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#Tendenze
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Sei tasti per un movimento lineare più preciso
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Qui ci sono sei fattori meccanici e strutturali che influenzano le prestazioni dell'ingegneria di controllo
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Anche con il controllore di movimento più sofisticato, i progettisti possono ancora avere difficoltà a ottenere un movimento lineare preciso, a meno che i componenti meccanici non siano adeguatamente progettati per l'applicazione
Armati anche con il controller di movimento più sofisticato, gli ingegneri possono ancora trovare difficoltà a ottenere un movimento lineare preciso a meno che i componenti meccanici non siano progettati in modo appropriato per l'applicazione. Certo, i diversi mercati hanno definizioni di precisione variabili, dai livelli su scala nanometrica nell'industria dei semiconduttori agli standard relativamente generosi da 0,01" nella stampa di imballaggi o di giornali. Così l'industria e l'applicazione di solito determinano il livello di precisione necessario. È anche importante conoscere l'ambiente operativo, perché alcuni ambienti rendono più difficile raggiungere l'obiettivo richiesto.
Cominciamo a considerare come definire la precisione. La precisione è una combinazione di precisione e ripetibilità. L'accuratezza, la discrepanza tra la posizione di un movimento e la posizione effettiva, riflette l'avvicinamento dei bersagli di movimento da diverse direzioni (multidirezionale). Quindi la precisione di posizionamento è la massima deviazione tra la posizione reale e quella di destinazione durante ogni movimento. La ripetibilità si riferisce a come esattamente un sistema a moto lineare si posiziona quando si avvicina ripetutamente a una posizione dalla stessa direzione, tenendo conto delle deviazioni nella posizione reale dalla posizione di destinazione. Gli ingegneri possono migliorare questi parametri concentrandosi sulle sei aree seguenti.
Precisione di viaggio
La precisione della corsa misura il beccheggio (su e giù), l'imbardata (da un lato all'altro) e il rollio (intorno all'asse). La riduzione al minimo di questi movimenti dipende dalla qualità del sistema di guida e dalla superficie su cui è montato. I sistemi a movimento lineare sono tipicamente conformi alle loro superfici di montaggio, quindi la precisione della corsa varia con l'allineamento, la preparazione e le tolleranze della superficie della macchina.
i sistemi di guida seguono le tolleranze standard del settore per altezza, larghezza e parallelismo. Ad esempio, Bosch Rexroth, Charlotte, N.-...C., offre prodotti che coprono una gamma di sei precisioni, dalle tolleranze N (Normal Precision) altezza/larghezza di ±100 μm/±40 μm alle tolleranze UP (Ultra Precision) altezza/larghezza di ±5 μm. Tenete presente che, man mano che la banda di tolleranza diminuisce, i costi dei componenti aumentano. Spendendo di più sui componenti e non affrontando la planarità e la rettilineità degli elementi strutturali si spreca denaro e diminuisce la precisione di spostamento dell'asse e della macchina.
Inoltre, i cuscinetti che circolano all'interno di una guida lineare possono causare vibrazioni di precisione che riducono le vibrazioni in quanto i cuscinetti passano da condizioni "portanti" a condizioni "non portanti". Alcuni produttori ottimizzano la geometria del punto di transizione dei cuscinetti con pattini speciali ad alta precisione per ridurre al minimo le vibrazioni. Ad esempio, la guida a sfere ad alta precisione Bosch Rexroth utilizza un inserto in acciaio con zone di rilievo che smorzano le forze di ingresso delle sfere alle estremità della pista di rotolamento. Il risultato è un movimento uniforme ed estremamente fluido, poiché le sfere circolano nelle piste di rotolamento dei cuscinetti.
Precisione di posizionamento
La precisione di posizionamento dipende dalle capacità e dalle tolleranze dell'azionamento, come ad esempio una vite a ricircolo di sfere elettromeccanica, un cilindro idraulico o pneumatico, un motore elettrico lineare o un pignone e cremagliera.
