Modulo lineare con cinghia dentata o cilindro elettrico: quale scegliere?

UNmodulo lineare cinghia dentatae uncilindro servoelettricopossono entrambi creare un movimento lineare programmabile, ma sono progettati attorno a priorità meccaniche diverse. Uno stadio con trasmissione a cinghia è solitamente ottimizzato per corse lunghe, alta velocità e posizionamenti ripetuti, mentre un cilindro elettrico è solitamente ottimizzato per la generazione di spinta compatta, la spinta, la pressione, il sollevamento o la sostituzione di cilindri pneumatici e idraulici.

Ciò significa che raramente la scelta giusta è “quale attuatore è migliore?” La domanda più utile è se l’applicazione è dominata dalla corsa e dalla velocità, oppure dalla spinta e dalla rigidezza assiale.

Questa guida confronta aModulo cinghia di distribuzione vs cilindro elettricoattraverso velocità, corsa, carico, spinta, precisione, rigidità, installazione, manutenzione, ciclo di vita e costi, quindi fornisce una guida pratica alla selezione per le attività di automazione più comuni.

Risposta rapida: quando dovresti sceglierli ciascuno?

Regola pratica:scegliere il modulo cinghia di distribuzione quando l'asse deve principalmente spostare qualcosa rapidamente su una distanza. Scegliere il cilindro elettrico quando l'asse necessita principalmente di generare forza assiale controllata su una corsa più breve.

Cos'è un modulo lineare per cinghia dentata?

Un modulo lineare con cinghia di distribuzione utilizza una cinghia dentata e pulegge per convertire il movimento del motore rotatorio in una corsa del carrello lungo una guida lineare.

Le sue caratteristiche chiave di solito includono:

• Capacità di viaggio lungo
• Alta velocità lineare
• Bassa inerzia di movimento
• Inversione veloce
• Facile integrazione XY, XZ e XYZ
• Buona ripetibilità per l'automazione

La cinghia fornisce la forza motrice mentre la guida lineare trasporta il carico utile e controlla il movimento rettilineo.

Cos'è un cilindro servoelettrico?

Un servocilindro elettrico solitamente combina un servomotore, un meccanismo a vite, cuscinetti e un'asta o una struttura di uscita guidata per produrre estensione e retrazione lineare controllata.

Viene spesso utilizzato quando una macchina necessita di corsa, forza e velocità programmabili in una forma compatta simile a un cilindro.

Le applicazioni tipiche includono:

• Premendo
• Bloccaggio
• Sollevamento
• Spingendo
• Inserimento
• Sostituzione controllata in posizione di cilindri pneumatici

La differenza meccanica spiega la maggior parte della differenza di prestazioni

Il modulo cinghia di distribuzione trasmette il movimento attraverso una cinghia flessibile. Il cilindro elettrico solitamente trasmette il movimento attraverso una vite e un dado.

Ciò crea un compromesso fondamentale:

• Trasmissione a cinghia:privilegia la velocità, la corsa lunga e la massa in movimento ridotta.
• Cilindro a vite:favorisce la spinta, la rigidezza assiale e la forza controllata.

Molte delle differenze successive in termini di precisione, ciclo di vita e costi derivano da questa architettura meccanica di base.

Confronto di velocità

I moduli della cinghia di distribuzione sono generalmente robusti nei trasferimenti ad alta velocità perché la cinghia può circolare attorno alle pulegge senza richiedere che un lungo albero a vite ruoti ad alti regimi.

Ciò li rende attraenti per:

• Scegli e posiziona
• Trasferimento vassoio
• Confezione
• Movimentazione materiali ad asse lungo
• Movimento rapido del portale

La velocità del cilindro elettrico è spesso maggiormente vincolata dal passo della vite, dalla velocità critica della vite, dai limiti della chiocciola e dal numero di giri del motore.

