Limiti di velocità e accelerazione dei moduli lineari con cinghia dentata

Moduli lineari a cinghia dentatasono noti per il movimento ad alta velocità e corsa lunga, ma la velocità massima indicata in un catalogo è solo una parte del limite prestazionale reale. In una macchina operatrice, l'accelerazione, la tensione della cinghia, la lunghezza libera della cinghia, la velocità della puleggia, la massa del carrello, la rigidità della guida, la risonanza strutturale e la resistenza del cavo influiscono tutti sulla velocità con cui l'asse può funzionare in modo affidabile.

Questo è il motivovelocità del modulo lineare della cinghia dentatadovrebbe essere valutato come una condizione del sistema piuttosto che come un numero isolato. Un asse può essere meccanicamente capace di raggiungere un'elevata velocità di picco ma soffrire comunque di sbattimenti della cinghia, vibrazioni, scarso assestamento o domanda eccessiva del motore quando l'accelerazione è troppo aggressiva.

Questa guida spiega i limiti pratici di velocità e accelerazione dei moduli della cinghia di distribuzione e mostra come diagnosticare e migliorare le prestazioni ad alta velocità.

La velocità massima non corrisponde alla velocità di produzione utilizzabile

La velocità massima stabilita dal produttore indica generalmente la capacità operativa superiore di un modulo specifico in condizioni definite.

Potrebbe essere necessario ridurre la velocità di produzione effettiva a causa di:

• Carico utile
• Requisito di accelerazione
• Lunghezza della corsa
• Tensione della cinghia
• Coppia del motore in velocità
• Dinamica della guida e del carrello
• Rigidità del telaio della macchina
• Resistenza portacavi
• Tempo di assestamento richiesto

Regola pratica:una velocità massima utile è la velocità massima che l'asse completo può ripetere durante il ciclo di lavoro richiesto mantenendo gli obiettivi di posizionamento, vibrazione, temperatura e durata di servizio.

Cosa limita effettivamente la velocità del modulo cinghia di distribuzione?

La velocità lineare e la velocità della puleggia sono direttamente correlate

La velocità del carrello è determinata dalla velocità di rotazione della puleggia e dalla circonferenza del passo della puleggia.

Concettualmente:

v = ω × r

oppure, utilizzando la velocità di rotazione della puleggia:

v = π × D × n ÷ 60

Dove:

• v= velocità lineare in m/s
• D= diametro primitivo della puleggia in m
• N= velocità della puleggia in giri/min

Una puleggia più grande produce una corsa più lineare per giro, quindi è possibile ottenere la stessa velocità del carrello a un numero di giri del motore inferiore.

Perché una puleggia più grande non risolve automaticamente i problemi ad alta velocità

Una puleggia più grande riduce la velocità di rotazione a parità di velocità lineare, ma aumenta anche la coppia richiesta per la stessa spinta lineare.

Per trasmissione a cinghia:

T = F × r ÷ h

Ciò significa che la dimensione della puleggia crea un compromesso velocità-coppia:

• Puleggia più grande: giri più bassi, richiesta di coppia più elevata
• Puleggia più piccola: numero di giri più elevato, richiesta di coppia inferiore

La puleggia più piccola è inoltre limitata dalla fatica alla flessione della cinghia e dai requisiti minimi di impegno dei denti.

L'accelerazione spesso limita il tempo di ciclo reale prima che lo faccia la velocità massima

Molti assi con cinghia di distribuzione funzionano su corse brevi o medie. Il carrello può trascorrere poco o nessun tempo alla massima velocità prima che inizi la decelerazione.

In questo caso l’accelerazione è più importante della velocità massima nominale.

La forza di accelerazione è:

F_acc= m×a

dove la massa in movimento comprende il carico utile del carrello, gli impianti, gli assi superiori, i cavi in ​​movimento e altre apparecchiature collegate.

Un semplice esempio

Un'unità in movimento di 12 kg accelera a 5 m/s²richiede:

F_acc= 12×5 = 60N

Questo prima di aggiungere resistenza di guida, trascinamento del cavo o forza di processo.

Perché l'elevata accelerazione è più difficile per la cintura

Una maggiore accelerazione aumenta la differenza di tensione della cinghia tra il lato di guida e quello di ritorno.

