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Specificazione e dimensionamento delle guide lineari per i sistemi di movimento

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Se il sistema richiede il movimento sugli assi X, Y e Z, considerare ciascun asse separatamente.

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L'approccio migliore alla specificazione e al dimensionamento delle guide lineari consiste nel definire innanzitutto i parametri più critici dell'applicazione, restringere le scelte in base a questi requisiti e quindi applicare le variabili critiche per effettuare la selezione finale delle guide lineari.

Prima le nozioni di base:

Le guide lineari, le guide e le slitte sono sistemi meccanici composti da guide e cuscinetti che supportano e spostano carichi fisici lungo un percorso lineare con un basso coefficiente di attrito. Di solito sono classificate come tipi ad elementi volventi o a boccole piane. Poiché sono disponibili molte forme e dimensioni di vari produttori, progettate per soddisfare esigenze ingegneristiche specifiche, l'applicazione specifica determina l'elenco dei parametri critici da considerare e il loro ordine di importanza.

I tipi più comuni di guide e cuscinetti sono le guide profilate (quadrate) con blocchi di cuscinetti a ricircolo di sfere, le guide per cuscinetti a rulli e le guide rotonde con boccole a ricircolo di sfere o boccole piane. Le guide profilate sono adatte ad applicazioni che richiedono rigidità e precisione eccezionali, come le teste delle macchine utensili e i movimenti di precisione dei circuiti stampati. I sistemi di cuscinetti a rulli sono destinati a una gamma più ampia di applicazioni, come il sollevamento e il trasferimento di pezzi o le applicazioni pick-and-place.

Per scegliere la guida più adatta a un'applicazione, occorre innanzitutto analizzare le esigenze specifiche del sistema. Successivamente, occorre comprendere i requisiti del cliente o le linee guida del programma, che comprendono il numero di assi, la ripetibilità, la tolleranza e la precisione necessarie per ottenere il risultato finale. Infine, bisogna considerare la contaminazione ambientale, come polvere, acqua, fibre e altre sostanze.

Per qualsiasi sistema, l'ambiente operativo determina il tipo di cuscinetti da scegliere. Ad esempio, gli ambienti sporchi possono contaminare l'assemblaggio e interferire con il corretto funzionamento delle piste a ricircolo di sfere. La contaminazione è più gestibile nei sistemi a rulli perché i corpi volventi sono generalmente più grandi. I cuscinetti piani sono adatti alle applicazioni in cui la lubrificazione a contatto con la superficie non è raccomandata o non può essere esposta all'ambiente, come ad esempio in alcuni laboratori di ricerca o impianti di produzione di chip di silicio.

Dopo aver scelto un sistema, è necessario assemblare i parametri per dimensionarlo correttamente. Per ogni movimento in un sistema di guide lineari, considerare i seguenti parametri: corsa, carico, velocità, ciclo di lavoro, area di montaggio e orientamento del montaggio.

Dimensionare il sistema a guida lineare

Il carico statico è costituito dal peso della sella, del dispositivo di fissaggio, del carico utile e dei cuscinetti. Se 40,0 libbre sono centrate orizzontalmente a destra e a sinistra in un tipico set a doppia guida e quattro carrelli, ogni blocco di cuscinetti sarà caricato staticamente con 10,0 libbre.

Le guide sono di due tipi: a sella e a sbalzo. La guida a sella standard, a base orizzontale, utilizza una sella o un blocco che si muove tra due blocchi terminali fissi. Con la slitta a sbalzo, il corpo principale e il cilindro rimangono statici, mentre la piastra portautensili si estende e si ritrae. Una seconda applicazione a sbalzo si ha quando si spostano i carichi in verticale. Con una guida e due carrelli, entrambi i cuscinetti possono essere caricati in modo uguale in direzione radiale. Per il dimensionamento del cuscinetto o del carrello, il carico totale per il cursore più sollecitato staticamente è in genere impostato come lo scenario peggiore.

Per il dimensionamento dei cuscinetti, organizzare il parametro del carico e la sua distanza dal centro di gravità (C.G.) o dal centro di massa. Il carico si riferisce al peso o alla forza applicata al sistema, che comprende sia il carico statico che quello dinamico. Il carico statico comprende il peso della sella, dell'attrezzatura del nido, del carico utile e dei cuscinetti. Il carico dinamico (o cinetico) deve tenere conto dei carichi applicati che interagiscono con la sella caricata dai cuscinetti. Normalmente, questo carico impone un requisito torsionale ai cuscinetti. Il C.G. per la sella fornisce un unico valore di carico a una certa distanza dai centri dei cuscinetti.

Questi valori dinamici e di carico statico possono essere organizzati come radiali (Corad), assiali (Coax), di coppia intorno all'asse "X" (Mx), di coppia intorno all'asse "Y" (My) e di coppia intorno all'asse "Z" (Mz). Le variabili possono essere utilizzate nella maggior parte delle applicazioni di dimensionamento dei cuscinetti per selezionare la dimensione appropriata del carrello. I valori di carico sono normalmente presentati in libbre o Newton (N) statici e in libbre o Newton Metri (Nm) per il carico dinamico.