Le viti a ricircolo di sfere possono avere un significativo errore o deviazione del piombo all'interno della vite a ricircolo di sfere o della chiocciola - l'elemento tipicamente collegato al carico e che lo guida. Il grado di errore dipende spesso dal metodo di produzione utilizzato per generare le filettature delle viti. La rettifica può introdurre errori di piombo dovuti alle imprecisioni intrinseche della macchina, all'usura dell'utensile o al riscaldamento dell'albero della vite a sfera durante il processo di rettifica. La formazione di filettature tramite laminazione può introdurre errori di piombo principalmente attraverso il trattamento termico post-processo.
La rettifica è stata tradizionalmente riconosciuta come più accurata della laminazione, ma il divario si sta restringendo. Alcune viti laminate Rexroth offrono una precisione di classe 5 o addirittura di classe 3 per la deviazione della corsa (piombo), con una deviazione massima di ±12 μm su 300 mm di corsa. Le tecniche di correzione elettronica, che compensano i piccoli errori di derivazione nelle corse standard, possono migliorare ulteriormente la precisione
L'aggiunta di un feedback esterno all'asse della macchina può anche migliorare la precisione di posizionamento. Questo può essere fatto indirettamente con un encoder rotativo o direttamente con una scala lineare. Un esempio, l'IMS (Integrated Measuring System) di Bosch Rexroth, integra una riga nella guida e una testa di rilevamento sul blocco cuscinetto. Il feedback di posizione del sensore consente al servocomando di correggere la posizione finale del movimento.
Rigidità del sistema
Si tratta di un'area in cui i fattori meccanici spesso riducono l'efficienza dei controlli migliori. La rigidità del telaio e del basamento della macchina, lo spessore, il materiale (ad esempio, alluminio contro acciaio) e la struttura del telaio (solido o tubolare) possono tutti avere un impatto sulla precisione. Fattori meccanici come il precarico, la lunghezza dell'asse, i tipi di elementi di attrito e di supporto dei cuscinetti, nonché i dispositivi di fissaggio che collegano il sistema di movimento lineare al telaio possono influenzare indirettamente la precisione della macchina.
La rigidità del sistema è fondamentale perché qualsiasi forza o carico applicato alle componenti del movimento - verso il basso, verso l'alto o lateralmente - può causare la deflessione, un nemico della ripetibilità. Una forza maggiore produce una maggiore deflessione. Per combattere questo fenomeno, i progettisti spesso migliorano la rigidità complessiva o la rigidità del blocco a guida lineare introducendo il precarico con elementi antifrizione sovradimensionati. Il grafico "Effetti del precarico" mostra un tipico precarico, utilizzando elementi volventi sovradimensionati (Dk) nel gap guida-rotaia (diametro D). I produttori di guide lineari offrono in genere livelli di precarico molto diversi per ridurre al minimo la deflessione.
L'azionamento può contribuire alla rigidità totale del sistema grazie alla rigidità dei cuscinetti di supporto, dell'unità con dado a sfera e della vite a sfere stessa. Il fattore che influenza maggiormente la rigidità della trasmissione a vite è la sua lunghezza: più lunga è la vite, più difficile è compensare la flessione. Le tecniche di compensazione includono un precarico supplementare o la selezione di una chiocciola a sfera più rigida.
Velocità
Le applicazioni impegnative e ad alto rendimento presentano sfide impegnative perché i tempi di ciclo brevi hanno talvolta requisiti di velocità che impongono limitazioni alla velocità e alle capacità di accelerazione delle guide lineari e delle viti a sfere.
Il primo limite è la velocità critica dell'albero della vite a sfera - la velocità alla quale la vite vibra o oscilla eccessivamente (nota come "screw whip"). Questa velocità dipende in gran parte dalla lunghezza dell'albero e dai supporti dei cuscinetti. La capacità dei progettisti di modificare la velocità critica è limitata principalmente alla scelta dei supporti dei cuscinetti terminali. I supporti fissi (dove i cuscinetti sono vincolati ad entrambe le estremità della vite) consentono le velocità critiche più elevate e i sistemi fissi liberi, i più bassi.
