Revise cinco elos na cadeia de elementos de design tão essenciais para uma operação de precisão.

Um sistema de movimento linear é tão resistente quanto os elos mais comprometedores de sua cadeia de elementos mecânicos e eletromecânicos. Compreender cada componente e característica (e seu impacto no resultado do projeto) melhora as decisões e 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 os elementos do projeto e da fabricação do fuso de avanço, da porca antifolga, dos acoplamentos, do motor e da estratégia de controle.

Trabalhar com fornecedores de movimento linear com expertise em todos os elos de um projeto é a melhor maneira de obter o melhor 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... para o qual o motor do tamanho certo + a transmissão certa + os pneus certos + excelentes 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 de camada estão sendo reduzidas a até 10 µm por camada. Em dispositivos médicos, as unidades de dispensação precisam liberar medicamentos que salvam vidas e controlar doses em microlitros. O mesmo tipo de precisão rigorosa pode ser observado em equipamentos ópticos e de digitalização, equipamentos de processamento de chips e wafers na indústria de semicondutores e no setor de automação de laboratórios.

Somente projetos de movimento linear, desenvolvidos com uma abordagem holística para seleção e integração de componentes, podem atender a esses requisitos de desempenho cada vez maiores. Muitas vezes, a solução mais adequada para essas construções é um parafuso e porca acionados por motor com arquitetura de controle apropriada. Portanto, vamos considerar as principais considerações e características de desempenho para cada elo nesse tipo de conjunto linear.

Link um: Qualidade do fuso e da porca

Os fusos de avanço existem há décadas, em diversos formatos, com uma variedade de designs e materiais de porcas. Durante grande parte desse tempo, as máquinas utilizadas na fabricação de fusos de avanço eram ajustadas manualmente — limitando a qualidade à capacidade da máquina e ao nível de habilidade do operador. A maioria dos fabricantes ainda utiliza esse tipo de equipamento, mas os processos automatizados modernos estão elevando a qualidade dos fusos de avanço a um novo patamar.

Por exemplo, tais operações utilizam alimentação controlada por CNC, ajuste de inclinação e controles de pressão para o processo de rosqueamento por laminação, a fim de produzir as formas de rosca de fuso mais consistentes. O acabamento superficial desses fusos é consistentemente liso e livre de abrasões superficiais que podem rasgar as porcas de polímero... para precisão e vida útil do sistema sem precedentes.

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

Para aplicações de transporte, movimentando objetos de um ponto a outro ao longo de um eixo, o método tradicional de verificação da precisão do avanço a cada 300 mm ou seis polegadas é adequado. Mas, para aplicações de maior precisão, a precisão de cada rosca do eixo é relevante. O desvio da geometria adequada da rosca é conhecido como embriaguez da rosca.

Novos equipamentos automatizados de fabricação CNC, processos e métodos de inspeção detalhados produzem controle e qualidade mais rigorosos, de modo que os pontos alto e baixo dentro de uma rosca individual apresentam precisão de subrotação significativamente aprimorada — em outras palavras, menos embriaguez. Isso, por sua vez, ajuda os fusos a manter a repetibilidade de posicionamento em uma única rotação em 1 µm. Esta 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 da rosca, os fornecedores avançados de parafusos endireitam os eixos dos parafusos com um sistema automatizado para minimizar erros e desvios que podem causar vibração, ruído e desgaste prematuro. A retidão do eixo do parafuso é fundamental, pois qualquer erro é acentuado quando ele é montado com o 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 de múltiplos arcos que se enrolam em espiral ao redor do eixo longo do eixo. 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 avanço é a aplicação de um revestimento de PTFE. Somente um acabamento liso e consistente proporciona longa vida útil e desempenho ao sistema. A aplicação inconsistente de PTFE (resultante de um ambiente ou equipamento de revestimento abaixo do ideal) pode causar corrosão por pites, fissuras, bolhas, descamação ou rugosidade superficial, causando desgaste prematuro da porca e redução da vida útil do conjunto.

Link dois: Interação da porca e do parafuso

As porcas antifolga tradicionais usam um design multipeças que requer uma mola helicoidal para mover uma pinça linearmente ao longo da porca para fechar os dedos e controlar 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 efeito stick-slip da pinça na porca e a pressão flutuante à medida que o material da porca se desgasta. Em contraste, uma porca alternativa projetada para fornecer força constante inclui um projeto simplificado de duas peças que aplica pressão radial aos dedos da porca, que é a direção necessária para controlar a folga ou a folga entre a porca e o parafuso.

Considere o projeto convencional de mola helicoidal e pinça para uma porca de fuso antifolga. Aqui, uma mola helicoidal de força variável gera força axial, que é convertida em força radial por meio de interferência mecânica. O projeto se baseia em componentes moldados por injeção para aplicar força uniformemente aos dedos. Testes de benchmark confirmam que a pré-carga muda drasticamente nos primeiros 1.000 ciclos.

