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

Um sistema de movimento linear é tão forte quanto os elos mais comprometedores da sua cadeia de elementos mecânicos e eletromecânicos. Compreender cada componente e recurso (e seu impacto no resultado do projeto) melhora as decisões e aumenta as chances de o projeto final atender plenamente às demandas da aplicação. Afinal, a folga do sistema, a precisão e outros aspectos de desempenho podem ser atribuídos a elementos no projeto e fabricação do parafuso de avanço, da porca anti-folga, dos acoplamentos, do motor e da estratégia de controle.

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

Considere alguns exemplos de projetos que exigem desempenho superior. Em alguns tipos de impressão 3D, as resoluções das camadas estão sendo reduzidas para até 10 µm por camada. Em dispositivos médicos, as unidades de distribuição devem produzir medicamentos que salvam vidas e controlar as doses até microlitros. O mesmo tipo de precisão pode ser visto em equipamentos ópticos e de digitalização, equipamentos de processamento de chips e wafers na indústria de semicondutores e no espaço de automação de laboratórios.

Somente projetos de movimento linear construídos com uma abordagem holística para seleção e integração de componentes podem satisfazer esses requisitos de desempenho cada vez mais elevados. Freqüentemente, 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 de cada link nesse tipo de montagem linear.

Link um: Qualidade do fuso e da porca

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

Por exemplo, tais operações usam alimentação controlada por CNC, ajuste de inclinação e controles de pressão para o processo de rosqueamento por rolo para produzir 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 uma 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 dos fusos mostram resultados em precisões de avanço ponto a ponto que são até três vezes melhores do que os métodos manuais tradicionais. Isso mantém consistentemente precisões de chumbo de até 0,003 pol./pé ao longo do comprimento de um parafuso.

Para aplicações do tipo transporte que movem algum objeto ponto a ponto ao longo de um eixo, o método tradicional de verificação da precisão do passo a cada 300 mm ou seis polegadas é adequado. Mas para aplicações da mais alta 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 rígidos, de modo que os pontos altos e baixos dentro de uma rosca individual mostram uma precisão de sub-rotação bastante melhorada – em outras palavras, menos embriaguez. Isso, por sua vez, ajuda os fusos a manter a repetibilidade do posicionamento em uma única rotação de 1 µm. Esta é uma métrica de desempenho especialmente crítica em aplicações como processamento de wafers e chips caros para a indústria de semicondutores e distribuição 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 método automatizado para minimizar erros e desvios que podem causar vibração, ruído e desgaste prematuro. A retilineidade do eixo do parafuso é crítica porque qualquer erro é acentuado na montagem do mesmo com o motor. Em contraste, os métodos tradicionais (manuais) de endireitamento do parafuso 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 giram em torno do longo eixo do eixo. Novamente, o endireitamento e a inspeção automatizados eliminam esses erros, resultando em um desempenho estável do parafuso.

A etapa final na produção dos fusos é a aplicação de um revestimento de PTFE. Somente um acabamento suave e consistente proporciona longa vida útil e desempenho do sistema. A aplicação inconsistente de PTFE (resultante de um ambiente ou equipamento de revestimento abaixo do ideal) pode provocar corrosão, fissuras, bolhas, descamação ou rugosidade superficial que causam desgaste prematuro na porca e redução da vida útil da montagem.

Link dois: Interação da porca e do parafuso

As porcas anti-folga tradicionais usam um design de múltiplas peças que requer uma mola helicoidal para mover uma pinça linearmente ao longo da porca para fechar os dedos e controlar o ajuste 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 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 design simplificado de duas peças que aplica pressão aos dedos da porca de forma radial, que é a direção necessária para controlar a folga ou 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 através de interferência mecânica. O projeto depende de componentes moldados por injeção para aplicar força igualmente aos dedos. Os testes de referência confirmam que a pré-carga muda drasticamente nos primeiros 1.000 ciclos.

Em contraste, certas porcas de fuso antifolga de força constante fornecem desempenho de folga que é duas a quatro vezes melhor do que os projetos convencionais, conforme validado pelos testes da FDA do cliente de automação de laboratório. Um projeto de mola de força constante garante uma pré-carga consistente durante a vida útil do eixo. Material de porca autolubrificante com PTFE para lubrificação e maior eficiência.

