Um momentomódulo linear de correiapode ser usado como um eixo de movimento único, mas sua alta velocidade, curso longo e arranjo flexível do motor o tornam especialmente adequado para sistemas de automação multieixos. Ao combinar dois ou mais módulos, os engenheiros podem criar plataformas de posicionamento XY, sistemas de manuseio XZ, sistemas de movimento XYZ e mecanismos de pórtico de grande formato.

Projetar um sistema multieixos envolve mais do que montar ummódulo linearem cima de outro. O projetista deve considerar a orientação do eixo, massa móvel, distribuição de carga, rigidez estrutural, posicionamento do motor, roteamento de cabos e sincronização. Cada eixo adicionado altera a carga aplicada ao eixo de suporte, portanto o sistema completo deve ser avaliado como uma estrutura mecânica integrada.

Timing belt linear module multi-axis system showing XY, XZ, XYZ and gantry configurations
Módulos lineares de correia dentada podem ser combinados em sistemas XY, XZ, XYZ e pórtico para automação multieixos de alta velocidade.

Índice

  • O que é um sistema de módulo linear de correia dentada multieixos?
  • Configurações comuns de vários eixos
  • Sistemas de módulos lineares de correia dentada XY
  • Sistemas de módulos lineares de correia dentada XZ
  • Sistemas de módulos lineares de correia dentada XYZ
  • Sistemas de pórtico de correia dentada
  • Combinação de eixos e arranjo estrutural
  • Distribuição de carga em sistemas multieixos
  • Arranjo do motor e layout da transmissão
  • Gerenciamento de cabos para movimento multieixo
  • Sincronização e controle de movimento
  • Processo de design de configuração multieixo
  • Erros comuns de design
  • Perguntas frequentes
  • Conclusão

O que é um sistema de módulo linear de correia dentada multieixos?

Um sistema de módulo linear de correia dentada multieixos combina dois ou mais eixos de movimento linear para mover uma carga útil em múltiplas direções. Cada módulo normalmente fornece movimento ao longo de um eixo reto, enquanto o mecanismo completo cria capacidade de posicionamento bidimensional ou tridimensional.

Por exemplo, um módulo do eixo X pode fornecer deslocamento horizontal, enquanto um segundo módulo montado em seu carro fornece movimento do eixo Y. Adicionar um eixo Z vertical cria um sistema de três eixos capaz de posicionar uma ferramenta, sensor, pinça ou peça de trabalho em diferentes coordenadas.

Os módulos de correia dentada são comumente selecionados para sistemas multieixos porque fornecem:

  • Alta velocidade linear
  • Longa viagem disponível
  • Massa móvel relativamente baixa
  • Instruções flexíveis de montagem do motor
  • Integração simples com servomotores ou motores de passo
  • Boa adequação para ciclos repetidos de transferência e posicionamento

No entanto, um sistema de correia dentada é geralmente selecionado para aplicações que priorizam velocidade, curso e tempo de ciclo, em vez de impulso extremamente alto ou precisão de posicionamento ultrafina.

Configurações comuns de vários eixos

As combinações de módulos lineares de correia dentada mais comuns são configurações XY, XZ, XYZ e pórtico. A estrutura correta depende das direções de movimento necessárias, do envelope de trabalho, da orientação da carga útil e do layout da máquina.

Configuração Direções de movimento Estrutura Típica Aplicativos comuns
Sistema XY Horizontais e laterais Um eixo montado no carro de outro eixo Dosagem, inspeção, classificação e posicionamento plano
Sistema XZ Horizontais e verticais Eixo vertical montado em um eixo de deslocamento horizontal Pick-and-place, carga, descarga e empilhamento
Sistema XYZ Movimento tridimensional Três eixos perpendiculares combinados em sequência Montagem, teste, manuseio e processamento automatizado
Sistema de pórtico Movimento horizontal em grandes áreas com eixo vertical opcional Viga apoiada por dois eixos paralelos Manuseio de grandes formatos, paletização e carregamento de máquinas

Sistemas de módulos lineares de correia dentada XY

Um sistema XY fornece movimento em duas direções horizontais perpendiculares. É um dos arranjos multieixos mais comuns para áreas de trabalho planas.