Ciò può portare a:

• Maggiore elasticità della cintura elastica
• Carico sui denti maggiore
• Più vibrazioni del carrello
• Carico maggiore sul cuscinetto della puleggia
• Richiesta di coppia motore più elevata
• Più stress durante l'inversione

Pertanto, un modulo può raggiungere in sicurezza un'elevata velocità costante ma avere difficoltà quando viene comandato di raggiungere quella velocità troppo rapidamente.

I limiti di accelerazione sono solitamente limiti di sistema

Raramente esiste un limite di accelerazione universale per tutti i moduli della cinghia di distribuzione.

Il limite pratico dipende da:

• Massa in movimento
• Larghezza e rigidità della cinghia
• Pretensionamento della cinghia
• Diametro della puleggia
• Coppia di picco del motore
• Precarico guida
• Geometria del carrello
• Rigidità del telaio
• Sporgenza dell'utensileria

Lo stesso modulo può quindi avere capacità di accelerazione molto diverse con carichi utili diversi.

Cos'è la frusta a cintura?

Frusta a cinturaè un'oscillazione visibile o dinamica di un tratto libero della cinghia durante il movimento ad alta velocità, una rapida accelerazione o un'inversione.

Può apparire come:

• Sbattimento della cintura verticale
• Vibrazioni laterali della cinghia
• Schiaffi o ronzii udibili
• Contatto periodico con le coperture
• Movimento instabile dopo l'inversione

La frusta a cinghia non è solo un problema di rumore. Forti oscillazioni possono compromettere l'innesto dei denti, la coerenza del posizionamento e la durata della cinghia.

Quali sono le cause della frusta a cintura?

Le cause comuni includono:

• Lunghe campate della cinghia non supportate
• Tensione della cinghia insufficiente
• Velocità del nastro molto elevata
• Rapida accelerazione e decelerazione
• Eccitazione vicino ad una frequenza naturale
• Disallineamento della puleggia
• Tracciamento irregolare del nastro

La corsa lunga aumenta la sensibilità

All'aumentare della lunghezza libera della cinghia, la cinghia può comportarsi più come un elemento vibrante flessibile. Questo è uno dei motivi per cui gli assi a corsa lunga richiedono maggiore attenzione alla tensione e ai test dinamici.

La tensione della cinghia influisce fortemente sulla stabilità ad alta velocità

Se la tensione è troppo bassa

I possibili effetti includono:

• Frusta a cintura
• Salto del dente
• Scarsa ripetibilità dell'inversione
• Aumento del rumore

Se la tensione è troppo alta

I possibili effetti includono:

• Carico maggiore sul cuscinetto della puleggia
• Richiesta di coppia motore più elevata
• Affaticamento accelerato della cinghia
• Aumento del carico strutturale

Accordare ad alta velocità non significa stringere la cinghia il più possibile.Utilizza la pretensione specificata e conferma il comportamento in modo dinamico.

Le vibrazioni possono provenire da qualcosa di più della cinghia

Quando l'asse di una cinghia ad alta velocità vibra, la cinghia è solo una possibile fonte.

Altre fonti includono:

• Telai macchina flessibili
• Traverse lunghe
• Utensili sporgenti
• Portacavi
• Supporti motore allentati
• Precarico guida
• Regolazione del servo
• Eccentricità della puleggia o dell'albero

Un telaio meccanicamente flessibile non può essere corretto completamente mediante la regolazione del controllo.

La risonanza strutturale può diventare il vero limite di velocità

Ogni struttura meccanica ha frequenze naturali. Se i comandi di accelerazione o le forze periodiche della cinghia eccitano una di queste frequenze, le vibrazioni possono aumentare notevolmente.

Ciò può influenzare:

• Tempo di assestamento
• Ripetibilità della posizione
• Rumore
• Qualità del percorso utensile
• Vita del dispositivo di fissaggio

I portali larghi e i telai lunghi delle macchine sono particolarmente sensibili perché i loro primi modi strutturali possono verificarsi a frequenze relativamente basse.

Il tempo di assestamento fa parte delle prestazioni ad alta velocità

Un asse ad alta velocità non è utile se la macchina deve attendere molto tempo dopo ogni movimento.

Il tempo di ciclo effettivo è:

Tempo di ciclo = accelerazione + corsa + decelerazione + assestamento + tempo di processo

Se un'accelerazione maggiore riduce il tempo di spostamento di 50 ms ma aggiunge 100 ms di assestamento delle vibrazioni, la macchina diventa complessivamente più lenta.

Gli assi a corsa breve e a corsa lunga si comportano diversamente

Questo è il motivo per cui la velocità massima di un catalogo non può descrivere tutte le applicazioni allo stesso modo.

