Módulos lineares de correia dentada para automação de seleção e colocação

A automação pick-and-place requer movimento rápido, posicionamento estável e manuseio confiável ao longo de milhares ou até milhões de ciclos operacionais. Quer o sistema transfira componentes entre transportadores, carregue peças em uma máquina-ferramenta ou classifique produtos em diferentes estações, o eixo de movimento linear afeta diretamente a velocidade de produção e a confiabilidade do equipamento.

Correia de distribuiçãomódulos linearessão amplamente utilizados em equipamentos pick-and-place porque combinam alta velocidade de deslocamento, aceleração rápida, capacidade de curso longo e integração flexível de vários eixos. Comparado com muitos sistemas acionados por parafuso, um módulo acionado por correia pode realizar movimentos alternativos frequentes em distâncias mais longas sem ser limitado pela velocidade crítica do parafuso.

Este artigo explica como os módulos lineares de correia dentada são aplicados em sistemas de manuseio automatizados e como a carga útil, o tempo de ciclo, a aceleração, a repetibilidade, a integração da garra e o controle do sensor devem ser avaliados durante o projeto do sistema.

Por que os módulos lineares de correia dentada são adequados para seleção e posicionamento

Um processo típico de escolha e colocação inclui diversas ações repetidas:

1. Mova para a posição de coleta.
2. Pare e confirme a posição alvo.
3. Ative a pinça ou ferramenta de vácuo.
4. Mova a peça de trabalho para a posição de colocação.
5. Solte a peça de trabalho.
6. Retorne para o próximo ciclo.

Como esta sequência pode repetir-se continuamente, o eixo linear deve acelerar, deslocar-se, desacelerar e parar num espaço de tempo muito curto. Os módulos de correia dentada são particularmente adequados para este padrão de movimento porque o carro móvel é acionado por uma correia dentada leve, em vez de um longo parafuso giratório.

As principais vantagens incluem:

• Alta velocidade linear para tempos de transferência curtos.
• Aceleração e desaceleração rápidas.
• Baixa massa móvel.
• Curso longo disponível.
• Movimento alternativo silencioso e suave.
• Instalação flexível horizontal, vertical e multieixos.
• Fácil integração com servomotores, pinças e sensores.

Movimento alternativo de alta velocidade

Os equipamentos pick-and-place normalmente operam com movimentos curtos e repetidos entre posições fixas. O módulo pode completar centenas ou milhares de ciclos alternativos durante cada turno de produção.

Em ummódulo de correia dentada, o motor gira uma polia motriz. A polia engata nos dentes da correia e converte o movimento rotativo em movimento linear do carro. Como o sistema de correia e polia tem uma inércia rotacional relativamente baixa, o eixo pode responder rapidamente aos servocomandos.

A velocidade operacional alcançável depende de vários fatores:

• Velocidade nominal do motor e torque disponível.
• Diâmetro da polia motriz.
• Relação de transmissão.
• Tipo de correia e passo da correia.
• Comprimento do curso.
• Carga útil e massa em movimento.
• Capacidade do trilho guia.
• Distância de parada necessária.

A velocidade máxima do catálogo não deve ser usada automaticamente como a velocidade operacional real. Um projeto prático também deve considerar a vibração, o tempo de estabilização, a estabilidade da carga útil e a distância necessária para aceleração e desaceleração.

Cálculo do tempo de ciclo

O tempo de ciclo é um dos parâmetros mais importantes na automação de coleta e colocação. Determina a quantidade de peças que o equipamento pode manusear por minuto ou por hora.

Um ciclo completo pode incluir:

• Tempo de aceleração.
• Tempo de viagem em velocidade constante.
• Tempo de desaceleração.
• Tempo de ajuste de posição.
• Tempo de fechamento da garra.
• Hora de confirmação da coleta.
• Tempo de abertura da pinça.
• Tempo de movimento de retorno.

O tempo total do ciclo pode ser expresso como:

T_ciclo=T_saída+T_escolher+T_retornar+T_liberar+T_resolver

Para distâncias de deslocamento maiores, o perfil de movimento é geralmente trapezoidal. O carro acelera até a velocidade selecionada, desloca-se em velocidade constante e depois desacelera antes de atingir a posição alvo.

Para cursos curtos, o eixo pode não ter distância suficiente para atingir a velocidade máxima programada. Neste caso, o perfil de movimento torna-se triangular, consistindo apenas em aceleração e desaceleração.