O eixo inferior é normalmente chamado de eixo X e suporta o eixo Y superior. O eixo Y é montado no carro do eixo X, de modo que a massa completa do eixo Y, seu motor, ferramentas e carga útil se tornam uma carga móvel no eixo X.

Estrutura XY típica

Um arranjo XY padrão inclui:

  • Um módulo de eixo X de curso longo
  • Um módulo do eixo Y montado perpendicularmente ao eixo X
  • Uma placa de conexão entre os dois eixos
  • Motores separados para movimento dos eixos X e Y
  • Um porta-cabos para o eixo superior móvel
  • Um controlador para posicionamento coordenado de dois eixos

Considerações sobre o projeto do sistema XY

O eixo X inferior deve ser selecionado de acordo com a massa móvel total e não apenas com a carga útil externa. Este total inclui o corpo do eixo Y, carro, motor, placa de conexão, transportador de cabos, ferramentas e peça de trabalho.

O comprimento do eixo Y também cria uma carga de momento no carro do eixo X. Uma placa de montagem larga, uma estrutura de guia dupla ou dois módulos de eixo X paralelos podem ser necessários quando o eixo Y for longo ou quando a carga estiver posicionada longe do carro de suporte.

As plataformas de correia dentada XY são comumente usadas para distribuição, inspeção visual, marcação, classificação, digitalização e posicionamento automático em uma área de trabalho retangular.

Sistemas de módulos lineares de correia dentada XZ

Um sistema XZ combina movimento horizontal com movimento vertical. É amplamente utilizado em equipamentos pick-and-place, sistemas de carregamento de materiais, unidades de empilhamento e mecanismos de transferência.

O eixo X normalmente move o eixo Z completo horizontalmente. O eixo Z levanta ou abaixa a garra, ventosa, ferramenta ou carga útil.

Requisitos de carga do eixo vertical

O eixo Z deve superar a gravidade, além da aceleração e das forças de processo. O torque necessário do motor deve, portanto, ser calculado a partir da massa móvel, raio da polia, aceleração, eficiência de transmissão e fator de segurança.

Um eixo vertical da correia dentada também pode exigir:

  • Um motor freio para evitar quedas durante perda de energia
  • Um mecanismo de contrapeso para cargas móveis mais pesadas
  • Uma parada mecânica ou dispositivo de prevenção de queda
  • Um arranjo adequado de sensor de retorno e limite
  • Uma estratégia de desaceleração controlada perto do limite inferior de percurso

Direção de montagem do eixo vertical

O eixo Z pode ser montado com o corpo do módulo em movimento ou com o carro em movimento. Um arranjo de corpo móvel pode reduzir a distância em balanço entre a ferramenta e a estrutura guia, enquanto um arranjo de carro móvel pode simplificar a instalação.

O método correto depende do curso necessário, do formato da ferramenta, do espaço disponível e do momento de carga. O eixo vertical deve permanecer tão compacto e leve quanto possível porque toda a sua massa é transportada pelo eixo horizontal.

Sistemas de módulos lineares de correia dentada XYZ

Um sistema XYZ fornece movimento ao longo de três direções perpendiculares e pode posicionar uma ferramenta ou peça em um volume de trabalho tridimensional.

Uma estrutura típica usa um eixo X longo como base, um eixo Y montado no carro do eixo X e um eixo Z montado no carro do eixo Y. Outras disposições também são possíveis dependendo da estrutura da máquina e da direção de trabalho.

Hierarquia de Eixos

A hierarquia de eixos é importante porque cada eixo de nível inferior carrega todos os eixos instalados acima dele. Em um arranjo XYZ empilhado convencional:

  • O eixo Z transporta a ferramenta e a carga útil.
  • O eixo Y carrega o eixo Z, a ferramenta e a carga útil.
  • O eixo X carrega o eixo Y, o eixo Z, motores, ferramentas, cabos e carga útil.

