos mais altos e mais baixos dentro de uma rosca individual apresentam uma precisão de sub-rotação significativamente melhorada — em outras palavras, menor oscilação. Isso, por sua vez, ajuda os fusos de esferas a manterem a repetibilidade de posicionamento em uma única rotação em até 1 µm. Essa é uma métrica de desempenho especialmente crítica em aplicações como o processamento de wafers e chips caros para a indústria de semicondutores e a dispensação precisa de medicamentos em uma bomba de seringa.

Após a laminação de roscas, fornecedores avançados de parafusos endireitam os eixos dos parafusos com um sistema automatizado para minimizar erros e desalinhamentos que podem causar vibração, ruído e desgaste prematuro. A retidão do eixo do parafuso é crucial, pois qualquer erro é acentuado quando ele é montado no motor. Em contraste, os métodos tradicionais (manuais) de endireitamento de parafusos podem produzir um efeito de cone de neve na geometria do eixo do parafuso — na forma de um único arco ou múltiplos arcos que se curvam em espiral ao redor do eixo longitudinal. Novamente, o endireitamento e a inspeção automatizados eliminam esses erros, resultando em um desempenho estável do parafuso.

A etapa final na produção de fusos de esferas é a aplicação de um revestimento de PTFE. Somente um acabamento liso e uniforme garante longa vida útil e bom desempenho do sistema. A aplicação inconsistente do PTFE (resultante de um ambiente ou equipamento de revestimento inadequado) pode causar corrosão por pite, fissuras, bolhas, descamação ou rugosidade superficial, que levam ao desgaste prematuro da porca e à redução da vida útil do conjunto.

Link dois: Interação entre a porca e o parafuso

As porcas antirrecuo tradicionais utilizam um design de várias peças que requer uma mola helicoidal para mover uma pinça linearmente ao longo da porca, fechando as linguetas e controlando o encaixe entre o parafuso e a porca.

Os problemas que contribuem para a falha nesses projetos são a força esporádica e variável da mola, o deslizamento intermitente da pinça na porca e a pressão flutuante devido ao desgaste do material da porca. Em contraste, uma porca alternativa projetada para fornecer força constante inclui um design simplificado de duas peças que aplica pressão às linguetas da porca de forma radial, que é a direção necessária para controlar a folga entre a porca e o parafuso.

Considere o projeto convencional de mola helicoidal e pinça para uma porca de fuso de esferas anti-folga. Nesse caso, uma mola helicoidal de força variável gera força axial que é convertida em força radial por meio de interferência mecânica. O projeto utiliza componentes moldados por injeção para aplicar a força igualmente às pinças. Testes de referência confirmam que a pré-carga varia drasticamente nos primeiros 1.000 ciclos.

Em contraste, certas porcas antirrecuo de força constante para fusos de esferas oferecem desempenho de folga de duas a quatro vezes melhor do que os projetos convencionais, conforme validado por testes da FDA realizados por clientes de automação laboratorial. Um projeto de mola de força constante garante pré-carga consistente durante toda a vida útil do eixo. Material da porca autolubrificante com PTFE para lubrificação e maior eficiência.

Uma das maiores vantagens das porcas anti-folga de força constante para fusos de esferas é a capacidade de serem ajustadas a uma aplicação específica por meio de alterações na mola e em outros parâmetros. Esse ajuste permite a otimização da pré-carga, folga, força de arrasto e folga de funcionamento para atender às especificações exigidas. Cada combinação de fuso e porca, bem como cada conjunto completo de motor e fuso, pode ser testado quanto a cada uma dessas características de desempenho durante a validação e a inspeção final.

Terceiro elo: Conexão acoplada ou direta ao acionamento

O próximo elo na cadeia é como o parafuso se fixa ao motor. Existem três maneiras básicas de fazer isso.

O primeiro método é o mais tradicional, no qual um acoplador é introduzido na montagem como o componente entre o parafuso e um motor construído com um eixo extensível. Esse projeto requer mais espaço devido ao comprimento do acoplador e de qualquer alojamento de fixação associado, além de poder gerar problemas de alinhamento. Devido ao aumento no número de componentes, é mais difícil manter tudo centralizado. Se um ou mais componentes estiverem ovalizados ou desalinhados, o resultado pode ser um efeito de came que afeta significativamente o desempenho e a vida útil do sistema.

