Como determinar a aceleração máxima de um cursor linear

Um controle deslizante linear não possui uma aceleração máxima universal. A aceleração permitida depende do que o termo "controle deslizante linear" se refere e de como o sistema de movimento completo é projetado.

Um bloco guia ou caixa de rolamento linear orienta apenas a carga em movimento. Não gera aceleração por si só. Em um eixo linear completo, a aceleração é limitada pela força motriz disponível, massa móvel total, carga e momento da guia, estrutura de acionamento, curso, direção de instalação, lubrificação e ciclo de trabalho.

Primeiro identifique o tipo de controle deslizante linear

O "controle deslizante linear" é utilizado para diversos produtos do mercado. Antes de discutir a aceleração, identifique a estrutura real.

Portanto, um bloco guia simples não deve ser descrito como tendo a mesma aceleração máxima que um módulo linear motorizado. A montagem completa deve ser avaliada.

O cálculo básico da aceleração

A relação inicial vem da força resultante disponível e da massa móvel total:

Um formulário de engenharia mais útil é:

Onde:

• umé a aceleração linear disponível;
• F_dirigiré o empuxo utilizável do motor e da transmissão;
• F_atritoinclui guia, vedação, parafuso, rolamento e resistência à lubrificação;
• F_externoinclui forças de usinagem, prensagem, cabos e processos;
• F_gravidadeaplica-se a eixos verticais ou inclinados;
• eu_totalinclui a carga útil e todos os componentes móveis da máquina.

Este cálculo fornece apenas um valor inicial. O resultado deve então ser verificado em relação aos limites mecânicos do sistema de guia e acionamento.

Use a massa móvel total, não apenas a carga útil

A massa acelerada não se limita à peça do cliente. Dependendo do projeto, a massa móvel total pode incluir:

• A carga útil;
• A placa do carro;
• Blocos guia ou mancais;
• A porca esférica ou braçadeira de cinto;
• Luminárias, sensores e suportes de cabos;
• Movimentação de motor ou redutor em algumas estruturas;
• Parte da corrente de cabos e mangueiras conectadas;
• Ferramentas, pinças ou cabeçotes de processo.

Usar apenas a massa da peça pode superestimar substancialmente a aceleração disponível, especialmente em eixos compactos onde o carro e as ferramentas pesam mais que a carga útil.

A potência do motor por si só não define a aceleração

A potência do motor não é suficiente para determinar a aceleração máxima. O cálculo requer a força ou torque utilizável na velocidade operacional real.

Para um sistema motorizado, confirme:

• Torque contínuo do motor;
• Pico de torque e duração de pico permitida;
• Torque disponível nas RPM exigidas;
• Relação e eficiência da caixa de câmbio, se utilizada;
• Diâmetro do avanço do parafuso esférico ou da polia;
• Capacidade de acoplamento e suporte;
• Relação de inércia do motor e da carga;
• Limites de corrente e tensão do inversor.

Um motor pode fornecer alto torque em baixa velocidade, mas muito menos torque após a aceleração do eixo. Todo o perfil de aceleração deve, portanto, ser verificado em relação à curva torque-velocidade e não apenas à potência nominal do motor.

Como o fuso de esferas afeta a aceleração

Em um módulo linear de fuso de esferas, o torque do motor é convertido em impulso axial através do avanço do parafuso. Um cabo menor geralmente produz mais empuxo com o mesmo torque do motor, enquanto um cabo maior requer menos velocidade de rotação para a mesma velocidade linear.

A aceleração é afetada por:

• Diâmetro e avanço do fuso de esfera;
• Eficiência de parafusos e porcas;
• Pré-carga da porca e torque de funcionamento;
• Inércia rotacional do parafuso;
• Pré-carga de suporte;
• Velocidade crítica;
• Velocidade de circulação da bola;
• Capacidade de acoplamento;
• Lubrificação e temperatura operacional.

Um parafuso de avanço pequeno pode fornecer impulso suficiente, mas exigir RPM excessivas para atingir a velocidade necessária. Um parafuso de avanço grande pode reduzir as RPM, mas requer mais torque do motor durante a aceleração. Diâmetro, avanço, velocidade e carga devem, portanto, ser selecionados em conjunto.