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

Link três: Conexão acoplada ou direta ao inversor

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

O primeiro é o método mais tradicional onde um acoplador é introduzido no conjunto como o componente entre o parafuso e um motor construído com um eixo 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 aumento do número de componentes, é mais difícil manter tudo na linha central. Se um ou mais componentes estiverem desalinhados ou desalinhados, o resultado pode ser um efeito do tipo came que afeta muito o desempenho e a vida útil do sistema.

O segundo método insere o parafuso em um furo cônico para fixá-lo mecanicamente no lugar (por trás) com um parafuso. Essa montagem é comum em motores que requerem manutenção frequente – e 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 imprecisões ao longo do comprimento do parafuso. Além disso, essa oscilação do cone de neve no parafuso cria pontos de desgaste que podem estimular a necessidade de manutenção e falha prematura do sistema.

O terceiro método é encaixar diretamente o parafuso em um eixo oco dentro do motor e fixar o parafuso com uma solda a laser na parte traseira do motor. Este método garante o máximo engate no encaixe do parafuso com o motor, resultando no alinhamento da mais alta precisão possível. Em alguns casos, a solda pode ser substituída por um adesivo industrial que crie uma ligação permanente entre o parafuso e o motor. Este método de montagem também fornece o mais alto nível de precisão, proporcionando a menor quantidade 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 linha de base para comparação com outros elementos do sistema, testes em diversas orientações com vários condutores e com diversas cargas e velocidades. Os resultados mostraram que a vida útil excedeu em 40 vezes a vida útil padrão do rolamento L10.

Em outras palavras, as configurações tradicionais de motor e parafuso incluem vários componentes que requerem montagem e são difíceis de alinhar. Eles introduzem folga e tolerância que degradam a precisão e aumentam o potencial de falha. A alta contagem de componentes também aumenta o custo geral de montagem. Mas as configurações integradas de atuadores lineares híbridos incluem um parafuso alinhado e fixado diretamente no motor – para menos componentes. Isso proporciona maior rigidez, precisão e confiabilidade... bem como valor geral do projeto.

Link quatro: Seleção do tipo e design do motor

Os atuadores lineares vêm com uma variedade de opções de motor, sendo as opções de motor mais comuns um motor de passo de circuito aberto, uma versão de circuito fechado usando um controle montado em placa ou um motor de passo inteligente revestido industrialmente e, por último, um motor CC sem escovas (BLDC). Cada um tem sua própria proposta de desempenho ou velocidade e capacidade de carga, e cada um também vem com 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 interna do design interno do motor. Os motores típicos de uso geral usam uma arruela ondulada para segurar 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 quantidade de conformidade dentro do motor que pode estimular pequenas quantidades de folga axial ou linear que se traduzem em imprecisões de posição linear.

Para aliviar isso, um ou ambos os elementos podem ser modificados no design. Rolamentos maiores podem ser inseridos para aumentar a capacidade de carga axial do conjunto, e uma porca de chave 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 um precisaria de um gabinete e do hardware, fiação, codificador e sensores associados para feedback. Essas configurações podem se tornar complicadas e complicadas de instalar, solucionar problemas e operar.

O surgimento de soluções de motores inteligentes prontas para uso serviu para simplificar a fiação e reduzir o número de conectores e sensores associados ao ganho de desempenho e controle do tipo servo de passo. Isto proporciona economia de custos graças a uma menor contagem de componentes, bem como menos tempo e trabalho associados à instalação. Esses motores também vêm em embalagens industrializadas pré-montadas que vedam e protegem a placa e controlam contra abuso ou contaminação com classificações IP65 ou IP67.

Quando uma aplicação requer recursos personalizados específicos, tem considerações de espaço e tamanho minimizadas ou o baixo custo é um fator crítico, um controle de placa montado em motor IP20 não encapsulado personalizado é uma opção útil. Isto é especialmente verdadeiro para aplicações de grande volume colocadas em caixas ou equipamentos estilizados. Esses atuadores transmitem as vantagens dos motores inteligentes (normalmente com economias substanciais de custos) e o controle é feito diretamente no motor para uma comunicação mais fácil e rápida com o mestre ou PLC.