Il centro dei singoli carichi è una distanza relativa dal centro del sistema di guide o dai centri dei cuscinetti, mentre la massa totale ha una distanza C.G. dalle guide di 1,5 pollici (60 in.-lb/40 lb). I cuscinetti dovrebbero gestire un carico di coppia di 60 in.-lb, soprattutto quando la sella viene accelerata o decelerata rapidamente.

Velocità:

La velocità è un fattore critico da considerare perché i carichi applicati influenzano il sistema in modo diverso durante l'accelerazione e la decelerazione rispetto al movimento a velocità costante. La velocità è tipicamente fornita come in./s o l'equivalente metrico in m/s. Fattori come il tipo di profilo di movimento determinano l'accelerazione necessaria per raggiungere la velocità o il tempo di ciclo desiderati. In un profilo di spostamento trapezoidale, il carico accelera rapidamente e si muove a velocità costante prima di rallentare. Un profilo di spostamento triangolare, invece, accelera e decelera rapidamente. Inoltre, quando si calcola la velocità dell'applicazione, bisogna considerare la velocità massima di movimento, nonché l'accelerazione e la decelerazione necessarie per raggiungere la tempistica complessiva di un movimento.

Ciclo di lavoro:

Il parametro del ciclo di lavoro deve considerare il movimento completo della sella attraverso un ciclo completo, che nella maggior parte dei casi è pari a due volte la corsa più le operazioni a vuoto in un tempo desiderato. La corsa dell'applicazione è la lunghezza del movimento completo in una direzione lungo un percorso lineare. In genere, il parametro del ciclo di lavoro è organizzato come numero di cicli richiesti al minuto.

Area di montaggio:

L'area di montaggio della guida e dei cuscinetti a sella contribuisce a determinare la lunghezza complessiva (O.A.L.) e la separazione delle guide del sistema di guida. Nella maggior parte delle applicazioni, è meglio considerare l'ingombro più ampio possibile per il funzionamento dei cuscinetti. A meno che non si utilizzino guide lineari telescopiche, che agiscono in modo simile a semplici guide per cassetti, l'O.A.L. della guida deve includere la corsa del movimento lineare e l'ingombro dei cuscinetti.

L'area di montaggio deve anche tenere conto del substrato o del sistema di intelaiatura per sostenere la guida. L'ingombro dei cuscinetti è la distanza tra la parte anteriore di un carrello e la parte posteriore del carrello più lontano lungo una guida lineare. Molti alberi profilati devono essere montati su superfici completamente lavorate e rettificate per soddisfare correttamente i requisiti di precisione del programma. Altri progetti possono essere applicati direttamente a strutture in alluminio o tubolari senza perdere in capacità o rigidità.

Orientamento:

L'orientamento di montaggio delle vie è fondamentale per l'impostazione dei parametri di carico, poiché la sella potrebbe essere spostata orizzontalmente, verticalmente, lungo un supporto a parete o persino in posizione invertita. Per ottenere le migliori prestazioni, gestire il carico dell'applicazione con la parte più resistente del sistema di supporto. Ad esempio, il cursore radiale a sfere deve essere orientato in modo da sostenere il carico radialmente, non assialmente.

Ora scegliete la guida lineare

Questo è un esempio di applicazione con un ambiente standard leggermente contaminato da polvere che richiede una ripetibilità media. A causa di questi due fattori, viene scelto un sistema di cuscinetti a rulli precaricati che scorrono su piste in acciaio temprato. La velocità è rapida e si può ottenere una maggiore durata senza dover spingere i livelli di capacità massima.

In generale, per una guida di 1 pollice, i cuscinetti piani non dovrebbero superare i 20 pollici al secondo, i sistemi a ricircolo di sfere gli 80 pollici e i rulli i 200 pollici al secondo. Per ottenere l'intera corsa di 118 pollici in 3 s, accelereremo e decelereremo di 6 pollici in 0,5 s ciascuno. In questo modo si otterrebbero 106 pollici di corsa e 2 secondi per raggiungere la temporizzazione desiderata. Ciascuna delle guide deve essere lunga almeno 162 pollici, perché la corsa è di 118 pollici e la lunghezza della sella è di 44 pollici nella dimensione che corre lungo la guida. A volte è utile lasciare uno o due pollici in più a ciascuna estremità della corsa per interruttori di fine corsa, ammortizzatori o sensori.

Ciascuno dei cuscinetti sarà caricato in egual misura con 100 libbre, poiché i cuscinetti sono montati in ogni angolo della sella e il centro di gravità della massa è centrato a destra e a sinistra. Ciascuno dei carrelli dei cuscinetti può sopportare un carico radiale massimo di 500 libbre, quindi si calcola una durata adeguata perché i cuscinetti sono caricati entro il 20-50% della capacità totale.