La corsa breve cambia il confronto

Con una corsa molto breve, il cilindro può comunque raggiungere un tempo ciclo eccellente poiché non è necessario che raggiunga le velocità estreme associate ad assi di trasferimento lunghi.

Pertanto, la velocità massima dovrebbe essere confrontata con la distanza di spostamento e l'accelerazione effettive.

Accelerazione e tempo di ciclo

Un carrello a nastro leggero può accelerare rapidamente, il che è utile per cicli di indicizzazione e pick-and-place ripetuti.

Anche i cilindri elettrici possono accelerare rapidamente, ma l'inerzia in movimento della vite, del dado, dell'asta e del motore può diventare più importante a seconda dell'architettura.

Per cicli brevi confrontare:

• Tempo di accelerazione
• Tempo a velocità costante
• Tempo di decelerazione
• Tempo di assestamento
• Tempo di permanenza del processo

Regola del tempo di ciclo:non confrontare solo la velocità massima del catalogo. L'attuatore più veloce è quello che completa prima l'intero ciclo di movimento e processo.

Confronto dei colpi

I moduli della cinghia di distribuzione sono generalmente più facili da adattare alle corse lunghe.

Questo è uno dei loro principali vantaggi perché:

• La cintura stessa può coprire lunghe distanze.
• Il sistema non si basa su una lunga vite rotante.
• Le strutture a portale lunghe sono relativamente semplici.

I cilindri elettrici sono generalmente più compatti nelle corse più brevi, ma le corse della vite molto lunghe possono diventare più pesanti e più difficili da imballare.

Confronto di spinta

I cilindri elettrici sono spesso la scelta più efficace quando il processo richiede una forza assiale notevole.

La trasmissione a vite può convertire in modo efficiente la coppia del motore in un'elevata spinta lineare, rendendola adatta per:

• Raccordo a pressare
• Bloccaggio
• Formatura o compressione
• Spinta pesante
• Sollevamento controllato

Anche i moduli della cinghia di distribuzione possono produrre una spinta utile, ma la capacità dei denti della cinghia, il carico di trazione della cinghia, le dimensioni della puleggia e la rigidità della cinghia diventano presto fattori limitanti in molte applicazioni a forza elevata.

Il carico utile non è la stessa cosa della spinta

Un modulo cinghia di distribuzione può supportare un carico utile notevole perché la sua guida lineare trasporta il carico, mentre la cinghia fornisce solo il movimento.

Un cilindro elettrico può generare una spinta elevata ma richiedere comunque una guida esterna se il carico produce grandi forze laterali o momenti.

Ciò significa:

• Il carico utile del modulo cinghia di distribuzione dipende fortemente dalla capacità e dai momenti della guida.
• La spinta del cilindro elettrico dipende fortemente dalla capacità della vite e del motore.
• Il carico laterale deve essere controllato separatamente per entrambi.

Precisione e ripetibilità

Entrambi i tipi di attuatori possono essere utilizzati per un posizionamento preciso, ma i loro meccanismi di errore differiscono.

Modulo cinghia di distribuzione

La precisione è influenzata da:

• Elasticità della cintura
• Variazione del passo della cinghia
• Diametro primitivo della puleggia
• Tensione
• Variazione del carico
• Posizione del feedback

Cilindro elettrico

La precisione è influenzata da:

• Errore del cavo della vite
• Gioco o precarico
• Supporto cuscinetto
• Crescita termica
• Encoder e risoluzione del controllo

Per un posizionamento assoluto elevato in condizioni di carico variabile, un cilindro a vite presenta spesso un vantaggio in termini di rigidità. Per l'automazione con posizione di apprendimento ad alta velocità, uno stadio a nastro può fornire un'eccellente ripetibilità pratica.

Quale ha una migliore ripetibilità?

Non esiste un vincitore universale perché la ripetibilità dipende dalla progettazione effettiva del prodotto.

Un modulo cinghia adeguatamente tensionato con carico stabile può ripetersi molto bene. Un cilindro a vite precaricato può anche fornire un'eccellente ripetibilità.

