Um eixo de máquina vertical pode parar com precisão enquanto o motor está ligado e ainda se tornar inseguro no momento em que a energia é removida. A razão é simples: um fuso de esferas pode suportar e mover uma carga vertical quando dimensionado corretamente, mas seu contato de rolamento eficiente normalmente permite que a carga acione o parafuso no sentido inverso.
Para uma verticalparafuso de esferaeixo, capacidade de carga e suporte de carga são, portanto, duas questões de projeto diferentes. O parafuso, a porca, os rolamentos de suporte e o motor devem suportar a força operacional, enquanto um freio ou outro dispositivo independente deve controlar o movimento descendente não intencional durante uma perda de energia, parada de emergência ou falha do inversor.
Esta distinção é importante em eixos Z CNC, mesas elevatórias, estações de embalagem vertical, equipamentos de inspeção, máquinas de montagem e outros sistemas onde a gravidade atua continuamente sobre a massa em movimento.
Capacidade de carga vertical
Um fuso de esferas pode transportar e posicionar uma carga vertical dentro de seus limites de carga axial, vida útil, velocidade e rigidez. No entanto, normalmente não deve ser tratado como um dispositivo-de travamento automático. Quando o torque de acionamento desaparece, a gravidade aplica força axial à porca. Como o contato rolante produz baixo atrito, essa força axial pode gerar torque reverso e girar o parafuso.
A resposta prática:um parafuso esférico pode suportar uma carga vertical, mas o eixo completo precisa de um método-de retenção de carga verificado se a descida descontrolada puder danificar a máquina ou ferir uma pessoa.
O torque de retenção do motor pode manter a posição enquanto o inversor permanece energizado. Não fornece a mesma proteção após perda de energia elétrica. Da mesma forma, uma porca pré-carregada melhora a rigidez axial e reduz a folga, mas não torna o fuso de esferas autotravante-confiável.
Por que ocorre backdrive
Um fuso de esfera é projetado para converter a rotação do motor em movimento linear eficiente. O mesmo mecanismo pode funcionar ao contrário: a força axial na porca pode produzir rotação no eixo do parafuso. Isso é conhecido como retrocesso.
A tendência de retroceder é influenciada por vários fatores:
- Liderar:um avanço maior geralmente produz mais torque reverso para a mesma carga axial.
- Eficiência reversa:o contato rolante eficiente torna o movimento reverso mais fácil do que seria com um parafuso deslizante de alto-fricção.
- Massa em movimento:a mesa, as ferramentas, a peça de trabalho e os mecanismos anexados contribuem para a carga de gravidade.
- Aceleração e desaceleração:a força dinâmica pode exceder a força causada apenas pela gravidade.
- Força de processo externa:forças de corte, pressão ou manuseio podem atuar com ou contra a gravidade.
- Perdas-de trens:vedações, rolamentos, guias e motor adicionam resistência, mas essa resistência variável não deve ser usada como freio de segurança.
A direção da linha não resolve o problema. Um parafuso-esquerdo inverte a relação entre a rotação do parafuso e o deslocamento da porca, mas a gravidade ainda pode desviá-lo na direção de rotação correspondente.
Força Gravitacional e Torque Reverso
A primeira estimativa é a força descendente criada pela massa total em movimento:
onde Fgé a força da gravidade em newtons, m é a massa móvel total em quilogramas e g é aproximadamente 9,81 m/s².
Um torque reverso aproximado no eixo do parafuso pode então ser expresso como:
onde Tvoltaré o torque reverso em N·m, F é a força axial em newtons, P é o avanço do parafuso em metros por revolução e ηré a eficiência reversa.
Por exemplo, um conjunto móvel de 120 kg produz cerca de 1.177 N de força gravitacional. Com um avanço de 10 mm e uma eficiência reversa assumida de 0,85, o torque gerado-pela gravidade estimado é de aproximadamente 1,59 N·m:
Esta é apenas uma estimativa da gravidade. O dimensionamento do freio e do motor também deve considerar a aceleração, a força do processo, a relação de transmissão, a inércia dos componentes, a variação da eficiência, o tempo de parada necessário e um fator de segurança apropriado. O freio selecionado deve ser verificado usando o torque de retenção permitido pelo fabricante, o serviço de parada-de emergência, o tempo de acionamento e os dados de vida útil-de serviço.