O segundo método consiste em inserir o parafuso em um furo cônico para fixá-lo mecanicamente (pela parte traseira) com um parafuso. Essa montagem é comum em motores que exigem manutenção frequente e oferece um método rápido de desmontagem e remontagem. A desvantagem é que o alinhamento é difícil de manter e pode gerar um efeito de "cone de neve" que amplifica as imprecisões ao longo do parafuso. Além disso, essa oscilação do parafuso cria pontos de desgaste que podem aumentar a necessidade de manutenção e causar falhas prematuras do sistema.

O terceiro método consiste na montagem direta do parafuso em um eixo oco dentro do motor e na fixação do parafuso com solda a laser na parte traseira do motor. Este método garante o máximo encaixe do parafuso com o motor, resultando no alinhamento de maior precisão possível. Em alguns casos, a solda pode ser substituída por um adesivo industrial que cria uma ligação permanente entre o parafuso e o motor. Este método de montagem também proporciona o mais alto nível de precisão, apresentando a menor oscilação possível no parafuso, o que resulta em maior vida útil e minimiza a necessidade de manutenção.

A otimização do alinhamento do fuso, da porca e do acoplamento prolonga a vida útil de todo o sistema. Como base de comparação com outros elementos do sistema, foram realizados testes em diversas orientações, com diferentes passos de avanço e sob uma variedade de cargas e velocidades. Os resultados mostraram uma vida útil em deslocamento 40 vezes superior à vida útil padrão de um rolamento L10.

Em outras palavras, as configurações tradicionais de motor e fuso de esferas incluem múltiplos componentes que exigem montagem e são difíceis de alinhar. Elas introduzem folgas e acúmulo de tolerâncias que degradam a precisão e aumentam o potencial de falhas. Um grande número de componentes também resulta em um custo de montagem geral mais elevado. Mas as configurações integradas de atuadores lineares híbridos incluem um fuso de esferas alinhado e fixado diretamente ao motor — com menos componentes. Isso proporciona maior rigidez, precisão e confiabilidade… além de um valor agregado ao projeto.

Elo quatro: Seleção do tipo e projeto do motor

Os atuadores lineares oferecem diversas opções de motores, sendo as mais comuns o motor de passo de malha aberta, a versão de malha fechada (que utiliza um controlador montado em placa ou um motor de passo inteligente encapsulado industrialmente) e, por fim, o motor CC sem escovas (BLDC). Cada um apresenta suas próprias características de desempenho, velocidades e capacidades de carga, além de vantagens e desvantagens relacionadas a custo, integração, controle e outros fatores que abordaremos mais adiante.

O maior impacto no desempenho do movimento linear de um motor requer uma análise detalhada do seu projeto interno. Motores de uso geral típicos utilizam arruelas onduladas para manter os rolamentos e o conjunto no lugar. Isso geralmente é adequado para aplicações rotativas e, muitas vezes, também pode ser aplicado a aplicações lineares. No entanto, as arruelas onduladas proporcionam uma certa flexibilidade dentro do motor que pode gerar pequenas folgas axiais ou lineares, resultando em imprecisões na posição linear.

Para atenuar esse problema, um ou ambos os elementos podem ser modificados no projeto. Rolamentos maiores podem ser inseridos para aumentar a capacidade de carga axial do conjunto, e uma porca de aperto pode ser adicionada e ajustada a um torque predeterminado para eliminar a folga do sistema.

Link cinco: Escolha das opções de controle

O elo final que une todos os elementos é a forma como o movimento linear físico será direcionado e controlado. Tradicionalmente, isso exigiria várias peças separadas, incluindo um amplificador e um controlador. Cada um precisaria de um gabinete e do hardware, fiação, encoder e sensores de feedback associados. Essas configurações podem se tornar complicadas e trabalhosas de instalar, solucionar problemas e operar.

O surgimento de soluções de motores inteligentes prontas para uso simplificou a fiação e reduziu o número de conectores e sensores necessários para obter o desempenho e o controle de um servo motor. Isso proporciona economia de custos graças à menor quantidade de componentes, bem como à redução do tempo e da mão de obra envolvidos na instalação. Esses motores também vêm em embalagens industriais pré-montadas que vedam e protegem a placa e o controlador contra danos ou contaminação, com classificações IP65 ou IP67.

Quando uma aplicação requer recursos personalizados específicos, tem restrições de espaço e tamanho, ou o baixo custo é um fator crítico, um controlador de placa personalizado, não encapsulado e montado no motor com classificação IP20, é uma opção útil. Isso é especialmente verdadeiro para aplicações de grande volume, instaladas em gabinetes ou equipamentos com design diferenciado. Esses atuadores oferecem as vantagens dos motores inteligentes (normalmente com economia substancial de custos) e o controle é feito diretamente no motor, facilitando e agilizando a comunicação com o controlador mestre ou CLP.