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FAQ sui sistemi lineari - Nozioni di base per gli ingegneri progettisti

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Sistema di guida per robot a portale a movimento lineare per l'agricoltura CNC.

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Questo articolo illustra le basi della progettazione di un sistema lineare, compresi il sistema di supporto strutturale, la tecnologia di guida, la tecnologia di azionamento e le tenute, la lubrificazione e gli accessori. In primo luogo, verranno discussi i pro e i contro delle diverse tecnologie, come le trasmissioni a vite con piombo, le trasmissioni a vite a sfera, le trasmissioni a cinghia, le guide a sfera, le guide a scorrimento e le guide a ruota. L'articolo esaminerà poi i vantaggi e gli svantaggi di progettare e costruire il proprio sistema lineare rispetto alla configurazione di un sistema a partire da elementi standard. Infine, l'articolo descrive una procedura basata sul web, passo dopo passo, per il dimensionamento e la selezione di un sistema lineare basato su componenti standard economici.

Gli elementi costitutivi di un sistema lineare sono il sistema di supporto strutturale, il sistema di azionamento, il sistema di guida, la tenuta, la lubrificazione e gli accessori. Il componente principale del sistema di supporto strutturale è in genere un'estrusione di alluminio, disponibile in lunghezze fino a 12 metri. La superficie di montaggio della base può essere lavorata per applicazioni che richiedono un posizionamento preciso. Le estrusioni di base per le applicazioni di trasporto di minore precisione non vengono solitamente lavorate. Le basi utilizzate nelle applicazioni di trasporto sono ottimizzate per resistere alla flessione sotto carico e alla distorsione durante il processo di estrusione, consentendo al sistema di essere sostenuto solo alle estremità.

I principali tipi di guide sono le guide a sfera, le guide a ruota e le guide a scorrimento o a prisma. Le guide a sfera supportano carichi utili elevati fino a 38.000 Newton (N) e carichi momentanei elevati fino a 27,60 Newton metri (Nm). Altri vantaggi delle guide a sfera sono il basso attrito e l'elevata rigidità. Le guide a sfere sono disponibili in configurazioni a guida singola o doppia. I punti deboli delle guide a sfere sono il costo relativamente elevato e l'alta rumorosità. Un vantaggio fondamentale delle guide a ruota è la loro capacità di operare a velocità eccezionalmente elevate, fino a 10 metri al secondo (m/s). Le guide a ruota offrono inoltre un basso attrito e una rigidità molto elevata. D'altro canto, le guide a rotelle hanno una resistenza relativamente bassa agli urti. Le guide a scorrimento utilizzano boccole in polimero a forma di prisma che scorrono direttamente sulla superficie del profilo per garantire un funzionamento molto silenzioso e resistere a carichi d'urto elevati. Un vantaggio fondamentale delle guide a scorrimento è la loro capacità di operare in ambienti contaminati. Le guide a scorrimento hanno una velocità e una capacità di carico inferiori rispetto alle guide a sfera o a ruota.

Le tecnologie di azionamento più diffuse sono le trasmissioni a vite a ricircolo di sfere, le trasmissioni a vite piombata e le trasmissioni a cinghia. L'azionamento a vite a sfere è costituito da una vite a sfere e da una chiocciola a sfere con cuscinetti a ricircolo di sfere. Le viti a sfere rettificate e precaricate garantiscono una precisione di posizionamento eccezionalmente elevata. Il carico sulla vite a sfere è distribuito su un gran numero di cuscinetti a sfere, in modo che ogni sfera sia soggetta a un carico relativamente basso. Il risultato è un'elevata precisione assoluta fino a 0,005 mm, un'alta capacità di spinta fino a 40 KN e un'elevata rigidità. La precisione assoluta è definita come l'errore massimo tra la posizione prevista e quella effettiva. Le viti a ricircolo di sfere offrono in genere un'efficienza meccanica del 90%, per cui il loro costo più elevato è spesso compensato dalla riduzione dei requisiti di potenza. La velocità critica di una vite a ricircolo di sfere è determinata dal diametro della radice della vite, dalla lunghezza non supportata e dalla configurazione del supporto finale. I supporti delle viti a ricircolo di sfere consentono di utilizzare unità a vite con corsa fino a 12 metri e velocità di ingresso di 3.000 giri/min. Gli azionamenti a vite non possono eguagliare la precisione di posizionamento assoluta degli azionamenti a vite a ricircolo di sfere, ma offrono un'eccellente ripetibilità di 0,005 mm. La ripetibilità è definita come la capacità di un sistema di posizionamento di ritornare in una posizione durante il funzionamento quando si avvicina dalla stessa direzione con la stessa velocità e lo stesso tasso di decelerazione. Gli azionamenti a vite piombata sono utilizzati in applicazioni di posizionamento a ciclo di lavoro medio-basso e funzionano a bassi livelli di rumorosità. Gli azionamenti a cinghia sono utilizzati in applicazioni di trasporto ad alta velocità e ad alta produttività con velocità fino a 10 m/s e accelerazioni fino a 40 m/s2 . Sia il sistema di guida che il sistema di azionamento richiedono tipicamente la lubrificazione. La facilità di accesso ai raccordi di lubrificazione semplifica la manutenzione preventiva. Un approccio efficace è l'uso di raccordi Zerk sul carrello che alimentano una rete attraverso la quale vengono lubrificati sia la vite a sfera che il sistema di cuscinetti lineari durante l'installazione e agli intervalli di manutenzione periodica. Il sistema di guida del prisma non richiede manutenzione. Oltre alla lubrificazione intrinseca del polimero, sono presenti dei feltrini lubrificati che reintegrano il lubrificante a ogni corsa. La tecnologia di tenuta è importante in molte applicazioni. Una guarnizione a banda magnetica è costituita da una banda magnetica in acciaio inossidabile caricata a molla per mantenere la tensione. Le due estremità sono fissate alle piastre terminali del sistema e la banda di copertura o striscia di tenuta viene fatta passare attraverso una cavità nel carrello. Quando i carrelli attraversano la lunghezza del sistema, la striscia viene sollevata dai magneti per consentire il passaggio del carrello.