Ao estimar o tempo do ciclo, os engenheiros devem usar o perfil de movimento real em vez de dividir o curso pela velocidade máxima. Um módulo com uma velocidade máxima muito alta pode não reduzir significativamente o tempo de ciclo quando a distância percorrida é curta e a aceleração é limitada.

Carga útil e massa móvel

A carga útil inclui mais do que a peça transferida. A massa móvel completa deve incluir:

• Peso da peça.
• Pinça ou ferramenta de vácuo.
• Placa de montagem.
• Válvulas e conexões pneumáticas.
• Câmera de visão ou sensor de inspeção.
• Seção móvel do transportador de cabos.
• Eixo vertical adicional, quando instalado.

Para um eixo horizontal, o motor supera principalmente a força de aceleração, o atrito e a resistência externa. Um cálculo de força simplificado é:

F = m × a + F_atrito+F_externo

Onde:

• Fé a força motriz linear necessária.
• eué a massa total em movimento.
• umé a aceleração necessária.

Para movimento vertical, a gravidade também deve ser considerada:

F = m × a + m × g + F_atrito

Um eixo de correia dentada vertical normalmente deve incluir um motor freio ou outro mecanismo de retenção para evitar que o carro caia durante a perda de energia.

Aceleração e desaceleração

A alta aceleração pode reduzir o tempo de transferência, mas a aceleração excessiva pode criar efeitos indesejados:

• Alongamento do cinto.
• Vibração do carro.
• Movimento da peça dentro da pinça.
• Maior demanda de torque do motor.
• Aumento das cargas de rolamento e guia.
• Maior tempo de acomodação após a parada.
• Vida útil reduzida dos componentes mecânicos.

A aceleração selecionada deve, portanto, equilibrar a velocidade de produção com a estabilidade mecânica. Produtos delicados, cheios de líquido ou soltos geralmente requerem uma aceleração mais suave do que componentes metálicos rígidos.

Perfis de movimento em curva S são frequentemente usados ​​para reduzir choques mecânicos. Em vez de alterar a aceleração abruptamente, um perfil de curva em S controla os solavancos e produz transições mais suaves durante a partida e a parada.

Repetibilidade de posicionamento

Muitas aplicações de pick-and-place não exigem precisão de posicionamento absoluta extremamente alta, mas exigem repetibilidade consistente. O carro deve retornar às mesmas posições de coleta e colocação durante cada ciclo.

A repetibilidade é influenciada por:

• Engate dos dentes da correia.
• Tensão da correia.
• Rigidez da correia.
• Qualidade de usinagem de polias.
• Precisão do guia linear.
• Ajuste de servo.
• Resolução do codificador.
• Variação de carga útil.
• Rigidez do quadro.
• Planicidade da superfície de montagem.

Para transferência, embalagem e classificação geral de materiais, os módulos de correia dentada normalmente fornecem repetibilidade suficiente. Aplicações que exigem posicionamento em nível de mícron, distribuição precisa ou usinagem altamente precisa podem ser mais adequadas para um fuso de esfera ou sistema de motor linear.

Para manter a repetibilidade estável, o módulo deve ser montado em uma estrutura rígida e nivelada. A tensão da correia, o alinhamento das polias e a lubrificação das guias também devem ser verificados de acordo com o cronograma de manutenção.

Integração de garra

O efetor final é o componente que interage diretamente com o produto. Ferramentas de manuseio comuns incluem:

• Pinças pneumáticas paralelas.
• Pinças elétricas.
• Ventosas a vácuo.
• Pinças magnéticas.
• Ferramentas de manuseio tipo garfo.
• Dispositivos mecânicos personalizados.

A pinça pode ser montada diretamente no carro ou em um eixo vertical secundário. A placa de montagem deve fornecer rigidez suficiente enquanto mantém a massa em movimento o mais baixa possível.

O design de integração deve considerar:

• Peso da pinça e centro de gravidade.
• Horário de abertura e fechamento obrigatório.
• Mangueira de ar e roteamento de cabos.
• Detecção de peça de trabalho.
• Liberação de colisão.
• Requisitos de substituição de ferramentas.
• Comportamento de liberação de emergência.

Para ferramentas pneumáticas, o tempo de resposta das válvulas e das linhas de ar pode influenciar o tempo total do ciclo. Localizar a válvula perto da pinça pode reduzir o volume de ar e melhorar a velocidade de resposta.

Para manuseio de vácuo, o sistema deve incluir confirmação de vácuo e detecção de perda de vácuo. Isto evita que o eixo se afaste antes que a peça de trabalho tenha sido seguramente recolhida.