Como a transmissão por correia afeta a aceleração

Um módulo linear acionado por correia pode ser adequado para movimentos rápidos porque evita a rotação de um longo eixo de parafuso. No entanto, a aceleração máxima ainda é limitada por:

• Resistência à tração da correia;
• Carga dentária permitida;
• Diâmetro da polia e engate dos dentes;
• Pré-tensão da correia;
• Torque do motor em velocidade;
• Inércia da polia e do eixo do motor;
• Rigidez do transporte e da estrutura;
• Requisitos de posicionamento e acomodação.

O aumento da tensão da correia não proporciona aceleração ilimitada. A tensão excessiva pode aumentar a carga do rolamento, o atrito e a deflexão do eixo.

O guia deve transportar cargas e momentos dinâmicos

A aceleração produz uma força inercial no centro de gravidade da carga. Se esse centro estiver acima, ao lado ou na frente dos blocos guia, a força inercial também produz um momento.

O sistema de guia deve, portanto, ser verificado quanto a:

• Carga vertical;
• Carga lateral;
• Momento de lançamento;
• Momento de guinada;
• Momento rolante;
• Carga dinâmica equivalente combinada;
• Distribuição de carga entre vários blocos.

Dois carros com a mesma massa total podem exigir arranjos de guia diferentes se houver uma distância muito maior entre o centro da carga e o trilho.

Um erro comum de engenharia é verificar apenas o peso estático. Durante a aceleração rápida ou paragem de emergência, a força inercial e o momento resultante podem tornar-se o caso de carga mais exigente.

Controles deslizantes de eixo redondo suportados

Os trilhos redondos suportados reduzem a deflexão do eixo apoiando continuamente o eixo ao longo de uma base de alumínio. Eles são comumente usados ​​com blocos de rolamentos lineares abertos em equipamentos de automação e manuseio.

A aceleração permitida desta estrutura depende da classificação do bloco de rolamento, do número e espaçamento dos blocos, da rigidez da base de suporte, da precisão da superfície de montagem e da força motriz.

Usar dois blocos amplamente espaçados geralmente proporciona melhor resistência ao momento do que concentrar a mesma carga em um bloco curto. Contudo, blocos adicionais aumentam a sensibilidade do alinhamento e não compensam uma superfície de montagem irregular.

Controles deslizantes de eixo redondo não suportados

Um eixo redondo com uma caixa de rolamento linear fechada pode fornecer um movimento linear simples e suave, mas a deflexão do eixo deve ser verificada quando o vão ou a carga aumentam.

Durante a aceleração, a flexão do eixo pode alterar o contato do rolamento e a posição do carro. O resultado depende de:

• Diâmetro do eixo;
• Distância entre apoios;
• Posição de carga;
• Número de eixos paralelos;
• Espaçamento dos rolamentos;
• Direção de aceleração;
• Rigidez da base da máquina.

Uma carga útil leve não torna automaticamente aceitável uma alta aceleração se o eixo for longo e fino.

Controles deslizantes de guia linear de perfil

As guias lineares de perfil geralmente proporcionam maior rigidez e capacidade de carga de momento dentro de um envelope de instalação compacto. Isso pode torná-los mais adequados para sistemas de posicionamento rápido, mas o bloco e o trilho selecionados ainda exigem uma carga dinâmica e uma verificação de vida útil.

Fatores de seleção importantes incluem:

• Tamanho do trilho e tipo de bloco;
• Elemento rolante de esfera ou rolo;
• Bloco padrão ou longo;
• Número e espaçamento dos blocos;
• Nível de pré-carga;
• Grau de precisão;
• Direção da carga e momentos aplicados;
• Intervalo de lubrificação;
• Precisão de montagem em trilho.

Uma guia de rolos pode fornecer maior rigidez e capacidade de carga, mas isso não a torna automaticamente a melhor escolha para um eixo leve e de alto ciclo. A massa do bloco, a resistência da vedação, a pré-carga e o tempo de assentamento necessário também devem ser considerados.

Eixos verticais exigem uma verificação de gravidade

Em um eixo vertical, o acionamento deve superar a gravidade antes que qualquer aceleração ascendente seja produzida.

Para movimento ascendente, a força de aceleração disponível é reduzida pelo peso do conjunto móvel. Durante a aceleração descendente ou parada de emergência, a gravidade altera a direção da carga e a necessidade de freio.