Un'altra tecnologia di sigillatura, i nastri di copertura in plastica, utilizza una striscia di gomma conforme che si incastra con l'estrusione di base, agendo come un sacchetto Ziploc. I profili "maschio e femmina" che si accoppiano creano una tenuta a labirinto estremamente efficace nel prevenire l'ingresso di particelle. I supporti motore flessibili semplificano l'integrazione dei sistemi lineari nei gruppi automatizzati. Gli utenti possono semplicemente richiedere un supporto motore NEMA standard o fornire informazioni di montaggio specifiche per il proprio motore, oppure indicare il nome del produttore del motore e il numero di parte. L'alloggiamento e l'accoppiamento sono lavorati da pezzi grezzi comuni per accoppiarsi con le caratteristiche chiave del motore del cliente: dimensione e diametro del cerchio del bullone sulla flangia del motore; diametro del pilota del motore; diametro e lunghezza dell'albero del motore. In questo modo le slitte possono essere montate facilmente, in orizzontale, in verticale, inclinate o capovolte, su quasi tutti i motori, con un allineamento garantito.

Non tutte le combinazioni di tipo di azionamento e di tipo di guida hanno senso. I sette gruppi tecnologici utilizzati nelle applicazioni pratiche comprendono l'azionamento con vite al piombo e guida a sfere, l'azionamento con vite al piombo e guida a slitta, l'azionamento con vite a sfere e guida a sfere, l'azionamento con cinghia e guida a sfere, l'azionamento con cinghia e guida a slitta e l'azionamento con cinghia e guida a ruota. I diagrammi a ragno illustrano i punti di forza e di debolezza relativi di ciascuna di queste tecnologie. La tecnologia di azionamento a vite e guida a sfere offre un'elevata ripetibilità, un'alta rigidità e la capacità di gestire forze e momenti elevati. Viene utilizzata in applicazioni di posizionamento di precisione con carichi e cicli di lavoro elevati, come il sistema lineare utilizzato per caricare e scaricare gli ingranaggi grezzi su una macchina utensile. Le unità con guida a cinghia e sfere sono progettate per applicazioni ad alta velocità e accelerazione con carichi pesanti e momenti elevati. Questo gruppo tecnologico è adatto ad applicazioni che coprono una distanza e sono supportate alle estremità o in modo intermittente. Un'applicazione tipica è la pallettizzazione delle lattine. I sistemi lineari a cinghia e a guida di scorrimento offrono una velocità e un'accelerazione moderate. Le guide di scorrimento sono in grado di gestire i carichi d'impatto, ma sono piuttosto limitate nelle loro velocità lineari. Questa combinazione offre una soluzione economica, poco rumorosa e che richiede poca manutenzione. L'aggiunta di una banda di copertura magnetica rende questa soluzione ideale per gli ambienti ad alto contenuto di particolato e con esigenze di lavaggio, come le applicazioni di trattamento a spruzzo delle lamiere. Le unità con trasmissione a cinghia e guida a ruota offrono elevate velocità lineari e capacità di accelerazione, oltre a costi moderati, bassa rumorosità e requisiti di manutenzione relativamente bassi. Un'applicazione tipica è quella delle macchine per il confezionamento e il riempimento.

Costruire o acquistare? Quando si valuta se acquistare o costruire un sistema lineare, è importante considerare il tempo e le competenze ingegneristiche necessarie per la progettazione di un sistema lineare. La progettazione di un sistema comprende calcoli ingegneristici quali la durata dei cuscinetti lineari e radiali, la durata della vite a ricircolo di sfere, la velocità critica della vite a ricircolo di sfere, la deflessione del profilo di supporto, la scelta della lubrificazione, la progettazione del coperchio, ecc. L'approccio di sovradimensionare il sistema lineare per ridurre i tempi di progettazione ha lo svantaggio di aumentare il costo e l'ingombro e di richiedere una progettazione di base per assicurarsi che non sia stato tralasciato nulla di fondamentale. Quando si acquistano sistemi lineari, a volte i prodotti standard del catalogo non soddisfano i requisiti dell'applicazione. In questo caso, le alternative possibili sono modifiche significative ai prodotti standard o progetti in bianco. Un partner con un'ampia gamma di prodotti e capacità di progettazione può collaborare con voi per risolvere il vostro problema, risparmiando tempo e denaro e accelerando il ciclo di sviluppo.