Como resultado, o eixo base geralmente requer a maior capacidade de carga e rigidez estrutural. Também pode exigir um motor maior ou uma série de módulos mais forte que os eixos superiores.

Reduzindo a massa móvel

A redução da massa móvel melhora a aceleração, o tempo de ciclo e a estabilidade de posicionamento. Os métodos comuns incluem:

  • Usando módulos compactos para eixos superiores
  • Montagem de motores em posições que reduzam as cargas cantilever
  • Usando placas de conexão leves de alumínio
  • Reduzindo a massa desnecessária de ferramentas
  • Selecionando o curso prático mais curto do eixo superior
  • Separando componentes elétricos estacionários do conjunto móvel

O módulo mais rápido nem sempre é a melhor escolha. O sistema completo deve ser otimizado para massa móvel total, rigidez e tempo de ciclo necessário.

Sistemas de pórtico de correia dentada

Um sistema de pórtico utiliza uma viga apoiada em dois lados da estrutura da máquina. É adequado para grandes áreas de trabalho, cursos longos e aplicações onde a ponte móvel deve permanecer estável ao longo de um amplo vão.

O pórtico pode utilizar um eixo motorizado e um eixo de suporte passivo, ou dois eixos paralelos acionados independentemente. O arranjo correto depende da extensão, da carga útil, da aceleração e do desempenho de posicionamento necessário.

Configuração de pórtico de unidade única

Em um pórtico de acionamento único, um motor aciona ambos os lados através de uma conexão mecânica, como um eixo comum, correia dentada ou sistema de transmissão. Isso fornece sincronização mecânica e pode simplificar o controle.

A ligação mecânica deve ser suficientemente rígida para evitar deformação torcional e desalinhamento angular ao longo da viga transversal.

Configuração de pórtico de acionamento duplo

Em um pórtico de acionamento duplo, cada lado possui seu próprio motor e sistema de acionamento. O controlador comanda ambos os eixos para se moverem juntos enquanto monitora suas posições.

Os sistemas de acionamento duplo são adequados para pórticos largos, cursos longos e cargas dinâmicas mais altas, mas exigem posicionamento, alinhamento e sincronização cuidadosos. Uma diferença de posição entre os dois lados pode torcer a travessa, sobrecarregar as guias ou causar o bloqueio do mecanismo.

Projeto de viga transversal de pórtico

A viga transversal deve resistir à flexão e à torção durante a aceleração. Sua rigidez depende do perfil da viga, do vão não suportado, da posição da ferramenta e da carga útil.

Uma viga leve melhora a aceleração, mas a rigidez insuficiente pode criar vibração e erros de posicionamento. A viga deve, portanto, ser projetada de acordo com a deflexão estática e a resposta dinâmica.

Combinação de eixos e arranjo estrutural

Os módulos multieixos não devem ser combinados apenas de acordo com os furos de montagem disponíveis. A ligação entre eixos deve proporcionar rigidez, alinhamento e suporte suficientes.

Projeto da placa de conexão

Placas de conexão são usadas para montar um eixo em outro. Uma placa adequada deve:

  • Fornece uma superfície de montagem plana
  • Distribua a carga pelo carro
  • Minimize saliências desnecessárias
  • Resista à flexão sob aceleração
  • Permitir instalação de motor, sensor e cabo
  • Fornece acesso para montagem e manutenção

Placas muito grossas aumentam a massa móvel, enquanto placas finas podem deformar-se. A espessura da placa e o reforço devem ser selecionados de acordo com a carga e a distância do cantilever.

Orientação do Módulo

Um módulo pode ser instalado horizontalmente, verticalmente, lateralmente ou em orientação invertida. Contudo, a carga útil permitida e a capacidade de momento podem mudar com a direção de montagem.