Il confronto corretto dovrebbe utilizzare i dati reali del produttore in condizioni comparabili, tra cui:

• Colpo
• Carico utile
• Direzione di avvicinamento
• Temperatura
• Sistema di feedback

Rigidità e conformità

I cilindri elettrici generalmente forniscono una maggiore rigidità assiale perché il percorso della forza avviene attraverso una vite e una struttura meccanica anziché una lunga cinghia elastica.

Questo è importante in:

• Premendo
• Inserimento
• Bloccaggio
• Supporto alla lavorazione
• Assemblaggio sensibile alla forza

I moduli della cinghia di distribuzione hanno una maggiore flessibilità di trasmissione, soprattutto su corse lunghe.

Ciò non li rende inadatti all’automazione; significa semplicemente che sono più adatti ai compiti di movimento rispetto ai compiti di forza ad alta rigidità.

Controllo della forza

I cilindri servoelettrici sono spesso utilizzati in applicazioni in cui il controller deve regolare o monitorare la spinta.

La coppia del motore può essere utilizzata come stima indiretta della forza e alcuni sistemi includono celle di carico dedicate per un controllo della forza più accurato.

Anche i moduli della cinghia di distribuzione possono applicare forza, ma l'elasticità della cinghia e i lunghi percorsi della forza li rendono meno naturali per applicazioni di pressatura ad alta precisione o di controllo della forza.

Prestazioni dell'asse verticale

Entrambi i tipi di attuatori possono funzionare verticalmente, ma le considerazioni sulla progettazione differiscono.

Asse verticale della cinghia di distribuzione

Controllo:

• Carico continuo del nastro
• Coppia del motore contro gravità
• Requisiti dei freni
• Tensione della cinghia
• Strategia anticaduta

Asse verticale del cilindro elettrico

Controllo:

• Possibilità di retromarcia delle viti
• Freno motore
• Requisito di mantenimento statico
• Ciclo di lavoro verticale
• Sicurezza contro la discesa incontrollata

Nessuno dei due sistemi dovrebbe fare affidamento esclusivamente sulla coppia del motore laddove la caduta del carico crea un pericolo per la sicurezza.

Spazio di installazione

I cilindri elettrici hanno spesso una sezione trasversale molto compatta e possono adattarsi naturalmente dove verrebbe normalmente installato un cilindro pneumatico.

I moduli della cinghia di distribuzione generalmente richiedono una trave di guida lungo l'intera lunghezza della corsa, oltre allo spazio per il carrello e la puleggia.

Questo rende:

• Cilindro elettrico:robusto per movimenti push-pull compatti.
• Modulo cintura:robusto per spostamenti guidati attraverso il telaio della macchina.

Tipo ad asta vs Movimento guidato

Molti cilindri elettrici utilizzano un'uscita con stelo e sono progettati principalmente per sostenere carichi assiali.

Se l'applicazione presenta forze o momenti laterali elevati, potrebbero essere necessarie guide lineari esterne.

Un modulo lineare per cinghia dentata include già una guida lineare nella struttura del carrello, il che lo rende conveniente per spostare direttamente piastre, utensili e attrezzature.

Questa differenza può influire sul costo totale del sistema.

Integrazione multiasse

I moduli a cinghia dentata sono particolarmente convenienti per i sistemi XY, XZ, XYZ e a portale.

Gli esempi includono:

• Robot pick-and-place
• Automazione cartesiana
• Grandi portali di trasferimento
• Sistemi di posizionamento visivo

I cilindri elettrici sono più comunemente utilizzati come assi individuali di spinta, sollevamento o bloccaggio all'interno di una macchina più grande.

Possono essere combinati in sistemi multiasse, ma la loro architettura a cilindro è solitamente meno naturale per i lunghi viaggi cartesiani.

Rumore e vibrazioni

I moduli della cinghia di distribuzione possono funzionare silenziosamente se tensionati e allineati correttamente, ma le vibrazioni della cinghia e il rumore della puleggia possono aumentare ad accelerazioni elevate.