Applicazioni Pick-and-Place ad alta velocità

Le apparecchiature pick-and-place utilizzano spesso moduli a cinghia di distribuzione a causa della massa in movimento ridotta e della capacità di inversione rapida.

Le principali variabili di progettazione sono:

• Distanza di spostamento breve
• Accelerazione elevata
• Massa utensile ridotta
• Decantazione rapida
• Elevato numero di inversioni

Per questo tipo di applicazione, l'accelerazione e la rigidità spesso contano più della velocità massima finale.

Domande di trasferimento per viaggi lunghi

I trasferimenti lunghi sul lato trasportatore, i sistemi a portale e gli assi di movimentazione dei materiali possono trascorrere più tempo a velocità costante.

I controlli importanti includono:

• Classe di velocità del nastro
• Giri/min della puleggia
• Capacità del motore a velocità continua
• Vibrazioni della cinghia
• Stabilità della portacavi
• Supporto a trave lunga

Stampa e scansione ad alta velocità

Le applicazioni di stampa, rivestimento e ispezione possono richiedere che il carrello si muova a velocità stabile attraverso una zona di processo.

Per queste applicazioni, la qualità della velocità conta tanto quanto la grandezza della velocità.

Controllo:

• Ondulazione della velocità
• Errore di inseguimento del servo
• Elasticità della cintura
• Guida rettilineità
• Vibrazioni strutturali

La coppia del motore diminuisce con la velocità

La capacità del motore deve essere verificata al numero di giri effettivamente richiesto dalla puleggia.

Ciò è particolarmente importante per i motori passo-passo, la cui coppia disponibile solitamente diminuisce in modo significativo all'aumentare della velocità.

I servosistemi hanno anche limiti di coppia continua e di picco e una velocità massima finita.

Il dimensionamento ad alta velocità dovrebbe quindi utilizzare:

• Giri/min puleggia richiesti
• Curva coppia-velocità del motore
• Coppia di picco durante l'accelerazione
• Coppia RMS durante il ciclo
• Limiti di tensione e corrente di comando

La potenza del motore da sola non definisce la velocità massima

Un motore con più watt non rende automaticamente l'asse più veloce.

La velocità massima può ancora essere limitata da:

• Giri motore
• Dimensioni della puleggia
• Classe di velocità del nastro
• Dinamica della guida
• Risonanza strutturale
• Portacavi

La larghezza e la rigidità della cinghia influenzano l'accelerazione

Una cintura più larga o più rigida può ridurre l'allungamento elastico sotto forza dinamica.

Questo può migliorare:

• Comportamento inverso
• Stabilirsi
• Posizionamento dinamico
• Controllare la stabilità

Tuttavia, l'aumento della larghezza della cinghia aumenta anche la larghezza della puleggia e può influire sui costi, sull'allineamento e sulle dimensioni del modulo.

Il diametro della puleggia deve bilanciare velocità, coppia e durata della cinghia

La selezione della puleggia dovrebbe soddisfare tutti i seguenti requisiti:

• Velocità lineare richiesta
• Capacità di giri del motore
• Spinta richiesta
• Raggio minimo di curvatura del nastro
• Sono richiesti denti impegnati
• Limiti di rilevamento

Non esiste un singolo diametro della puleggia che massimizzi ogni parametro di prestazione.

Precarico guida e resistenza all'avanzamento

Un precarico della guida più elevato può migliorare la rigidità, ma aumenta anche la resistenza al rotolamento e il calore.

Ad alta velocità, il precarico eccessivo può aumentare:

• Domanda motoria
• Temperatura guida
• Indossare

La guida dovrebbe essere selezionata in base alla rigidità e al carico richiesti anziché utilizzare automaticamente il precarico più elevato disponibile.

Le catene portacavi possono diventare un carico dinamico importante

A bassa velocità, la resistenza del cavo può sembrare insignificante. Ad alta velocità e accelerazione, la catena portacavi può diventare una delle principali fonti di forza e vibrazioni.

Controllo:

• Massa del portatore
• Raggio di curvatura
• Velocità massima di viaggio
• Accelerazione massima
• Intervallo non supportato
• Riempimento e disposizione dei cavi

Il più velocemodulo linearenella macchina può ancora essere limitata dal sistema di cavi ad essa collegato.

In che modo i profili di movimento influiscono sulle vibrazioni

Un profilo di velocità trapezoidale brusco può suscitare più vibrazioni di un profilo più fluido.