O projetista deve verificar a carga radial, a carga axial e a carga momentânea para a orientação real da instalação, em vez de confiar apenas em um valor geral de carga útil.

Distribuição de carga em sistemas multieixos

O cálculo da carga é uma das partes mais importantes do projeto multieixos. O eixo inferior não suporta apenas a peça de trabalho. Ele carrega o conjunto móvel completo instalado acima dele.

Carga Móvel Total

A carga móvel total pode incluir:

  • Módulos lineares superiores
  • Servomotores ou motores de passo
  • Caixas de engrenagens e acoplamentos
  • Placas de conexão e suportes
  • Porta-cabos e cabos
  • Sensores e componentes pneumáticos
  • Ferramentas finais
  • A peça transportada

Esta massa total deve ser utilizada no cálculo da força de aceleração, do torque necessário do motor e da carga dinâmica.

Carga momentânea

A carga momentânea ocorre quando o centro de gravidade da carga útil está deslocado do carro ou do centro da guia. Eixos superiores longos e ferramentas em balanço podem criar momentos significativos de inclinação, guinada ou rolamento.

A carga de momento pode ser reduzida por:

  • Movendo a carga para mais perto do centro da guia
  • Usando um carro mais largo
  • Aumentando a distância entre os blocos guia
  • Usando dois eixos de suporte paralelos
  • Encurtando o comprimento do cantilever
  • Reduzindo a massa do eixo superior

Carga dinâmica

A aceleração e a desaceleração criam forças que podem ser muito maiores que a carga estática. Um sistema que se move suavemente em baixa velocidade pode vibrar, desviar ou perder estabilidade de posicionamento quando operado em alta aceleração.

O módulo selecionado deve, portanto, ser avaliado sob as condições pretendidas de velocidade, aceleração, ciclo de trabalho e parada de emergência.

Arranjo do motor e layout da transmissão

A colocação do motor afeta o tamanho do sistema, a movimentação da massa, o roteamento dos cabos e o acesso para manutenção. Os módulos de correia dentada geralmente permitem que os motores sejam instalados diretamente, em paralelo ou através de um arranjo de retorno dobrado.

Arranjo do motor móvel

Quando um motor é montado em um eixo móvel superior, sua massa é transportada por todos os eixos de suporte abaixo dele. Isto aumenta a capacidade de carga necessária e o torque do motor dos eixos inferiores.

Os arranjos de motores móveis são mecanicamente simples, mas requerem cabos de alimentação e codificadores flexíveis.

Arranjo de motor estacionário

Alguns layouts mecânicos permitem que o motor permaneça estacionário enquanto a estrutura do eixo se move. Isso pode reduzir a massa móvel e o movimento do cabo, mas pode exigir um caminho de correia, sistema de eixo ou arranjo de transmissão mais complexo.

Orientação Motora

A orientação motora deve ser selecionada de acordo com:

  • Espaço de instalação disponível
  • Risco de colisão com eixos adjacentes
  • Acesso de manutenção
  • Raio de curvatura do cabo
  • Proteção contra poeira, líquido refrigerante ou detritos de processo
  • Centro de gravidade do sistema

O motor não deve ser posicionado onde aumente desnecessariamente a distância do cantilever ou interfira na área de trabalho.

Gerenciamento de cabos para movimento multieixo

O roteamento de cabos torna-se mais complexo à medida que o número de eixos aumenta. Cada eixo móvel pode exigir cabos de alimentação de motor, cabos de encoder, fios de sensores, tubos pneumáticos, linhas de vácuo ou cabos de comunicação.

Seleção de portadora de cabo

Um porta-cabos deve ter espaço interno suficiente e um raio de curvatura que atenda aos requisitos de todos os cabos e tubos instalados. Encher demais o transportador pode aumentar o atrito e reduzir a vida útil do cabo.

Diferentes tipos de cabos devem ser separados quando necessário para reduzir a interferência elétrica e a abrasão.