Carregar-métodos de retenção
| Método | Função principal | Limitação importante |
|---|---|---|
| Torque de retenção do servo | Mantém a posição comandada enquanto o inversor está energizado e controlando o motor. | Não é um dispositivo de retenção-de desligamento independente. |
| Freio de retenção do motor | Mantém o eixo após o motor parar ou a alimentação ser removida. | Muitos freios de retenção não se destinam a absorver repetidas paradas-de velocidade total. |
| Freio ou braçadeira do eixo | Atua diretamente no eixo ou trilho móvel e pode fornecer restrição independente. | A instalação, o monitoramento de liberação e a energia de parada permitida devem ser verificados. |
| Contrapeso ou contrapeso | Reduz a carga líquida de gravidade, o torque do motor e a demanda de retenção do freio. | Reduz o desequilíbrio, mas não fornece automaticamente uma função de segurança completa. |
| Dispositivo de segurança secundário | Captura ou restringe a carga se o acionamento ou freio primário falhar. | A sua adequação depende da avaliação de risco da máquina e do desempenho de segurança exigido. |
Uma sequência de controle comum é manter o servo energizado enquanto o freio é liberado, mover o eixo, parar sob controle do servo, aplicar o freio e só então remover o torque do motor. Liberar o freio antes que o motor tenha estabelecido o torque de retenção pode permitir uma queda curta, mas prejudicial. A lógica de temporização e feedback deve ser verificada durante o comissionamento sob a carga máxima esperada.
Condições de força do eixo vertical
Um cálculo correto do eixo-vertical separa as diferentes condições operacionais em vez de verificar apenas o peso estático.
| Doença | Consideração de força | Verificação de projeto |
|---|---|---|
| Estacionário | Gravidade e qualquer força de processo sustentada | Capacidade de retenção do freio e carga axial estática |
| Acelerando para cima | Gravidade mais força de aceleração e atrito | Torque máximo do motor e carga máxima do parafuso |
| Movendo-se em velocidade constante | Gravidade, fricção e força de processo | Torque contínuo do motor e serviço térmico |
| Movimento descendente controlado | A gravidade aciona o eixo enquanto o motor regula a descida | Operação regenerativa, capacidade de acionamento e controle de sobrevelocidade |
| Perda de energia ou falha | Força de gravidade descontrolada até que a restrição seja acionada | Resposta do freio, distância de parada e proteção secundária |
A carga axial média durante um ciclo de trabalho é usada para o cálculo da vida útil do fuso de esferas, enquanto a carga operacional mais alta deve permanecer dentro dos limites estáticos e dinâmicos aplicáveis. Eles são separados do cálculo do-freio de retenção.
Orientação do parafuso e suporte final
Quando o layout da máquina permitir, colocar o rolamento fixo e a extremidade de acionamento acima da porca móvel pode manter uma maior tensão do parafuso sob a gravidade. Um parafuso carregado principalmente em tração não está sujeito à flambagem da coluna da mesma forma que um parafuso longo empurrado em compressão.
Se a carga vertical colocar o eixo em compressão, o diâmetro da raiz, o comprimento não suportado e a condição de{0}suporte final deverão ser verificados. Isto é abordado separadamente nocálculo de flambagem de parafuso de esfera. O parafuso também deve ser verificado quanto à velocidade crítica, capacidade de suporte-e alinhamento.
Um arranjo típico de parafuso giratório-usa uma unidade de rolamento fixa na extremidade do acionamento para controlar a posição axial e radial, com um rolamento de suporte na extremidade oposta para permitir uma rotação estável. O arranjo real do suporte deve corresponder à usinagem da extremidade-do eixo, à velocidade, à carga axial e à rigidez necessária.
Erros comuns de projeto
- Supondo que um servo estacionário seja um freio-de desligamento:o torque de controle desaparece quando o inversor não consegue fornecer energia.
- Usando a pré-carga como recurso de segurança:a pré-carga melhora a rigidez e o desempenho de folga, não mantendo a carga confiável.
- Selecionando um freio apenas com torque de gravidade:energia de parada de emergência, atraso de engate e carga dinâmica máxima podem governar a seleção.
- Ignorando a massa total em movimento:ferramentas, acessórios, peças de trabalho, cabos e mecanismos auxiliares devem ser incluídos.
- Verificando apenas a classificação de carga do parafuso:vida útil da porca, empenamento do eixo, rolamentos de apoio, torque do motor, capacidade de acoplamento e desempenho do freio são limites diferentes.
- Aplicando o freio durante cada parada normal-de alta velocidade:um freio de retenção pode desgastar-se rapidamente se usado como freio de serviço, a menos que seja especificamente classificado para essa função.
Conclusão
Um fuso de esferas pode mover e suportar uma carga vertical, mas a alta eficiência de transmissão também torna possível o retrocesso. O design confiável do eixo-vertical, portanto, separa o controle de movimento da retenção de carga. O parafuso e o motor controlam o movimento normal; o freio, braçadeira ou outra restrição controla a carga quando o torque não está disponível.
O projeto deve levar em conta a massa móvel total, o avanço, o torque reverso, a aceleração, a força do processo, a resposta do freio e o arranjo-de suporte final. A pré-carga e a direção da rosca não devem ser tratadas como substitutos de um freio verificado. Quando a descida não intencional criar um perigo significativo, um dispositivo secundário independente deverá ser selecionado através da avaliação formal de riscos da máquina.
Referências
- ISO 3408-1, Fusos de Esferas - Vocabulário e Designação.
- Catálogo técnico geral de fusos de esferas, seções que abrangem relações de impulso-para{1}}torque, eficiência reversa, unidades de suporte e flambagem do-eixo do parafuso.
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