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#Tendencias de productos
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Seis claves para un movimiento lineal más preciso
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Aquí hay seis factores mecánicos y estructurales que afectan el desempeño de la ingeniería de control
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Incluso con el controlador de movimiento más sofisticado, a los diseñadores les puede resultar difícil lograr un movimiento lineal preciso a menos que los componentes mecánicos estén diseñados adecuadamente para la aplicación
Armados incluso con el controlador de movimiento más sofisticado, a los ingenieros les puede resultar difícil lograr un movimiento lineal preciso a menos que los componentes mecánicos estén diseñados adecuadamente para la aplicación. Es cierto que los diferentes mercados tienen diferentes definiciones de precisión, desde los niveles a nanoescala en la industria de los semiconductores hasta los relativamente generosos estándares de 0,01 pulgadas (0,01 pulgadas) que se observan en la impresión de envases o periódicos. Por lo tanto, la industria y la aplicación suelen determinar el nivel de precisión necesario. También es importante conocer el entorno operativo, ya que algunos entornos hacen más difícil alcanzar el objetivo requerido.
Empecemos por considerar cómo definir la precisión. La precisión es una combinación de precisión y repetibilidad. La precisión, la discrepancia entre la posición objetivo de un movimiento y la posición real, refleja los objetivos de movimiento que se abordan desde diferentes direcciones (multidireccionales). Por lo tanto, la precisión de posicionamiento es la desviación máxima entre las posiciones real y objetivo durante cada movimiento. La repetibilidad se refiere a la precisión con la que se posiciona un sistema de movimiento lineal cuando se aproxima repetidamente a una posición desde la misma dirección, teniendo en cuenta las desviaciones de la posición real respecto a la posición objetivo. Los ingenieros pueden mejorar estos parámetros centrándose en las siguientes seis áreas.
Precisión de viaje
La precisión de desplazamiento mide el cabeceo (arriba y abajo), el guiñada (de lado a lado) y el balanceo (alrededor del eje). La minimización de estos movimientos depende de la calidad del sistema de guía de desplazamiento y de la superficie en la que se monta. Los sistemas de movimiento lineal normalmente se ajustan a sus superficies de montaje, por lo que la precisión de desplazamiento varía con la alineación de la superficie de la máquina, la preparación y las tolerancias.
siguen las tolerancias estándar de la industria en cuanto a altura, anchura y paralelismo. Por ejemplo, Bosch Rexroth, Charlotte, N.â€"...C., ofrece productos que cubren una gama de seis precisiones, desde N (Precisión Normal) tolerancias de altura/ancho de ±100 μm/±40 μm hasta UP (Ultra Precisión) tolerancias de altura/ancho de ±5 μm. Tenga en cuenta que a medida que la banda de tolerancia disminuye, los costos de los componentes aumentan. Gastar más en componentes y no abordar la planitud y rectitud de los elementos estructurales desperdicia dinero y disminuye la precisión de desplazamiento para el eje y la máquina.
Además, los rodamientos que circulan dentro de una guía lineal pueden causar vibraciones de reducción de precisión a medida que los rodamientos pasan de las condiciones de "soporte de carga" a las de "sin soporte de carga". Algunos fabricantes optimizan la geometría del punto de transición de los rodamientos con bloques de deslizamiento especializados de alta precisión para minimizar las vibraciones. Por ejemplo, el riel de bolas de alta precisión de Bosch Rexroth utiliza un inserto de acero con zonas de alivio que amortiguan las fuerzas de entrada de la bola en los extremos de la pista de rodadura. El resultado es un movimiento consistente y extremadamente suave a medida que las bolas circulan por las pistas de rodadura de los rodamientos.
Precisión de posicionamiento
La precisión de posicionamiento depende de las capacidades y tolerancias del accionamiento, como un husillo de bolas electromecánico, un cilindro hidráulico o neumático, un motor lineal eléctrico o un piñón y cremallera, entre otros.