Um sistema vertical deve verificar:

• Força motora ou torque necessário para sustentar a carga;
• Força de aceleração ascendente;
• Força de desaceleração descendente;
• Capacidade de retenção do freio;
• Risco de retrocesso;
• Comportamento de parada de emergência;
• Flambagem do fuso de esferas onde o eixo é comprimido;
• Assistência de contrapeso ou mola a gás, quando usada.

O valor de aceleração aprovado para um eixo horizontal não deve ser copiado diretamente para o mesmo mecanismo instalado verticalmente.

O comprimento do curso altera a aceleração disponível

Um curso curto pode não fornecer distância suficiente para atingir a velocidade comandada antes do início da desaceleração.

Para aceleração constante a partir do repouso, a distância aproximada necessária para atingir a velocidade alvo é:

O mesmo princípio se aplica à seção de desaceleração. O curso utilizável deve incluir:

• Distância de aceleração;
• Distância em velocidade constante, se houver;
• Distância de desaceleração;
• Estabelecendo distância ou tempo;
• Liberação de segurança mecânica;
• Sensor e margem de fim de curso.

Uma configuração de aceleração muito alta pode proporcionar poucos benefícios no tempo de ciclo se o eixo for limitado por vibração, tempo de estabilização ou deslocamento curto.

A aceleração máxima e a operação contínua são diferentes

Um sistema pode tolerar uma alta aceleração para um pequeno número de movimentos de emergência ou intermitentes, mas não durante ciclos repetidos e contínuos.

O ciclo de trabalho afeta:

• Temperatura do motor;
• Acionamento de carga atual e regenerativa;
• Parafuso de esfera e rolamento térmico;
• Orientar a demanda de lubrificação;
• Temperatura e fadiga da correia;
• Risco de afrouxamento do fixador;
• Vibração estrutural;
• Vida útil do componente.

Ao especificar a aceleração máxima, indique se é um valor de pico curto ou um valor de produção continuamente repetido.

Jerk também afeta o estresse mecânico

A aceleração descreve a rapidez com que a velocidade muda. Jerk descreve a rapidez com que a própria aceleração muda.

Um eixo comandado de zero diretamente até a aceleração máxima aplica uma mudança de carga mais acentuada do que um perfil de curva S que aumenta a aceleração progressivamente.

Limitar o jerk pode ajudar a reduzir:

• Vibração do quadro;
• Movimentação de carga;
• Impacto dos dentes da correia;
• Choque de acoplamento;
• Picos de momento guia;
• Tempo de acomodação após posicionamento;
• Ruído durante reversões repetidas.

Para equipamentos de pick-and-place ou inspeção de precisão, a aceleração teórica mais rápida pode não produzir o ciclo prático mais curto se o carro exigir um longo período de estabilização posteriormente.

A desaceleração de emergência pode ser o caso crítico

O comando de aceleração normal nem sempre é a carga mecânica mais alta. A parada de emergência pode criar uma força de desaceleração maior, especialmente quando:

• O eixo está se movendo na velocidade máxima;
• A distância de parada é curta;
• Um freio mecânico é acionado repentinamente;
• O centro de carga útil está longe do guia;
• A máquina usa batentes rígidos;
• O controlador perde o perfil de movimento normal.

Blocos-guia, parafusos esféricos, correias, acoplamentos, fixadores e placas de transporte devem ser verificados em relação ao pior caso de parada confiável - não apenas à aceleração normal da produção.

Um exemplo prático de cálculo

Suponha que um eixo linear horizontal tenha:

• Massa móvel total: 25 kg;
• Força motriz utilizável na velocidade necessária: 500 N;
• Resistência estimada de guia e transmissão: 50 N;
• Força de processo externa durante a aceleração: 75 N.

A força de aceleração líquida estimada é:

A aceleração teórica inicial é:

Esta ainda não é uma configuração de máquina aprovada. O engenheiro ainda deve verificar:

• Se 500 N estão disponíveis em toda a faixa de velocidade de aceleração;
• Cargas e momentos equivalentes ao bloco-guia;
• Limites de fuso de esfera, correia ou transmissão;
• Duração do pico de torque do motor;
• Desaceleração de emergência;
• Deflexão e vibração da estrutura;
• Vida útil necessária;
• Margem de segurança de engenharia adequada.

A aceleração operacional pode, portanto, precisar ser definida abaixo do resultado teórico simples.