Em contraste, certas porcas de fuso antifolga de força constante oferecem um desempenho de folga de duas a quatro vezes superior ao dos projetos convencionais, conforme validado por testes da FDA de clientes de automação de laboratório. O design da mola de força constante garante uma pré-carga consistente ao longo da vida útil do eixo. Material da porca autolubrificante com PTFE para lubrificação e maior eficiência.

Uma das maiores vantagens das porcas de fuso antifolga de força constante é a sua capacidade de serem ajustadas à aplicação, com ajustes na mola e em outros parâmetros. Esse ajuste permite a otimização da pré-carga, da folga, da força de arrasto e da folga de giro para atender às especificações exigidas. Cada combinação de parafuso e porca, juntamente com cada conjunto de motor e parafuso, pode ser testada para cada uma dessas características de desempenho durante a validação e a inspeção final.

Link três: Conexão acoplada ou direta ao drive

O próximo elo da cadeia é como o parafuso se conecta ao motor. Há três maneiras básicas de fazer isso.

O primeiro é o método mais tradicional, em que um acoplador é introduzido no conjunto como componente entre o parafuso e um motor construído com um eixo de pino extensível. Este projeto requer mais espaço para o comprimento do acoplador e qualquer alojamento de fixação associado, e também pode criar problemas de alinhamento. Devido ao maior número de componentes, é mais difícil manter tudo na linha central. Se um ou mais componentes estiverem desalinhados ou fora do eixo, o resultado pode ser um efeito de came que afeta significativamente o desempenho e a vida útil do sistema.

O segundo método insere 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 um método rápido para desmontagem e remontagem. A desvantagem é que o alinhamento é difícil de manter e pode causar um efeito de cone de neve que amplifica as imprecisões ao longo do comprimento do parafuso. Além disso, essa oscilação do cone de neve no parafuso cria pontos de desgaste que podem levar à necessidade de manutenção e à falha prematura do sistema.

O terceiro método consiste no encaixe direto do parafuso em um eixo oco dentro do motor, seguido de uma solda a laser na parte traseira do motor. Esse método garante o máximo encaixe do parafuso no motor, resultando no alinhamento com a 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. Esse método de montagem também proporciona o mais alto nível de precisão, proporcionando o mínimo de desvio no parafuso, resultando em maior vida útil e minimizando 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 para comparação com outros elementos do sistema, foram realizados testes em diversas orientações, com diferentes passos e com uma gama de cargas e velocidades. Os resultados demonstraram uma vida útil 40 vezes superior à vida útil padrão do rolamento L10.

Em outras palavras, as configurações tradicionais de motor e fuso incluem múltiplos componentes que exigem montagem e são difíceis de alinhar. Elas introduzem folgas e tolerâncias acumuladas que degradam a precisão e aumentam o potencial de falha. A alta contagem de componentes também aumenta o custo geral de montagem. Já as configurações integradas de atuadores lineares híbridos incluem um fuso alinhado e fixado diretamente ao motor — para menos componentes. Isso proporciona maior rigidez, precisão e confiabilidade... além de valor geral do projeto.

Link quatro: Seleção do tipo e projeto do motor

Os atuadores lineares vêm com uma variedade de opções de motor, sendo as mais comuns um motor de passo em malha aberta, uma versão em malha fechada usando um controle montado na placa ou um motor de passo inteligente com invólucro industrial e, por último, um motor CC sem escovas (BLDC). Cada um tem sua própria proposta de desempenho, velocidades e capacidades de carga, e cada um também apresenta seu próprio conjunto de prós e contras em relação a custo, integração, controle e muito mais, que abordaremos posteriormente.

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

Para amenizar isso, 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 chave inglesa pode ser adicionada e ajustada a uma especificação de torque predeterminada para eliminar a folga do sistema.

Link cinco: Escolha de opções de controle

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

O surgimento de soluções de motores inteligentes prontos para uso simplificou a fiação e reduziu o número de conectores e sensores associados ao ganho de desempenho e controle do tipo servo-passo. Isso proporciona economia de custos graças à menor quantidade de componentes, bem como à redução de tempo e mão de obra associados à instalação. Esses motores também vêm em embalagens industrializadas pré-montadas que vedam e protegem a placa e o controle contra abuso ou contaminação, com classificações IP65 ou IP67.

Quando uma aplicação exige recursos personalizados específicos, tem considerações de espaço e tamanho minimizados ou o baixo custo é um fator crítico, uma placa de controle IP20 montada no motor, sem encapsulamento, é uma opção útil. Isso é especialmente verdadeiro para aplicações de grande volume instaladas em gabinetes ou equipamentos estilizados. Esses atuadores oferecem as vantagens dos motores inteligentes (normalmente com economia substancial de custos) e o controle é feito diretamente no motor, para uma comunicação mais fácil e rápida com o mestre ou CLP.