Los husillos a bolas pueden tener un error de paso significativo o una desviación de paso dentro del husillo a bolas o tuerca de bola - el elemento que típicamente se conecta a la carga y la impulsa. El grado de error depende a menudo del método de fabricación utilizado para generar las roscas de los tornillos. El rectificado puede introducir un error de plomo debido a las inexactitudes inherentes a la máquina, al desgaste de la herramienta o al calentamiento del eje del husillo de bolas durante el proceso de rectificado. La formación de roscas a través del laminado puede introducir errores de plomo principalmente a través del tratamiento térmico posterior al proceso.
Tradicionalmente se ha reconocido que el esmerilado es más preciso que el laminado, pero la brecha se está estrechando. Algunos tornillos laminados Rexroth ofrecen una precisión de Clase 5 o incluso Clase 3 para la desviación de la carrera (avance), con una desviación máxima de ±12 μm en 300 mm de carrera. Las técnicas de corrección electrónica, que compensan los pequeños errores de avance en las carreras estándar, pueden mejorar aún más la precisión
La adición de retroalimentación externa al eje de la máquina también puede mejorar la precisión de posicionamiento. Esto se puede hacer indirectamente usando un encoder rotativo o directamente usando una escala lineal. Por ejemplo, el IMS (Integrated Measuring System) de Bosch Rexroth integra una báscula en el carril guía y un cabezal sensor en el soporte de rodamientos. La retroalimentación posicional del sensor permite al servoaccionamiento corregir la posición final del movimiento.
Rigidez del sistema
Esta es un área donde los factores mecánicos a menudo reducen la eficiencia de los controles más finos. La rigidez del bastidor y la base de la máquina, el espesor, el material (por ejemplo, aluminio frente a acero) y la construcción del bastidor (sólido o tubular) pueden tener un impacto en la precisión. Los factores mecánicos basados en el accionamiento, como la precarga, la longitud del eje, los tipos de elementos antifricción y el soporte del rodamiento, así como los elementos de fijación que conectan el sistema de movimiento lineal con el bastidor, pueden influir indirectamente en la precisión de la máquina.
La rigidez del sistema es crítica porque cualquier fuerza o carga aplicada a los componentes del movimiento - hacia abajo, hacia arriba o hacia los lados - puede causar deflexión, un enemigo de la repetibilidad. Una mayor fuerza produce más deflexión. Para combatir esto, los diseñadores a menudo mejoran la rigidez o rigidez general del bloque de guía lineal introduciendo precarga con elementos antifricción de gran tamaño. El gráfico "Efectos de la precarga" muestra una precarga típica, utilizando elementos rodantes sobredimensionados (Dk) en la ranura del carril guía (diámetro D). Los fabricantes de guías lineales suelen ofrecer niveles de precarga muy variables para minimizar la deflexión.
El accionamiento puede contribuir a la rigidez total del sistema a través de la rigidez de sus cojinetes de soporte, de la unidad tuerca de rótula y del propio tornillo de rótula. El mayor factor que afecta a la rigidez del husillo es su longitud: cuanto más largo es el husillo, más difícil es compensar la flexión. Las técnicas de compensación incluyen precarga adicional o la selección de una tuerca de bola más rígida.
Velocidad
Las aplicaciones exigentes y de alto rendimiento presentan retos difíciles debido a que los tiempos de ciclo cortos a veces tienen requisitos de velocidad que ponen a prueba los límites de la velocidad y las capacidades de aceleración de las guías lineales y los husillos a bolas.
El primer límite es la velocidad crítica del eje del husillo de bolas - la velocidad a la que el husillo vibra u oscila excesivamente (conocida como latigazo del husillo). Esta velocidad depende en gran medida de la longitud del eje y de los soportes de los rodamientos. La capacidad de los diseñadores para alterar la velocidad crítica se limita principalmente a la elección de los soportes de los rodamientos finales. Los montajes fijos-fijos (donde los rodamientos están limitados en ambos extremos del tornillo) permiten las velocidades críticas más altas, y los sistemas libres fijos, las más bajas.