Por que não existe tabela de aceleração universal

Um valor de aceleração não pode ser selecionado de forma confiável apenas pelo nome do controle deslizante. Dois sistemas que utilizam o mesmo bloco guia podem ter limites completamente diferentes porque a carga útil, o espaçamento dos blocos, o acionamento, o curso e a estrutura da máquina são diferentes.

Processo de seleção e verificação recomendado

1. Identifique a estrutura do controle deslizante.Confirme se se trata de guia de perfil, unidade de eixo redondo, trilho apoiado ou módulo completo.
2. Calcule a massa móvel total.Inclui o carro, ferramentas, carga útil e acessórios móveis.
3. Defina o perfil de movimento.Indique a velocidade, aceleração, desaceleração, jerk, curso e tempo de ciclo.
4. Calcule a força resultante necessária.Inclui fricção, gravidade e cargas de processo externas.
5. Verifique o motor e a transmissão.Use o torque ou força real disponível na faixa de velocidade.
6. Verifique cargas e momentos guia.Inclui carga inercial no centro de gravidade real.
7. Verifique os limites da unidade.Revise a velocidade crítica do parafuso, a velocidade da porca, a carga da correia, o acoplamento e os rolamentos.
8. Verifique a parada de emergência.Use a pior desaceleração esperada e a menor distância de parada permitida.
9. Verifique o ciclo de trabalho e o calor.A capacidade máxima e a capacidade de produção contínua são diferentes.
10. Teste em etapas.Comece com aceleração mais baixa e monitore a vibração, a corrente do motor, a temperatura e o tempo de estabilização.

Erros comuns na seleção de aceleração

• Solicitando aceleração apenas do modelo de bloco guia:A estrutura completa do eixo é necessária.
• Usando apenas massa de carga útil:O carro e as ferramentas também aceleram.
• Usando a potência do motor em vez do empuxo disponível:O torque muda com a velocidade do motor.
• Ignorando o deslocamento do centro de carga:A aceleração pode criar um momento elevado mesmo com uma carga útil leve.
• Verificando a aceleração normal, mas não a parada de emergência:A parada pode criar a carga mais alta.
• Assumir mais pré-carga sempre ajuda:Também aumenta a resistência e o calor.
• Ignorando as limitações de curso curto:O eixo pode não ter distância suficiente para atingir a velocidade alvo.
• Usando lubrificante para corrigir a ligação:Erros de alinhamento devem ser corrigidos mecanicamente.
• Publicando um valor máximo sem condições:A aceleração deve estar ligada à carga, curso, acionamento e ciclo de trabalho.

Quais informações devem ser enviadas ao DLY?

Para avaliar um controle deslizante linear ou módulo para aceleração, forneça:

• Tipo de cursor: trilho perfilado, eixo redondo, trilho apoiado ou módulo completo;
• Trilho, eixo, bloco ou número de modelo existente;
• Massa móvel total e massa útil;
• Posição do centro de carga em relação à guia;
• Instalação horizontal, vertical ou inclinada;
• Curso necessário;
• Velocidade linear máxima;
• Aceleração e desaceleração necessárias;
• Tempo de ciclo e frequência de operação;
• Usinagem externa, prensagem ou força de cabo;
• Fuso de esfera, tipo correia ou outra estrutura de acionamento;
• Informações sobre motor e caixa de câmbio;
• Precisão de posicionamento e tempo de acomodação necessários;
• Desenho da máquina e espaço de instalação disponível.

Para identificar a estrutura correta do produto, revise o DLYpágina de seleção de controle deslizante linear.

Para sistemas de trilhos perfilados de maior rigidez, consulte o DLYfaixa de guia linear. Para um eixo acionado completo, revise osestruturas de módulos lineares.

Resposta Final

Um controle deslizante linear não tem aceleração máxima universal. Um bloco guia simples ou caixa de rolamento linear apenas orienta a carga; sua aceleração permitida depende da transmissão completa, do carro, da carga útil e da estrutura de montagem.

A aceleração inicial pode ser estimada a partir da força resultante dividida pela massa móvel total, mas o resultado também deve satisfazer os limites de carga e momento guia, capacidade do sistema de acionamento, desaceleração de emergência, rigidez, lubrificação, temperatura e requisitos de vida útil.

Para confirmação técnica DLY, envie a estrutura do cursor, massa móvel total, posição central da carga, curso, velocidade, aceleração, ciclo de trabalho, tipo de acionamento e desenho da máquina. Sem estas condições, um valor de aceleração seria incompleto e potencialmente enganoso.

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