I cilindri elettrici possono generare rumore di ricircolo delle viti e delle sfere, soprattutto ad alta velocità.

Il rumore effettivo dipende fortemente da:

• Velocità
• Precarica
• Lubrificazione
• Risonanza della struttura
• Controllo motorio

Nessuna delle tecnologie dovrebbe essere considerata più silenziosa senza confrontare le condizioni operative effettive.

Confronto di manutenzione

Confronto del ciclo di vita

Nessuna delle due tecnologie ha una durata di servizio universale.

La durata del modulo cinghia di distribuzione può essere limitata da:

• Affaticamento della cinghia
• Usura dei denti
• Guida all'usura
• Durata del cuscinetto della puleggia
• Contaminazione

La durata del cilindro elettrico può essere limitata da:

• Affaticamento della vite a ricircolo di sfere o della madrevite
• Usura del dado
• Cuscinetti di supporto
• Guarnizioni o guide dello stelo
• Condizione di lubrificazione

Il confronto corretto del ciclo di vita dovrebbe utilizzare lo spettro di carico, la velocità, la corsa, il ciclo di lavoro e le condizioni di manutenzione effettivi.

Confronto dei costi

Il prezzo iniziale dipende da dimensioni, corsa, motore, controller, feedback e accessori.

Generalmente:

• I moduli con cinghia di distribuzione possono essere convenienti per corse lunghe e strutture multiasse.
• I cilindri elettrici possono essere convenienti quando si sostituiscono i cilindri pneumatici o si fornisce una forza elevata in uno spazio compatto.

Ma il prezzo di acquisto è solo una parte del costo.

Costo totale di proprietà

Confrontare:

• Prezzo dell'attuatore
• Motore e guida
• Guide esterne se necessarie
• Requisiti del telaio della macchina
• Manodopera di installazione
• Utilizzo dell'energia
• Manutenzione
• Pezzi di ricambio
• Tempi di inattività

Un cilindro elettrico può sembrare più costoso di un asse a cinghia finché l'asse a cinghia non richiede meccanismi aggiuntivi per spingere o trattenere. Un modulo a nastro può sembrare più costoso di un cilindro finché al cilindro non viene aggiunta una lunga struttura di guida esterna.

Efficienza energetica

Entrambe le tecnologie possono essere più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai sistemi pneumatici alimentati in modo continuo perché i motori elettrici consumano la maggior parte dell’energia quando producono movimento o sostengono il carico.

L’effettiva efficienza dipende da:

• Efficienza del motore
• Cambio se utilizzato
• Efficienza della trasmissione a cinghia o vite
• Ciclo di lavoro
• Strategia di holding verticale

Non confrontare il consumo energetico solo in base al tipo di attuatore.

Sicurezza e tenuta

Talvolta i cilindri elettrici possono mantenere la posizione grazie all'attrito della vite o al freno del motore, a seconda del design della vite, ma ciò non dovrebbe mai essere ipotizzato senza verificare il meccanismo effettivo.

Gli assi della cinghia di distribuzione sono generalmente azionabili all'indietro e richiedono un freno appropriato o una strategia di trattenimento meccanico quando la gravità o una forza esterna possono spostare l'asse.

Per una tenuta critica per la sicurezza, entrambi i sistemi necessitano di una valutazione del rischio a livello di macchina.

Considerazioni ambientali

Modulo cinghia di distribuzione

Polvere, olio, trucioli e sostanze chimiche possono intaccare la cinghia, la guida e le pulegge. Le versioni chiuse possono migliorare la protezione.

Cilindro elettrico

Le guarnizioni dello stelo, la protezione delle viti e il design della custodia influenzano la resistenza alla contaminazione.

Per gli ambienti difficili, confrontare le specifiche di tenuta e dei materiali effettivi anziché presumere che un tipo di attuatore sia automaticamente migliore.

