Limites de velocidade e aceleração de módulos lineares de correia dentada

Os módulos lineares de correia dentada são conhecidos por movimentos de alta velocidade e curso longo, mas a velocidade máxima mostrada em um catálogo é apenas uma parte do limite real de desempenho. Em uma máquina em operação, a aceleração, a tensão da correia, o comprimento livre da correia, a velocidade da polia, a massa do carro, a rigidez da guia, a ressonância estrutural e o arrasto do cabo influenciam a velocidade com que o eixo pode funcionar de maneira confiável.

É por issovelocidade do módulo linear da correia dentadadeve ser avaliado como uma condição do sistema e não como um número isolado. Um eixo pode ser mecanicamente capaz de atingir um pico de velocidade elevado, mas ainda sofrer com chicoteamento da correia, vibração, assentamento deficiente ou demanda excessiva do motor quando a aceleração é muito agressiva.

Este guia explica os limites práticos de velocidade e aceleração demódulos de correia dentadae mostra como diagnosticar e melhorar o desempenho de alta velocidade.

A velocidade máxima não é igual à velocidade de produção utilizável

A velocidade máxima do fabricante geralmente indica a capacidade operacional superior de um módulo específico sob condições definidas.

A velocidade real de produção pode precisar ser menor devido a:

• Carga útil
• Requisito de aceleração
• Comprimento do movimento
• Tensão da correia
• Torque do motor em velocidade
• Dinâmica de guia e transporte
• Rigidez da estrutura da máquina
• Resistência do transportador de cabo
• Tempo de acomodação necessário

Regra prática:uma velocidade máxima útil é a velocidade mais alta que o eixo completo pode repetir durante o ciclo de trabalho necessário, mantendo as metas de posicionamento, vibração, temperatura e vida útil.

O que realmente limita a velocidade do módulo da correia dentada?

A velocidade linear e a velocidade da polia estão diretamente relacionadas

A velocidade do carro é determinada pela velocidade de rotação da polia e pela circunferência do passo da polia.

Conceitualmente:

v = ω × r

ou, usando a velocidade de rotação da polia:

v = π × D × n ÷ 60

onde:

• v= velocidade linear em m/s
• D= diâmetro primitivo da polia em m
• n= velocidade da polia em rpm

Uma polia maior produz um deslocamento mais linear por revolução, de modo que a mesma velocidade do carro pode ser alcançada com rpm mais baixas do motor.

Por que uma polia maior não resolve automaticamente problemas de alta velocidade

Uma polia maior reduz a velocidade de rotação para a mesma velocidade linear, mas também aumenta o torque necessário para o mesmo empuxo linear.

Para acionamento por correia:

T = F × r÷h

Isso significa que o tamanho da polia cria uma compensação entre velocidade e torque:

• Polia maior: menor rotação, maior demanda de torque
• Polia menor: rpm mais alta, menor demanda de torque

A menor polia também é limitada pela fadiga de flexão da correia e pelos requisitos mínimos de engate dos dentes.

A aceleração muitas vezes limita o tempo real do ciclo antes que a velocidade máxima o faça

Muitos eixos de correia dentada operam em cursos curtos ou médios. O carro pode passar pouco ou nenhum tempo na velocidade máxima antes do início da desaceleração.

Neste caso, a aceleração é mais importante que a velocidade máxima nominal.

A força de aceleração é:

F_conta= m × uma

onde a massa móvel inclui a carga útil do carro, acessórios, eixos superiores, cabos móveis e outros equipamentos anexados.

Um exemplo simples

Um conjunto móvel de 12 kg acelerou a 5 m/s²requer:

F_conta= 12 × 5 = 60N

Isso ocorre antes de adicionar resistência de guia, arrasto de cabo ou força de processo.

Por que a alta aceleração é mais difícil para a correia

Maior aceleração aumenta a diferença de tensão da correia entre os lados de acionamento e retorno.

Isso pode levar a:

• Maior elasticidade do cinto elástico
• Maior carga dentária
• Mais vibração do carro
• Maior carga do rolamento da polia
• Maior demanda de torque do motor
• Mais estresse durante a reversão

Portanto, um módulo pode atingir uma alta velocidade constante com segurança, mas terá dificuldade quando for comandado para atingir essa velocidade muito rapidamente.

Os limites de aceleração são geralmente limites do sistema

Raramente existe um limite de aceleração universal para todos os módulos da correia dentada.