Con un montaje fijo, la disposición de los rodamientos está verdaderamente fijada en el tornillo y tiene un conjunto de rodamientos diseñado para soportar la carga axial. Los montajes flotantes pueden ser elegidos porque introducen menos fricción, permitiendo un mejor rendimiento térmico, pero tienen una velocidad crítica más baja que los montajes fijos. Los montajes flotantes suelen utilizar sólo un rodamiento radial para soportar la carga radial o el peso del tornillo en el espacio. Esta disposición recibe su nombre flotante ya que se permite que el rodamiento flote o se mueva en el alojamiento de la almohadilla a medida que el husillo de tornillo se expande y contrae debido a los cambios de temperatura.
La segunda limitación es la velocidad característica del sistema de rodamiento, basada en la circulación de los elementos antifricción. En el caso de un husillo a bolas, la tuerca a bolas representa el sistema de rodamiento. La temperatura, la vibración y la inercia de las bolas juegan un papel importante.
La más baja de las dos velocidades es la más crítica para un control preciso del movimiento. La velocidad característica es independiente de la longitud del eje, pero la velocidad crítica disminuye a medida que aumenta la longitud. Cuando un sistema alcanza una velocidad crítica, la vibración aumenta, la precisión disminuye y el rendimiento (por ejemplo, la calidad de la superficie de mecanizado y el acabado en una máquina herramienta) disminuye. Además, el conjunto de husillo de bolas se fatiga mucho más rápido.
Consideraciones térmicas
Todos los componentes de movimiento lineal (motor, cojinetes y tuerca) generan calor que debe tenerse en cuenta; una gestión adecuada de estas influencias térmicas puede mejorar el rendimiento y la precisión de un sistema. Diferentes partes de un eje pueden tener diferentes temperaturas basadas en el tiempo de funcionamiento, el ciclo dinámico y las fuerzas en cada parte. Dejar que los rodamientos floten dentro de un bloque de almohadilla permite la expansión y contracción de los husillos de bolas, pero una desventaja es que son menos rígidos. El uso de una combinación de rodamientos fijos, o rodamientos capaces de soportar cargas axiales/de empuje, y bloques de almohadillas flotantes con rodamientos radiales proporciona flexibilidad térmica a la vez que mejora las características de velocidad.
La deformación termoelástica representa otro reto para los ingenieros, ya que el calor influye en la expansión lineal de todos los componentes. La deformación podría causar desalineación o desplazamiento, lo que pone un exceso de fuerza en los rodamientos y las tuercas. Esta fuerza crea fricción, lo que conduce a una mayor generación de calor. Cuanto mayor sea la rigidez que requiere una aplicación, más calor generado por la fricción afectará la alineación, la rigidez y el rendimiento. La buena noticia es que con los avances en la electrónica de accionamiento y control, los diseñadores a menudo pueden compensar o compensar estas influencias térmicas.
Resonancia de la máquina
Todos estos factores pueden hacer que las máquinas resuenen o vibren, lo que compromete la precisión y la calidad. En casos extremos, la vibración, como la producida por el exceso de velocidad crítica, puede causar "latigazos" en el tornillo y daños en la máquina. Otras posibles causas de vibración incluyen:
Excesiva excentricidad o comportamiento incorrecto del tornillo de rotación concéntrico en relación con el eje central del husillo de rosca de bolas, el gorrón de accionamiento u otro componente.
Contragolpe excesivo.
Influencias externas (resonancia de máquinas cercanas, carretillas elevadoras, sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado, etc.). Esto a menudo se pasa por alto. Se puede contrarrestar montando la máquina sobre una placa de cimentación especial y aislada.
Toma de decisiones de diseño
En algunos mercados, una mayor precisión puede no justificar el gasto de recursos sustanciales en mejoras menores, pero también puede ayudar a diferenciar un nuevo producto. También hay que tener en cuenta el nivel de precisión que exigen los estándares y necesidades del mercado.
En una aplicación particular, los requisitos de rendimiento extremadamente altos también pueden limitar la precisión. Y la necesidad de tiempos de cambio rápidos puede requerir algunas compensaciones en precisión para lograr un diseño más simple.
Por último, considerar los requisitos de los mercados emergentes, en particular en las áreas de consumo de energía y fabricación ajustada. La mejora de la precisión puede reducir significativamente el desperdicio y las piezas rechazadas, añadiendo un elemento más a los beneficios de los sistemas de movimiento lineal más precisos.