Quale è meglio per Pick and Place?

Per il pick and place a corsa lunga e ad alta velocità, il modulo cinghia di distribuzione è solitamente la scelta più naturale.

I motivi includono:

• Alta velocità di viaggio
• Corsa lunga
• Bassa inerzia di movimento
• Facile integrazione XY e XYZ

I cilindri elettrici possono comunque essere ottimi per l’asse Z di pressatura, sollevamento o inserimento all’interno della stessa macchina.

I sistemi a guida mista sono spesso i migliori.Una macchina può utilizzare assi a cinghia dentata per la corsa X/Y e un cilindro elettrico per la pressatura o il bloccaggio Z.

Quale è meglio per la pressatura?

Per la pressatura, l'inserimento e il serraggio controllati, il cilindro elettrico presenta solitamente il vantaggio perché:

• La rigidità assiale è maggiore.
• Una spinta elevata è più facile da ottenere.
• L’integrazione del controllo della forza è più naturale.
• La geometria compatta push-pull si adatta al processo.

Una fase con cinghia di distribuzione può spostare in posizione la testa della pressa, ma di solito non è la prima scelta per generare la forza di pressatura stessa.

Quale è meglio per i viaggi lunghi?

I moduli della cinghia di distribuzione di solito vincono quando la corsa diventa lunga.

La cinghia può coprire lunghe distanze senza le limitazioni di velocità critica di una vite lunga, il che è particolarmente utile per:

• Guide macchina lunghe
• Confezione
• Automazione del magazzino
• Sistemi a portale
• Movimentazione di grandi formati

Quale è meglio per la precisione?

La risposta dipende dalla definizione di precisione.

Per un'elevata ripetibilità nella movimentazione in posizione insegnata, uno stadio con cinghia di distribuzione può funzionare molto bene.

Per un'elevata rigidità assiale e una posizione assoluta più stretta sotto variazione di forza, un cilindro elettrico a vite precaricato spesso presenta un vantaggio.

Per una precisione molto elevata, potrebbe essere necessario un feedback lineare diretto indipendentemente dal tipo di attuatore.

Matrice di selezione

Un processo di selezione pratico

1. Definire il lavoro.L'asse si sposta, posiziona, preme, solleva o blocca principalmente?
2. Definire il tratto.
3. Definire la velocità e l'accelerazione massime.
4. Calcolare la spinta richiesta.
5. Calcolare il carico utile e i carichi momento.
6. Definire separatamente la ripetibilità e l'accuratezza assoluta.
7. Verificare la rigidità assiale richiesta.
8. Controllare lo spazio di installazione disponibile.
9. Determinare se è necessaria una guida esterna.
10. Rivedere la tenuta verticale e la sicurezza.
11. Confronta manutenzione e ciclo di vita.
12. Confronta il costo totale del sistema, non solo il prezzo dell'attuatore.

Cosa deve consigliare QRXQ tra i due

• Colpo richiesto
• Massa in movimento
• Spinta richiesta
• Velocità massima
• Accelerazione
• Installazione orizzontale o verticale
• Requisiti di ripetibilità e accuratezza
• Requisiti di pressatura o di controllo della forza
• Spazio di installazione disponibile
• Struttura monoasse o multiasse
• Conteggio del ciclo giornaliero
• Ambiente di lavoro

La selezione si riduce al lavoro dominante dell'asse.Se la macchina necessita di una corsa guidata veloce, i moduli cinghia di distribuzione rappresentano solitamente il punto di partenza più forte. Se è necessaria una forza assiale compatta e controllata, i cilindri servoelettrici sono solitamente il punto di partenza più forte.

QRXQ valuta entrambe le tecnologie a partire dai requisiti della macchina completa e può consigliare un'architettura mista quando assi diversi svolgono compiti diversi, ad esempio la corsa X/Y della cinghia di distribuzione combinata con un asse della pressa Z con cilindro elettrico.