Movimento de cabos aninhados

Num sistema XYZ, os cabos do eixo Z podem mover-se com o eixo Y, enquanto os cabos do eixo Y movem-se com o eixo X. Isso cria vários níveis de movimento do cabo.

O roteamento dos cabos deve ser planejado durante a fase de projeto mecânico, e não adicionado após a montagem. Pontos fixos, pontos móveis, direções de curvatura e circuitos de serviço adequados devem ser definidos para cada eixo.

Evitando problemas relacionados a cabos

  • Não permita que os cabos esfreguem em arestas vivas.
  • Não exceda o raio mínimo de curvatura.
  • Não coloque conectores dentro de seções dobradas continuamente.
  • Não misture cabos flexíveis e não flexíveis no mesmo caminho móvel sem avaliação.
  • Fornece alívio de tensão em pontos de conexão fixos e móveis.
  • Verifique se o transportador de cabos não entra na área de trabalho.

Sincronização e controle de movimento

Os sistemas multieixos requerem um controlador capaz de coordenar vários motores. O nível de controle necessário depende se os eixos se movem de forma independente, sequencial ou simultânea ao longo de um caminho definido.

Movimento de eixo independente

Em equipamentos de transferência simples, um eixo pode completar seu movimento antes do início do próximo eixo. Isto reduz a complexidade do controle e pode ser suficiente para ciclos básicos de carga e descarga.

Movimento Interpolado

Aplicações de distribuição, corte, digitalização e acompanhamento de contornos podem exigir que dois ou três eixos se movam simultaneamente. O controlador deve realizar interpolação linear ou circular enquanto mantém a velocidade necessária e a precisão do caminho.

Sincronização de pórtico de eixo duplo

Um pórtico de acionamento duplo requer que ambos os eixos paralelos mantenham a mesma posição. O controlador pode usar controle mestre-escravo, engrenagem eletrônica ou função de sincronização de pórtico.

Ambos os lados devem ter sensores de retorno ou procedimentos de referência apropriados. O sistema de controle também deve monitorar o erro seguinte para que a máquina possa parar antes que o desalinhamento excessivo danifique a estrutura.

Processo de design de configuração multieixo

Um processo de design sistemático ajuda a evitar problemas de sobredimensionamento, rigidez insuficiente e integração.

  1. Defina o envelope de trabalho.Determine o percurso X, Y e Z necessário, incluindo margens de segurança e dimensões da ferramenta.
  2. Defina a carga útil.Calcule a massa e o centro de gravidade da peça, ferramentas, suportes e eixos superiores.
  3. Selecione a hierarquia de eixos.Decida qual eixo suporta os outros e identifique a massa móvel total em cada eixo.
  4. Calcular requisitos dinâmicos.Determine velocidade, aceleração, desaceleração, tempo de viagem e tempo de ciclo.
  5. Verifique a capacidade de carga e momento.Avalie cargas radiais, cargas axiais e momentos de inclinação, guinada e rolamento.
  6. Selecione o tamanho do módulo.Escolha o perfil apropriado, a estrutura da guia, o tamanho da correia, o comprimento do carro e a capacidade do motor.
  7. Projetar componentes de conexão.Crie placas de montagem rígidas, suportes e travessas com planicidade adequada.
  8. Planeje as posições do motor.Confirme espaço, eliminação de colisão, roteamento de cabos e acesso para manutenção.
  9. Planeje o gerenciamento de cabos.Selecione transportadores de cabos, raios de curvatura, direções de roteamento e pontos fixos.
  10. Defina o método de controle.Confirme os requisitos de movimento independente, interpolação ou sincronização do pórtico.
  11. Verifique a estrutura da máquina.Certifique-se de que a base e a estrutura de suporte sejam suficientemente rígidas e niveladas.
  12. Teste o sistema completo.Comissionamento em velocidade reduzida antes de aumentar gradualmente a aceleração e a taxa de ciclo.

