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 à aplicação desde o 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. Utilize cálculos e análises teóricas para determinar os melhores designs iniciais e, em seguida, 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 em condições reais de campo.

IDENTIFICANDO OS REQUISITOS

A primeira e mais crítica etapa de quase todo processo de engenharia é identificar os requisitos da aplicação. Cada produto pode ter um conjunto único de critérios que afetarão seu desempenho. O uso de uma lista de verificação ajudará a garantir a consideração de parâmetros que, de outra forma, poderiam ser negligenciados.

Os dados de informações principais do aplicativo em uma lista de verificação de amostra podem incluir:

• Carga/velocidade (dinâmica e estática)
• Voltagem: 12, 24, 36, 48 VDC, 110, 220, VAC
• Direção da carga
• Comprimento do curso
• Ciclo de vida/trabalho
• Ambiental
• Proteção de fim de curso: Embreagem? Interruptores de limite?
• Como o atuador será controlado?
• Opinião
• UL, CSA, CE
• Outros: consulte seu engenheiro de aplicação de atuadores para obter considerações adicionais sobre o 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, o passo e a 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 ponto de partida é definir a direção e a magnitude da carga. A orientação do sistema pode ser muito importante. Com uma orientação horizontal, a carga de acionamento é igual ao peso da carga útil, multiplicado pelo coeficiente de atrito. Com uma orientação vertical, a carga de acionamento é igual ao peso. As cargas que atuam em mancais e guias lineares podem ser cargas verticais, cargas horizontais ou cargas de momento de arfagem, rolamento ou guinada, ou qualquer combinação delas. As cargas também podem variar em magnitude e direção.

Os vetores de carga resultantes em cada mancal devem ser estabelecidos a partir da combinação adequada dos diversos vetores de carga aos quais o sistema de mancal linear está sujeito, visto que a expectativa de vida útil não pode ser estimada apenas com base nos vetores de carga gerais do sistema. A carga à qual cada mancal linear é submetido é chamada de carga equivalente para aquele mancal. O sistema é então dimensionado com base no dimensionamento do mancal mais carregado. Para obter mais informações sobre métodos de cálculo para uma carga equivalente, consulte os catálogos dos fornecedores de mancais e guias lineares.

Um conjunto de fuso de esferas, por exemplo, destina-se a suportar cargas axiais, traduzindo 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 fuso suporta uma carga axial que é efetivamente igual em magnitude e oposta em direção à carga transmitida à castanha esférica — sua parte complementar — e está relacionada pelas geometrias de projeto ao torque do motor de acionamento. Em geral, a resistência da coluna é o parâmetro limitante do projeto porque, para comprimentos maiores, pode ser muito menor do que a resistência à compressão real do material. Como a relação comprimento livre/diâmetro está intimamente relacionada à flambagem da coluna, segue-se que, para um dado diâmetro, a capacidade de carga axial de um fuso de esferas depende de seu comprimento livre.

A vida útil do sistema de movimento linear pode ser prevista com base em 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 previsões de vida mais refinadas, 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 fim 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, parafusos de esferas em polegadas são normalmente produzidos em dois graus: Precision e Precision Plus. Parafusos de esferas Precision seriam usados em aplicações que exigem movimento relativamente grosseiro ou que utilizam feedback linear para localização posicional. Parafusos de esferas Precision Plus seriam usados quando o posicionamento repetível em mícrons for crítico e nenhum dispositivo de feedback linear for utilizado. Enquanto parafusos Precision apresentam maior variação cumulativa ao longo de seu comprimento útil, parafusos Precision Plus limitam o acúmulo de erros de avanço, proporcionando um posicionamento mais preciso em todo o seu comprimento útil.

DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO

Os gráficos fornecidos por fornecedores de sistemas de movimento linear podem ser um atalho para o dimensionamento e a seleção adequados de sistemas de movimento linear, economizando tempo. 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 ambas as extremidades por suportes de rolamento. Para simplificar, definiremos a montagem da porca como flangeada, o material como aço-liga, a direção da rosca como direita e a série do produto como métrica. A orientação do sistema nesta aplicação é horizontal, com um projeto acionado por parafuso e o comprimento do eixo x sendo 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 sobre 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 metro por segundo (3,927 pol/seg), e uma aceleração de ±2,5 m/s² (98,4 pol/s²) é necessária. 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. A vida útil é de 20 anos para o fuso de esferas e 5 anos para os componentes. Um requisito adicional é a utilização de um motor de passo devido à preferência do departamento de engenharia elétrica.

Em seguida, selecionamos os rolamentos lineares para o eixo x. Os principais requisitos desta aplicação são alta capacidade de carga e alta rigidez. A aplicação possui um curso de deslocamento relativamente longo de 5.500 metros (18 pés); no entanto, 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 das guias lineares de trilhos com perfil de esferas da série 500.

Com essa seleção feita, a carga nos fusos de esferas pode ser calculada. Com base nessa carga, a castanha esférica NEFF KGF-D é selecionada como ponto de partida. Esta castanha esférica possui flange integral, raspador integral e montagem conforme DIN 69051. O fuso de esferas possui precisão de ±50 μm/300 mm.

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

TESTANDO O DESIGN PROPOSTO

Depois de selecionar seu projeto com base nos cálculos, você precisa testar para garantir que suas premissas estejam corretas. O teste visa validar se o que foi proposto foi realmente entregue e, caso contrário, orientar quaisquer ações corretivas que possam ser necessárias. O teste de validação deve ser elaborado para responder a perguntas como:

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

Para sistemas e máquinas de grande porte, convém começar com os testes de componentes antes de passar para os testes de bancada dos subconjuntos e, por fim, para os testes do conjunto completo. Em cada fase do teste, os resultados 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 movimentação linear configurado em vez de projetar e montar o seu próprio. Nesse caso, você forneceria os requisitos da aplicação a um integrador de movimentação linear, como a configuração de montagem, os requisitos de posicionamento, as condições ambientais, as condições de carga, os requisitos de movimentação e quaisquer considerações especiais. O integrador normalmente utilizaria um sistema de dimensionamento e seleção baseado na Web para projetar e configurar um sistema de movimentação linear personalizado com base nas suas informações. O integrador geralmente pode fornecer um orçamento e um arquivo CAD do projeto proposto em até 24 horas após a sua solicitação. O custo de tal sistema será menor do que o custo dos componentes individuais, na maioria dos casos.

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

Em resumo, aproveite todos os recursos úteis para economizar tempo de projeto. Não negligencie a capacidade dos fornecedores de movimento linear de fornecer conjuntos de movimento linear configurados que podem ajudar a reduzir os 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. Use, a seu favor, todas as ferramentas de projeto disponíveis, como gráficos, fórmulas, sistemas de seleção online e modelos 3D. Por fim, contrate o suporte técnico para alavancar sua expertise em produtos padrão, padrão modificado e soluções especiais. Certifique-se de confirmar se o fornecedor possui dados de verificação/teste/análise de projeto para respaldar as reivindicações e posições de projeto. Essa abordagem pode reduzir o tempo de projeto ao mínimo, garantindo que os sistemas de movimento linear atendam aos requisitos de desempenho e durabilidade.

Horário da postagem: 28/03/2022

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