A parafuso de esferaeguia linearexecutar funções diferentes no mesmo eixo de movimento. Este guia explica como dimensioná-los e combiná-los com base na carga, velocidade, precisão, curso, rigidez e condições de instalação, em vez de depender de pares de tamanhos fixos.
1. O que o fuso de esferas carrega e o que as guias lineares carregam?
O fuso de esferas e as guias lineares trabalham juntos, mas não suportam as mesmas cargas.
Ofuso de esfera transmite principalmente impulso axial. Dependendo da máquina, isto pode incluir força de aceleração, força de processo, resistência ao atrito e, num eixo vertical, o peso do conjunto móvel.
Oguias lineares suportam e restringem a estrutura móvel. Eles suportam forças verticais e laterais e resistem aos momentos de inclinação, guinada e rolamento criados pela carga, forças externas e deslocamento do centro-de{2}gravidade.
Por esta razão, um fuso de esferas não deve ser tratado como o principal elemento guia radial do eixo. As guias devem controlar o caminho do movimento, enquanto o parafuso fornece principalmente a força motriz.
Importante:Não existe uma regra universal como "um fuso de esfera 1605 deve sempre ser combinado com uma guia linear tamanho 15". A posição da carga, o espaçamento dos trilhos, o espaçamento dos blocos, a velocidade, o curso e a orientação de montagem podem alterar completamente a combinação correta.
2. Entradas de aplicação necessárias antes do dimensionamento
Antes de escolher qualquer componente, colete as condições de operação do eixo completo.
Massa em Movimento
Inclua todos os componentes que se movem com o carro, como mesa, acessório, peça de trabalho, fuso, ferramentas e qualquer equipamento montado no conjunto móvel.
Forças Externas
Identifique forças de corte, prensagem, fixação ou outras forças de processo. A direção e o ponto onde a força atua são importantes porque determinam tanto o impulso do fuso de esferas quanto as cargas de momento guia linear.
Orientação de montagem
Determine se o eixo é horizontal, vertical ou inclinado. Num eixo horizontal, a gravidade é suportada principalmente pelas guias. Em um eixo vertical, a gravidade também se torna uma carga axial contínua no fuso de esferas e no sistema de acionamento.
Curso e comprimento de instalação
O curso efetivo não é igual ao comprimento total do parafuso. Também é necessário espaço para a porca esférica, unidades de suporte, usinagem da extremidade do eixo-e estrutura da máquina.
Velocidade e aceleração
A aceleração cria força inercial de acordo com:
F = m × a
Um eixo pesado pode gerar impulso substancial mesmo em velocidade moderada se a aceleração for alta.
Requisitos de precisão
Defina precisão de posicionamento, repetibilidade, folga permitida ou folga axial e rigidez necessária. O grau de precisão do parafuso deve vir dos requisitos reais de posicionamento da máquina, em vez de simplesmente selecionar o grau mais alto disponível.
Ciclo de trabalho
As horas de operação, os ciclos por hora, a distância percorrida por ciclo e a variação de carga influenciam a vida útil necessária do fuso de esferas e das guias lineares.
3. Dimensione as guias lineares a partir de forças, momentos e espaçamento de blocos
O dimensionamento da guia linear não deve ser baseado apenas no peso total da máquina.
Por exemplo, um conjunto móvel de 500 kg produz uma força gravitacional de aproximadamente:
500 × 9.81 = 4,905 N
Se o eixo utiliza dois trilhos e quatro blocos, dividir 4.905 N igualmente entre quatro blocos fornece apenas um valor estático idealizado. Máquinas reais geralmente têm um centro de gravidade deslocado ou forças externas que criam momentos.
A seleção do guia deve, portanto, considerar:
- espaçamento-a{1}}trilho;
- espaçamento de bloco-a{1}}bloco;
- altura do centro-de{1}}gravidade;
- posição de carga longitudinal e lateral;
- direção da força externa;
- momentos de arremesso, guinada e rolamento.
