Reduzindo o tempo de projeto para sistemas de movimento linear

Sistema de pórtico cartesiano de 3 eixos

O tempo de projeto pode ser reduzido, garantindo durabilidade e alto desempenho.

Capture o máximo possível de informações pertinentes ao aplicativo no início para evitar ter que voltar e repetir partes, se não todo o processo de design. Seja cauteloso e esteja preparado para mudanças de escopo. Use cálculos e análises teóricas para determinar os melhores projetos iniciais e depois compare-os com medições de teste dos principais atributos de desempenho em equipamentos reais. Confirme os resultados dos testes de bancada realizando testes de ciclo sob condições reais de campo.

IDENTIFICANDO OS REQUISITOS

A primeira e muito crítica etapa de quase todos os processos de engenharia é identificar os requisitos da aplicação. Cada produto pode ter um conjunto exclusivo de critérios que afetarão seu desempenho. A utilização de uma lista de verificação ajudará a garantir a consideração de parâmetros que, de outra forma, poderiam ser ignorados.

Os principais dados de informações do aplicativo em um exemplo de lista de verificação podem incluir:

• Carga/velocidade (dinâmica e estática)
• Tensão: 12, 24, 36, 48 VCC, 110, 220, VCA
• Direção da carga
• Comprimento do curso
• Ciclo de vida/função
• Ambiental
• Proteção de fim de curso: Embreagem? Interruptores de limite?
• Como o atuador será controlado?
• Opinião
• UL, CSA, CE
• Outros: Consulte o engenheiro de aplicação do atuador para considerações adicionais de projeto.

A seleção do conjunto de fuso de esferas correto para uma aplicação específica pode exigir um processo iterativo para determinar o menor envelope e a solução mais econômica. Os requisitos de carga de projeto, velocidade linear e precisão posicional são usados para calcular o diâmetro, avanço e capacidade de carga do conjunto de fuso de esferas adequado. Os componentes individuais do fuso de esferas podem então ser selecionados com base na vida útil, nas restrições dimensionais, na configuração de montagem e nas condições ambientais.

Um bom lugar para começar é definindo a direção e a magnitude da carga. A orientação do sistema pode ser muito importante. Com orientação horizontal, a carga de acionamento é igual ao peso da carga útil multiplicado pelo coeficiente de atrito. Com orientação vertical, a carga do acionamento é igual ao peso. As cargas que atuam em rolamentos e guias lineares podem ser cargas verticais, cargas horizontais ou cargas de momento de inclinação, rotação ou guinada, ou qualquer combinação destas. As cargas também podem variar em sua magnitude e direção.

Os vetores de carga resultantes em cada rolamento devem ser estabelecidos a partir da combinação adequada dos vários vetores de carga aos quais o sistema de rolamento linear está sujeito, pois a expectativa de vida não pode ser estimada com base apenas nos vetores de carga globais do sistema. A carga a que cada rolamento linear está sujeito é chamada de carga equivalente para esse rolamento. O sistema é então dimensionado com base no dimensionamento do rolamento com maior carga. Para obter mais informações sobre métodos de cálculo para uma carga equivalente, consulte os catálogos dos fornecedores de rolamentos lineares e guias.

Um conjunto de fuso de esferas, por exemplo, destina-se a suportar cargas axiais, traduzindo o movimento rotacional em movimento axial. A capacidade do fuso de esferas de resistir à flambagem sob cargas compressivas é chamada de resistência da coluna. O parafuso carrega uma carga axial que é efetivamente igual em magnitude e oposta em direção à carga transmitida à porca esférica - sua parte complementar - e está relacionada pelas geometrias do projeto ao torque do motor de acionamento. Em geral, a resistência do pilar é o parâmetro limitante do projeto porque, para comprimentos maiores, pode ser muito inferior à resistência à compressão real do material. Como a relação comprimento-diâmetro livre está intimamente relacionada ao encurvamento da coluna, segue-se que, para um determinado diâmetro, a capacidade de carga axial de um fuso de esferas depende do seu comprimento livre.

A vida útil do sistema de movimento linear pode ser prevista com base no seu perfil operacional; simplesmente, quantas horas por dia, dias por semana e semanas por ano o fuso de esferas funcionará. Para aplicações mais complexas ou previsão de vida mais refinada, é necessário construir um perfil de movimento detalhado e abrangente, dividindo os movimentos em segmentos basicamente retos. Cada segmento do perfil de movimento exigiria informações sobre a velocidade no início e no final do segmento, a duração do segmento e o torque durante o segmento.

Determine a precisão posicional e a repetibilidade que sua aplicação exige. Por exemplo, os fusos esféricos em polegadas são normalmente produzidos em duas classes – Precision e Precision Plus. Parafusos de esferas de precisão seriam usados em aplicações que exigem movimento relativamente grosseiro ou naquelas que utilizam feedback linear para localização posicional. Os parafusos esféricos de grau Precision Plus seriam usados quando o posicionamento repetível dentro de mícrons for crítico e nenhum dispositivo de feedback linear for usado. Embora os parafusos de grau Precision tenham maior variação cumulativa ao longo do comprimento útil do parafuso, os parafusos de grau Precision Plus limitam o acúmulo de erros de avanço, proporcionando um posicionamento mais preciso em todo o comprimento útil do parafuso.

DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO

Os gráficos fornecidos por fornecedores de sistemas de movimento linear podem ser um atalho que economiza tempo para o dimensionamento e seleção adequados de sistemas de movimento linear. Usaremos uma aplicação de pórtico de soldagem de três eixos como exemplo para demonstrar como selecionar e dimensionar fusos de esferas usando fórmulas de catálogo (Figura 2). O fuso de esferas percorre todo o comprimento do eixo x e é apoiado em cada extremidade por suportes de rolamento. Para simplificar, definiremos a montagem da porca como flangeada, o material como liga de aço, a direção da rosca como direita e a série do produto como métrica. A orientação do sistema nesta aplicação é horizontal, com design aparafusado e comprimento do eixo x de 6 metros. Ele usará extremidades fixas com uma quantidade de flange termicamente estável.