Integração de sensores e controle

Os sensores fornecem referências de posição, proteção de segurança e confirmação de processo. Um eixo típico de seleção e colocação de correia dentada pode incluir:

• Sensor de posição inicial.
• Sensores de limite positivo e negativo.
• Sensor de presença da peça.
• Sensores de pinça aberta e fechada.
• Pressostato a vácuo.
• Detecção de colisão ou sobrecarga.
• Feedback do servo codificador.

O sensor inicial estabelece uma referência de máquina repetível após a inicialização. Os sensores de limite evitam que o carro se desloque além do curso utilizável. Os batentes mecânicos também podem ser instalados como proteção secundária.

Servomotores são comumente usados ​​quando velocidade programável, aceleração e posicionamento preciso são necessários. O servoconversor se comunica com um CLP,controlador de movimentoou computador industrial através de comandos de pulso, comunicação fieldbus ou redes de movimento em tempo real.

Uma sequência de controle típica pode ser:

1. Confirme se a peça alvo está presente.
2. Mova o carro para a coordenada de partida.
3. Ative a pinça.
4. Confirme a coleta bem-sucedida.
5. Vá para a coordenada de posicionamento.
6. Solte a peça de trabalho.
7. Confirme o lançamento.
8. Retorne para a próxima posição de coleta.

Os intertravamentos devem impedir o movimento quando o estado da garra, o estado da peça ou a estação a jusante não estiver pronto.

Sistemas de seleção e colocação multieixos

Os módulos de correia dentada podem ser combinados em sistemas multieixos para tarefas de manuseio mais complexas.

Transferência de eixo único

Um único eixo horizontal transfere produtos entre duas estações fixas. Esse arranjo é comum no carregamento de transportadores, embalagem e classificação de peças.

Sistema de escolha e colocação XZ

Um sistema XZ combina um eixo de transferência horizontal com um eixo de elevação vertical. O eixo horizontal se move entre as estações, enquanto o eixo vertical abaixa a pinça para pegar ou colocar o produto.

Sistema de posicionamento XY

Um sistema XY move produtos entre múltiplas coordenadas em um plano horizontal. É adequado para carregamento de bandejas, classificação, inspeção e disposição de paletes.

Sistema de Pórtico XYZ

Um sistema XYZ adiciona movimento vertical à plataforma XY. Ele pode acessar diversas posições de coleta e posicionamento em uma área de trabalho tridimensional.

Pórtico de acionamento duplo

Sistemas de pórtico largo podem usar dois eixos de correia dentada sincronizados para acionar ambos os lados de uma viga transversal. A sincronização eletrônica ou um eixo de transmissão mecânica são usados ​​para evitar a inclinação do pórtico.

Ao projetar um sistema multieixo, os engenheiros devem avaliar a massa móvel combinada. Por exemplo, o eixo inferior pode precisar transportar o eixo superior completo, o motor, a pinça e a peça de trabalho.

Aplicativos comuns de escolha e colocação

Os módulos lineares de correia dentada são usados ​​em uma ampla gama de processos de manuseio automatizado, incluindo:

• Carregamento e descarregamento de máquinas CNC.
• Transferência de peças entre transportadores.
• Manuseio de componentes eletrônicos.
• Embalagem e carregamento de caixas.
• Célula de bateria e transferência de módulo.
• Carregamento e descarregamento de bandejas.
• Posicionamento de inspeção visual.
• Separação e classificação de produtos.
• Alimentação de material em linha de montagem.
• Paletização e despaletização.
• Manuseio de consumíveis médicos.
• Automação de armazém e logística.

Fatores de seleção do módulo da correia dentada

Um módulo adequado deve ser selecionado de acordo com os requisitos de movimento completo e não apenas com o peso da peça.

Parâmetro de seleção	Consideração de projeto
AVC	Inclua distância de coleta, distância de posicionamento, folga de segurança e limite de deslocamento.
Carga útil	Calcule a peça de trabalho, a pinça, as ferramentas, a placa de montagem e os componentes móveis adicionais.
Velocidade	Use o ciclo de produção necessário em vez da velocidade máxima do catálogo apenas.
Aceleração	Verifique o torque do motor, a carga da correia, a estabilidade da peça e o tempo de acomodação.
Repetibilidade	Combine a capacidade do módulo com a tolerância permitida de captação e posicionamento.
Orientação de montagem	Confirme se o eixo opera horizontalmente, verticalmente ou em ângulo.
Momento Permitido	Avalie as pinças suspensas, as cargas deslocadas e o centro de gravidade.
Ambiente	Considere poeira, umidade, temperatura, requisitos de sala limpa e exposição a produtos químicos.
Ciclo de trabalho	Confirme o número de ciclos por minuto e o total de horas de funcionamento.
Motor e Controlador	Selecione a potência do servo, freio, codificador e método de comunicação.