Aumentar o espaçamento entre os trilhos geralmente melhora a resistência aos momentos de rolamento, enquanto aumentar o espaçamento longitudinal entre os blocos pode melhorar a resistência aos momentos de inclinação e guinada.
Após calcular a distribuição de carga, verifique a classificação de carga dinâmica, a classificação de carga estática, os momentos permitidos e a vida útil exigida do fabricante da guia.
4. Dimensione o fuso de esferas em termos de impulso, vida útil, flambagem e velocidade crítica
Impulso Axial Necessário
Para um eixo horizontal, o impulso do parafuso necessário pode ser estimado a partir da força de aceleração, força externa do processo e resistência mecânica.
Ftotal = Faceleração + Fprocesso + Fresistência
Para um eixo vertical, a gravidade também deve ser incluída. Uma massa em movimento vertical de 500 kg sozinha cria aproximadamente 4.905 N de carga gravitacional antes da aceleração e das forças de processo serem adicionadas.
Vida útil do fuso de esfera
A vida útil do fuso de esferas depende da relação entre a classificação de carga dinâmica do parafuso e a carga operacional axial equivalente. O espectro de carga real deve ser considerado em vez de usar apenas a força máxima.
Flambagem
Fusos de esferas longos submetidos a carga compressiva devem ser verificados quanto à flambagem. Fatores importantes incluem o diâmetro da raiz do parafuso, o comprimento sem suporte, a disposição do suporte e a força de compressão.
Velocidade Crítica
Parafusos giratórios longos também devem permanecer abaixo da velocidade crítica permitida. A rotação necessária do parafuso depende da velocidade linear e do avanço do parafuso.
Um avanço maior pode reduzir a velocidade de rotação do parafuso para a mesma velocidade de deslocamento linear, mas também altera o torque do motor, a vantagem mecânica e a resolução de posicionamento. O diâmetro e o passo devem, portanto, ser selecionados em conjunto.
5. Precisão, pré-carga e rigidez da correspondência
A capacidade de carga por si só não determina se o parafuso e as guias estão corretamente combinados. O eixo completo também deve fornecer a precisão e rigidez necessárias.
Precisão do fuso de esferas
Selecione o grau de precisão do fuso de esferas de acordo com o deslocamento do eixo, tolerância de posicionamento, estratégia de controle e orçamento total de erros da máquina.
Pré-carregar
A pré-carga do parafuso esférico pode reduzir a folga axial e aumentar a rigidez, enquanto a pré-carga da guia pode reduzir o deslocamento sob cargas variáveis. Contudo, a pré-carga excessiva aumenta o atrito, a geração de calor e a sensibilidade a erros de instalação.
O objetivo não é especificar a pré-carga máxima ou a precisão máxima em todos os lugares. O parafuso, as guias, os rolamentos de suporte, o acoplamento, as superfícies de montagem e a estrutura da máquina devem ser selecionados como um sistema mecânico.
6. Verifique o alinhamento da guia do parafuso e a geometria de instalação
Mesmo componentes dimensionados corretamente podem ter um desempenho ruim se o parafuso e as guias forem instalados com desalinhamento excessivo.
Fatores importantes de instalação incluem:
- montagem em trilho-linearidade da superfície;
- paralelismo entre trilhos-guia;
- alinhamento do parafuso esférico;
- apoiar-alinhamento de rolamento;
- precisão de montagem da porca esférica;
- rigidez do carro em movimento.
O mau alinhamento pode aumentar o torque, o calor e o desgaste do acionamento, ao mesmo tempo que reduz a vida útil e o desempenho de posicionamento. Os sistemas pré-carregados geralmente exigem mais precisão da instalação.