Uma carga de 2.668,9 Newtons (600 lbs.) é aplicada por um carro montado em trilhos perfilados. O comprimento do percurso é de 4,5 m (177,165″) e o comprimento sem suporte é de 5,818 metros (229,055″). A velocidade necessária é de 0,1 metros por segundo (3,927 pol/s) e é necessária uma aceleração de ±2,5 m/s2 (98,4 pol/s2). O ciclo de trabalho é de 8 horas por dia, 5 dias por semana e 50 semanas por ano, com uma média de 10 ciclos por hora. O requisito de vida útil é de 20 anos para o fuso de esferas e 5 anos para os componentes. Um requisito adicional é que um motor de passo seja utilizado devido à preferência do departamento de engenharia elétrica.

A seguir, selecionamos os rolamentos lineares para o eixo x. Os principais requisitos desta aplicação são alta capacidade de carga e alta rigidez. A aplicação tem um percurso relativamente longo de 5.500 metros (18 pés); entretanto, a disponibilidade de parafusos de 6 metros de comprimento elimina a necessidade de união de topo. A baixa manutenção é um requisito importante desta aplicação. O resultado foi a seleção de guias lineares de trilhos com perfil esférico da série 500.

Com esta seleção feita, a carga nos fusos de esferas pode ser calculada. Com base nesta carga, a porca esférica NEFF KGF-D é selecionada como ponto de partida. Esta porca esférica possui flange integral, limpador integral e montagem DIN 69051. O fuso de esfera tem uma precisão de ±50 μm/300 mm.

Em seguida, é verificado o requisito de expectativa de vida. A vida útil é normalmente avaliada em L10, o que representa o tempo após o qual 90% dos fusos de esferas ainda funcionarão. Nesta aplicação, a expectativa de vida é de 1.035.752,6 anos. A razão pela qual a vida útil é tão alta é que selecionamos o fuso de esferas com base na velocidade crítica e não na vida útil.

TESTANDO O PROJETO PROPOSTO

Depois de selecionar seu projeto com base nos cálculos, você precisa testar para ter certeza de que suas premissas estão corretas. Os testes têm como objetivo validar se o que foi proposto foi realmente entregue e, caso não tenha sido o caso, orientar quaisquer ações corretivas que possam ser necessárias. Os testes de validação devem ser projetados para responder perguntas como:

• O produto acabado atende às especificações do projeto?
• O desempenho é consistente, dentro dos limites experimentais, com os cálculos teóricos e, se não, em quanto varia e por quê?
• O produto oferece o nível de confiabilidade exigido?
• Quais são os possíveis modos e pontos de falha do produto?
• Como a solução atual se compara às alternativas?

Para sistemas e máquinas grandes, você pode querer começar com testes de componentes antes de passar para testes de bancada de subconjuntos e, finalmente, testar o conjunto completo. Em cada fase do teste, os resultados do teste devem ser revisados e comparados com os cálculos teóricos para garantir que o projeto esteja no caminho certo ou considerar oportunidades razoáveis de melhoria. O objetivo do teste é revelar o que podemos ter perdido em nossos cálculos e modelagem.

SISTEMAS DE MOVIMENTO LINEAR CONFIGURADOS

Também é importante, durante todo o processo, considerar se faria mais sentido adquirir um sistema de movimento linear configurado em vez de projetar e montar o seu próprio. Nesse caso, você forneceria os requisitos da aplicação para um integrador de movimento linear, como configuração de montagem, requisitos de posicionamento, condições ambientais, condições de carregamento, requisitos de movimento e quaisquer considerações especiais. O integrador normalmente utilizaria um sistema de dimensionamento e seleção baseado na Web para projetar e configurar um sistema de movimento linear personalizado com base em suas informações. Muitas vezes, o integrador pode fornecer um orçamento e um arquivo CAD do projeto proposto dentro de 24 horas após sua solicitação. O custo de tal sistema será inferior ao custo dos componentes individuais, na maioria dos casos.

Essa abordagem normalmente pode reduzir o tempo de engenharia e o custo de montagem em 90% ou mais e muitas vezes pode proporcionar uma economia no custo de material de 20 a 30%. Mais importante ainda, ao reduzir o tempo gasto no projeto de sistemas de movimento linear, seus engenheiros gastarão menos tempo trabalhando em uma área fora de suas competências principais e mais tempo se concentrando no que fazem de melhor: integração geral do sistema.

Em resumo, aproveite todos os recursos úteis para economizar tempo de design. Não negligencie a capacidade dos fornecedores de movimento linear de fornecer conjuntos de movimento linear configurados que podem ajudá-lo a reduzir custos de engenharia e montagem. Avalie as alternativas de compra de componentes versus módulos, versus sistemas completos em termos de seu impacto no projeto e no tempo de montagem. Utilize, a seu favor, todas as ferramentas de design disponíveis, como gráficos, fórmulas, sistemas de seleção online e modelos 3D. Por fim, contrate suporte técnico para aproveitar sua experiência em produtos em soluções padrão, padrão modificadas e especializadas. Certifique-se de confirmar se o fornecedor possui dados de verificação/teste/análise de projeto para respaldar as afirmações e posições de projeto. Essa abordagem pode reduzir ao mínimo o tempo de projeto e, ao mesmo tempo, garantir que os sistemas de movimento linear atendam aos requisitos de desempenho e durabilidade.

Horário da postagem: 28 de março de 2022

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