Momento permitido e deslocamento de carga

As garras geralmente são montadas longe do centro do carro. Isto cria momentos de inclinação, guinada ou rotação no sistema de guia.

Mesmo quando a carga útil está abaixo da capacidade de carga nominal, um deslocamento excessivo da carga pode sobrecarregar os blocos guia. O centro de gravidade deve, portanto, ser mantido o mais próximo possível do carro.

Para ferramentas longas ou pesadas, os engenheiros podem usar:

• Um módulo mais amplo.
• Dois trilhos-guia paralelos.
• Uma carruagem maior.
• Módulos duplos sincronizados.
• Uma estrutura de apoio externa.

Instalação e Comissionamento

A instalação correta é essencial para a operação alternativa de alta velocidade. A superfície de montagem deve ser plana, rígida e livre de distorções.

Durante o comissionamento:

1. Verifique se o módulo está montado com segurança.
2. Confirme o alinhamento da polia e a tensão da correia.
3. Mova o carro lentamente durante todo o curso.
4. Verifique as posições dos sensores e a lógica do sinal.
5. Confirme a folga da pinça e do suporte do cabo.
6. Comece com baixa velocidade e baixa aceleração.
7. Aumente gradualmente os parâmetros de movimento.
8. Monitore vibração, ruído, carga do motor e comportamento de assentamento.
9. Valide a repetibilidade de coleta e posicionamento.
10. Execute um teste de ciclo contínuo sob carga real.

Os parâmetros do servo devem ser ajustados com as ferramentas e peças reais instaladas. Ajustar um eixo descarregado pode produzir um comportamento instável após a adição da carga útil.

Manutenção para Operação Contínua

Os equipamentos pick-and-place geralmente operam continuamente, tornando a manutenção preventiva especialmente importante.

A manutenção de rotina deve incluir:

• Inspecionar o desgaste da correia e a condição dos dentes.
• Verificando a tensão da correia.
• Inspeção das polias motrizes e intermediárias.
• Guias lineares lubrificantes.
• Verificando os fixadores do carro.
• Inspeção de transportadores de cabos e mangueiras de ar.
• Limpeza de poeira e detritos de processo.
• Testando sensores iniciais e de limite.
• Monitoramento de ruídos e vibrações anormais.
• Revisão de alarmes de servo e tendências de carga do motor.

Um aumento na variação de posicionamento, ruído ou corrente do motor pode indicar folga da correia, contaminação da guia, desgaste da polia ou desalinhamento mecânico.

Módulos de correia dentada comparados com outros sistemas de acionamento

Tipo de acionamento	Força principal	Limitação Típica
Correia Dentada	Alta velocidade, curso longo e movimento alternativo rápido.	Menor rigidez e precisão absoluta do que sistemas de parafusos de precisão.
Fuso de esferas	Alta precisão de posicionamento, rigidez e impulso.	A velocidade e o curso podem ser limitados pela velocidade crítica do parafuso.
Cremalheira de engrenagens	Curso longo, carga pesada e curso escalonável.	Requer folga cuidadosa e controle de engrenagem.
Motor Linear	Aceleração muito alta, alta velocidade e resposta de tração direta.	Custo mais elevado e requisitos térmicos e de controle mais exigentes.

Para transferência automatizada geral, embalagem, classificação e carregamento de máquinas, os módulos de correia dentada geralmente fornecem o melhor equilíbrio entre velocidade, curso, custo e flexibilidade de integração.

Conclusão

Os módulos lineares de correia dentada são uma solução de movimento eficaz para automação pick-and-place que requer movimento alternativo rápido, curso longo e integração flexível de vários eixos. Sua baixa inércia de movimento permite aceleração rápida, enquanto o acionamento por correia suporta cursos mais longos sem as limitações críticas de velocidade associadas aos fusos de esferas longos.

O projeto de sistema bem-sucedido depende de mais do que selecionar um módulo com carga útil nominal suficiente. Os engenheiros devem avaliar a massa móvel completa, o tempo de ciclo, o perfil de aceleração, a repetibilidade do posicionamento, o deslocamento da carga, a resposta da garra, a lógica do sensor e a orientação de montagem.

Quando adequadamente selecionado, instalado e mantido, um módulo linear de correia dentada pode fornecer operação estável e eficiente para carregamento de máquinas, transferência de transportadores, embalagem, classificação, montagem e outras aplicações de manuseio de materiais de alto ciclo.