7. Exemplo resolvido: um eixo de automação horizontal de 500 kg
Considere um eixo de automação horizontal preliminar com os seguintes requisitos:
| Parâmetro | Exemplo de requisito |
|---|---|
| Massa em movimento | 500kg |
| Orientação | Horizontal |
| Curso eficaz | 1.500 milímetros |
| Velocidade máxima | 500mm/s |
| Aceleração máxima | 1.0 m/s² |
| Arranjo de guia | Dois trilhos, quatro blocos |
Passo 1: Calcular a Força Inercial
A uma aceleração de 1,0 m/s²:
F = 500 × 1.0 = 500 N
Esta é apenas a força de aceleração. A força do processo e a resistência mecânica ainda devem ser adicionadas.
Etapa 2: Calcular a carga guia
O sistema de guia suporta aproximadamente 4.905 N de peso estático. No entanto, as cargas de blocos individuais não podem ser confirmadas até que o espaçamento dos trilhos, o espaçamento dos blocos e a posição do centro-de{4}gravidade sejam conhecidos.
Etapa 3: selecione o arranjo do guia
Calcule as forças e os momentos que atuam em cada bloco usando a geometria real da máquina e, em seguida, selecione uma série de guias e uma configuração de bloco que forneça a capacidade de carga, a capacidade de momento, a rigidez e a vida útil necessárias.
Etapa 4: selecione o fuso de esferas
Determine o impulso axial necessário e verifique o diâmetro do parafuso, avanço, capacidade de carga dinâmica, vida útil esperada, velocidade crítica e flambagem quando aplicável.
Este exemplo deliberadamente não especifica um tamanho fixo de parafuso ou guia porque a geometria ausente e os dados de força-do processo podem alterar materialmente a seleção final.
8. Erros comuns de correspondência
Usando um parafuso fixo-na-tabela de tamanho de guia
Não existe uma relação universal-para{1}}entre o diâmetro do parafuso esférico e o tamanho da guia linear.
Seleção de guias apenas com base no peso da máquina
O deslocamento do centro-de{1}gravidade e os momentos externos podem criar cargas muito maiores em blocos individuais do que um simples cálculo de peso sugere.
Selecionando um fuso de esferas apenas com base na capacidade de carga
Um parafuso pode ter capacidade de carga axial suficiente, mas ainda assim falhar nos requisitos críticos de {{0}velocidade, flambagem, avanço ou comprimento de instalação-da aplicação.
Ignorando a aceleração
A aceleração pode criar cargas substanciais de empuxo e momento, principalmente em eixos pesados e de{0}ciclos altos.
Usando o fuso de esferas como guia
As guias lineares devem controlar o caminho do movimento. O parafuso esférico deve transmitir principalmente força de acionamento axial.
Especificando pré-carga excessiva
Mais pré-carga nem sempre é melhor. A pré-carga excessiva aumenta o atrito, o calor e a sensibilidade a erros de montagem.
9. Lista de verificação de RFQ para um fuso de esferas completo e sistema de guia linear
Para uma seleção preliminar de fuso de esferas e guia linear, forneça:
- Massa móvel e força de processo externa
- Montagem horizontal, vertical ou inclinada
- Curso eficaz
- Velocidade e aceleração máximas
- Precisão de posicionamento e repetibilidade
- Horas de operação diárias e frequência de ciclo
- Comprimento disponível de instalação do parafuso esférico
- Número de trilhos e blocos
- Espaçamento entre trilhos e espaçamento entre blocos
- Posição do centro-de{1}gravidade, se disponível
- Ambiente de trabalho
- Protótipo e quantidade de produção
Um desenho de máquina ou um layout de eixo simples é especialmente útil quando a carga está deslocada da linha central da guia.
Conclusão
Combinar um fuso de esfera e uma guia linear não é uma questão de combinar dois tamanhos de catálogo.
As guias lineares devem ser selecionadas de acordo com forças, momentos, distribuição de carga, geometria e vida útil necessária. O fuso de esferas deve ser selecionado de acordo com o impulso axial, vida útil, diâmetro, avanço, velocidade crítica, flambagem e requisitos de posicionamento.
A combinação final deve então ser verificada como um sistema completo quanto à rigidez, precisão, alinhamento e condições de instalação.
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