Il movimento con curva a S o limitato allo strappo può ridurre la velocità di variazione dell'accelerazione e contribuire a diminuire:

• Eccitazione del fotogramma
• Vibrazioni della cinghia
• Oscillazione dell'utensile
• Tempo di assestamento

Il profilo migliore dipende dal tempo di ciclo e dalla sensibilità del processo.

Come aumentare la stabilità ad alta velocità

1. Ridurre la massa in movimento

Utilizza strumenti leggeri, staffe compatte e instradamento dei cavi ottimizzato.

2. Utilizzare la corretta tensione della cinghia

Mantenere la pretensione specificata anziché stringere al tatto.

3. Aumentare la rigidità strutturale

Rafforzare basi, traverse e supporti per attrezzature.

4. Utilizzare una larghezza della cinghia e una rigidità alla trazione adeguate

Ciò riduce la risposta elastica in accelerazione.

5. Selezionare la dimensione della puleggia come variabile di sistema

Bilanciare il numero di giri del motore, la spinta, l'innesto dei denti e la durata di flessione.

6. Migliorare la corrispondenza del motore e del servo

Controllare le prestazioni di coppia-velocità e l'inerzia piuttosto che la sola potenza del motore.

7. Ottimizza il profilo di movimento

Utilizzare il controllo dello strappo o un'accelerazione più fluida laddove le vibrazioni limitano la produttività.

8. Migliora la gestione dei cavi

Ridurre la variazione di resistenza ed evitare la risonanza del portacavi.

9. Prova a corsa massima e carico reale

Il comportamento della cinghia lunga potrebbe non essere visibile durante i test al banco a corsa breve.

Segnali che l’Asse viene gestito in modo troppo aggressivo

• Sbattimento o frusta visibile della cintura
• Eventi ripetuti di salto dei denti
• Aumento della corrente del motore
• Servo seguendo gli allarmi
• Tempo di assestamento più lungo
• Nuova vibrazione o risonanza
• Usura del bordo della cintura
• Rumore del cuscinetto della puleggia
• Guidare l'aumento della temperatura
• La ripetibilità del posizionamento diventa dipendente dal carico

Questi sintomi dovrebbero essere studiati prima di aumentare ulteriormente la velocità.

Come determinare una velocità massima pratica

1. Confermare la classificazione di velocità del produttore del modulo.
2. Calcolare il numero di giri della puleggia alla velocità lineare target.
3. Controllare la coppia e il numero di giri del motore in quel punto operativo.
4. Controllare la velocità della cinghia e i limiti della puleggia.
5. Verificare i limiti di velocità e accelerazione della catena portacavi.
6. Percorri l'asse con la massa reale in movimento.
7. Prova la corsa completa.
8. Misurare le vibrazioni, l'assestamento e la richiesta del motore.
9. Ripetere durante il ciclo di lavoro reale.
10. Impostare il limite di produzione al di sotto dell'inizio del comportamento instabile.

Come determinare un limite pratico di accelerazione

1. Calcolare la forza di accelerazione richiesta.
2. Controllare la coppia di picco del motore.
3. Controllare il dente della cinghia e la capacità di trazione.
4. Controllare i carichi sulla puleggia e sui cuscinetti.
5. Valutare l'allungamento e il posizionamento della cintura.
6. Misurare vibrazioni e assestamenti.
7. Controllare la rigidità della guida e della struttura.
8. Confermare le prestazioni ripetute durante il ciclo di lavoro.

Cosa serve a QRXQ per valutare il movimento del nastro ad alta velocità

• Colpo richiesto
• Massa in movimento
• Obiettivo velocità massima
• Obiettivo accelerazione
• Tempo di ciclo
• Frequenza di inversione
• Profilo e larghezza del nastro
• Conteggio dei denti della puleggia o diametro primitivo
• Modello del motore
• Installazione orizzontale, verticale o a portale
• Ripetibilità richiesta
• Configurazione portacavi

Il vero limite di alta velocità di un modulo cinghia di distribuzione è un limite di sistema.La velocità del nastro, il numero di giri del motore, la forza di accelerazione, le vibrazioni, la struttura e la dinamica del cavo devono rimanere tutti entro una finestra operativa stabile.

QRXQ valuta la velocità e l'accelerazione del modulo lineare della cinghia di distribuzione dal profilo di movimento completo anziché fare affidamento solo sulla velocità più alta mostrata in un catalogo.