Con un montaggio fisso, il sistema di supporto è realmente fissato sulla vite e ha un set di cuscinetti progettato per supportare il carico assiale. I supporti flottanti possono essere scelti perché introducono meno attrito, consentendo migliori prestazioni termiche, ma hanno una velocità critica inferiore rispetto ai supporti fissi. I supporti flottanti utilizzano tipicamente solo un cuscinetto radiale per sostenere il carico radiale o il peso della vite nello spazio. Questa disposizione prende il suo nome flottante in quanto il cuscinetto può galleggiare o muoversi nella sede del cuscino-blocco mentre il mandrino della vite si espande e si contrae a causa delle variazioni di temperatura.
La seconda limitazione è la velocità caratteristica del sistema di supporto, basata sulla circolazione di elementi antifrizione. Nel caso di una vite a ricircolo di sfere, la chiocciola rappresenta il sistema di supporto. La temperatura, le vibrazioni e l'inerzia delle palle giocano tutti un ruolo.
La più bassa delle due velocità è la più critica per un controllo preciso del movimento. La velocità caratteristica è indipendente dalla lunghezza dell'albero, ma la velocità critica diminuisce all'aumentare della lunghezza. Quando un sistema raggiunge una velocità critica, le vibrazioni aumentano, la precisione diminuisce e le prestazioni (ad esempio, la qualità della finitura superficiale di una macchina utensile) diminuiscono. Inoltre, l'assemblaggio della vite a sfera si affatica molto più velocemente.
Considerazioni termiche
Tutti i componenti del movimento lineare (motore, cuscinetti e dado) generano calore di cui si deve tener conto; una corretta gestione di queste influenze termiche può migliorare le prestazioni e la precisione di un sistema. Le diverse parti di un asse possono avere temperature diverse in base al tempo di funzionamento, al ciclo dinamico e alle forze su ogni parte. Lasciare i cuscinetti galleggiare all'interno di un blocco cuscino consente l'espansione e la contrazione della vite a sfera, ma un compromesso è che sono meno rigidi. L'utilizzo di una combinazione di cuscinetti fissi, o cuscinetti in grado di sopportare carichi assiali/spinta, e blocchi di cuscino galleggianti con cuscinetti radiali offre flessibilità termica migliorando al tempo stesso le caratteristiche di velocità.
La deformazione termoelastica rappresenta un'altra sfida per gli ingegneri, poiché il calore influenza l'espansione lineare di tutti i componenti. La deformazione può causare disallineamento o spostamento, che esercita una forza eccessiva sui cuscinetti e sui dadi. Questa forza crea attrito, che porta ad una generazione di calore ancora maggiore. Maggiore è la rigidità richiesta da un'applicazione, maggiore è il calore generato dall'attrito che influenza l'allineamento, la rigidità e le prestazioni. La buona notizia è che con i progressi nell'elettronica di comando e controllo, i progettisti possono spesso compensare o compensare queste influenze termiche.
Risonanza della macchina
Tutti questi fattori possono far risuonare o vibrare le macchine, il che compromette la precisione e la qualità. In casi estremi, le vibrazioni - come quelle prodotte dal superamento della velocità critica - possono causare "frustate" della vite e danni alla macchina. Altre possibili cause di vibrazione sono:
Eccessiva fuoriuscita o errato comportamento della vite a rotazione concentrica in relazione all'asse centrale della vite a ricircolo di sfere, del perno di trascinamento o di altri componenti.
Gioco eccessivo.
Influenze esterne (risonanza da macchine vicine, carrelli elevatori, sistema HVAC e così via). Questo è spesso trascurato. Può essere contrastato montando la macchina su uno speciale tampone di fondazione isolato.
Processo decisionale in materia di design
In alcuni mercati, una maggiore precisione può non giustificare l'impiego di risorse sostanziali per piccoli miglioramenti - ma, ancora una volta, può aiutare a differenziare un nuovo prodotto. Tenere presente anche il livello di precisione richiesto dalle norme e dalle necessità del mercato.
In una particolare applicazione, requisiti di produttività estremamente elevati possono anche limitare la precisione. E la necessità di tempi di cambio rapido può richiedere alcuni compromessi in termini di precisione per ottenere un design più semplice.
Infine, considerare le esigenze dei mercati emergenti, in particolare nei settori del consumo energetico e della produzione snella. Una migliore precisione può ridurre significativamente gli scarti e gli scarti, aggiungendo un altro elemento ai vantaggi di sistemi di movimento lineare più precisi.