Erros comuns de design

Calculando apenas a carga externa

Ignorar a massa dos eixos superiores, motores e placas de conexão pode resultar em um eixo de suporte subdimensionado. O conjunto móvel completo deve ser incluído no cálculo da carga.

Ignorando cargas momentâneas

Uma carga útil pode estar dentro da massa nominal, mas ainda assim exceder o momento permitido porque está posicionada longe do centro do carro.

Usando uma placa de conexão insuficientemente rígida

Uma placa flexível pode reduzir a estabilidade de posicionamento mesmo quando os próprios módulos lineares são suficientemente rígidos.

Instalando um eixo pesado no topo

Um eixo superior desnecessariamente grande aumenta os requisitos de carga e motor de cada eixo inferior. Os eixos superiores devem ser mantidos compactos sempre que possível.

Planejando o roteamento de cabos tarde demais

Adicionar transportadores de cabos após a montagem mecânica pode reduzir o curso disponível, criar interferência ou forçar os cabos em um raio de curvatura inadequado.

Ignorando o alinhamento do pórtico

Os eixos do pórtico paralelo devem ser instalados com precisão. O mau alinhamento aumenta a resistência da guia, a carga da correia e a corrente do motor.

Usando aceleração excessiva

A alta aceleração pode criar vibração, deflexão da estrutura, oscilação da correia e perda de estabilidade de posicionamento mesmo quando o motor tem potência suficiente.

Perguntas frequentes

Os módulos lineares de correia dentada podem ser usados ​​para sistemas XYZ?

Sim. Os módulos de correia dentada são amplamente utilizados em sistemas XYZ que exigem deslocamento longo, alta velocidade e precisão de posicionamento moderada. O eixo base deve ser dimensionado para a massa completa de todos os eixos superiores, ferramentas e carga útil.

Qual eixo deve ter a maior capacidade de carga?

Num sistema empilhado convencional, o eixo de suporte mais baixo normalmente requer a maior capacidade de carga porque suporta todos os eixos superiores e componentes móveis.

Quando dois eixos paralelos devem ser usados?

Dois eixos paralelos podem ser necessários quando a viga transversal for larga, a carga útil criar um grande momento ou um único carro não puder fornecer suporte e rigidez suficientes.

Um pórtico de acionamento duplo precisa de controle de sincronização?

Sim. Dois lados acionados de forma independente devem permanecer sincronizados durante o retorno à posição inicial e a operação. O controlador deve monitorar a diferença de posição e parar o sistema se o desvio permitido for excedido.

Um módulo de correia dentada pode ser usado como eixo Z vertical?

Sim, mas o motor deve vencer a gravidade e o sistema deve incluir proteção adequada contra desligamento, como motor-freio, contrapeso ou dispositivo mecânico de prevenção de queda.

Como a massa em movimento pode ser reduzida?

Use módulos de eixo superior menores, placas de conexão leves, ferramentas compactas, posições de motor apropriadas e cursos de eixo superior práticos mais curtos.

Os sistemas multieixos de correia dentada são adequados para usinagem de precisão?

Eles são adequados para muitas tarefas automatizadas de posicionamento, transferência, distribuição, inspeção e manuseio. Aplicações que exigem rigidez muito alta, forças de corte pesadas ou posicionamento ultrafino podem exigir um fuso de esferas ou um sistema de motor linear.

Conclusão

Módulos lineares de correia dentada podem ser combinados em sistemas flexíveis de movimento XY, XZ, XYZ e pórtico para automação de alta velocidade. A integração bem-sucedida depende da seleção da hierarquia de eixos correta, do cálculo da carga móvel completa, do controle das cargas momentâneas e do fornecimento de rigidez estrutural suficiente.

A colocação do motor, o roteamento dos cabos e a sincronização devem ser considerados desde o início do processo de projeto. Ao avaliar o mecanismo completo em vez de tratar cada eixo separadamente, os engenheiros podem construir um sistema multieixos com movimento estável, tempos de ciclo eficientes e operação confiável a longo prazo.