O limite prático depende de:

• massa em movimento
• Largura e rigidez da correia
• Pré-tensão do cinto
• Diâmetro da polia
• Pico de torque do motor
• Pré-carregamento do guia
• Geometria do carro
• Rigidez do quadro
• Saliência de ferramenta

O mesmo módulo pode, portanto, ter capacidades de aceleração muito diferentes sob diferentes cargas úteis.

O que é chicote de cinto?

Chicote de cintoé a oscilação visível ou dinâmica de uma extensão livre da correia durante movimento de alta velocidade, aceleração rápida ou reversão.

Pode aparecer como:

• Vibração vertical da correia
• Vibração lateral da correia
• Tapas ou zumbidos audíveis
• Contato periódico com coberturas
• Movimento instável após reversão

O chicote de cinto não é apenas um problema de ruído. A oscilação severa pode afetar o engate dos dentes, a consistência do posicionamento e a vida útil da correia.

O que causa o chicote de cinto?

As causas comuns incluem:

• Longos vãos de correia sem suporte
• Tensão insuficiente da correia
• Velocidade da correia muito alta
• Aceleração e desaceleração rápidas
• Excitação perto de uma frequência natural
• Desalinhamento da polia
• Acompanhamento irregular da correia

Curso longo aumenta a sensibilidade

À medida que o comprimento livre da correia aumenta, a correia pode se comportar mais como um elemento vibratório flexível. Esta é uma das razões pelas quais os eixos de curso longo requerem mais atenção à tensão e aos testes dinâmicos.

A tensão da correia influencia fortemente a estabilidade em alta velocidade

Se a tensão estiver muito baixa

Os possíveis efeitos incluem:

• Chicote de cinto
• Salto de dente
• Fraca repetibilidade de reversão
• Aumento de ruído

Se a tensão for muito alta

Os possíveis efeitos incluem:

• Maior carga no rolamento da polia
• Maior demanda de torque do motor
• Fadiga acelerada da correia
• Aumento da carga estrutural

O ajuste em alta velocidade não significa apertar o cinto tanto quanto possível.Use a pretensão especificada e confirme o comportamento dinamicamente.

A vibração pode vir de mais do que a correia

Quando um eixo de correia de alta velocidade vibra, a correia é apenas uma fonte possível.

Outras fontes incluem:

• Estruturas de máquinas flexíveis
• Vigas longas
• Ferramental em balanço
• Operadoras de cabo
• Suportes de motor soltos
• Pré-carregamento do guia
• Afinação servo
• Excentricidade da polia ou eixo

Uma estrutura mecanicamente flexível não pode ser corrigida completamente por ajuste de controle.

A ressonância estrutural pode se tornar o verdadeiro limite de velocidade

Toda estrutura mecânica possui frequências naturais. Se comandos de aceleração ou forças periódicas da correia excitarem uma dessas frequências, a vibração poderá aumentar drasticamente.

Isso pode afetar:

• Tempo de acomodação
• Repetibilidade de posição
• Barulho
• Qualidade do caminho da ferramenta
• Vida útil do fixador

Pórticos largos e estruturas longas de máquinas são especialmente sensíveis porque seus primeiros modos estruturais podem ocorrer em frequências relativamente baixas.

O tempo de acomodação faz parte do desempenho em alta velocidade

Um eixo de alta velocidade não é útil se a máquina precisar esperar muito tempo após cada movimento.

O tempo de ciclo efetivo é:

Tempo de ciclo = aceleração + deslocamento + desaceleração + estabilização + tempo de processo

Se uma aceleração mais elevada reduzir o tempo de viagem em 50 ms, mas adicionar 100 ms de estabilização da vibração, a máquina ficará mais lenta em geral.

Eixos de curso curto e de curso longo se comportam de maneira diferente

É por isso que a velocidade máxima de um catálogo não pode descrever todas as aplicações igualmente bem.

Aplicações de seleção e colocação de alta velocidade

Equipamentos pick-and-place geralmente usam módulos de correia dentada devido à baixa massa móvel e capacidade de reversão rápida.

As principais variáveis ​​de projeto são:

• Curta distância de movimento
• Alta aceleração
• Baixa massa de ferramentas
• Liquidação rápida
• Alta contagem de reversão

Para este tipo de aplicação, a aceleração e a rigidez geralmente são mais importantes do que a velocidade máxima final.

Aplicativos de transferência de longa viagem

Transferências longas no lado do transportador, sistemas de pórticos e eixos de manuseio de materiais podem passar mais tempo em velocidade constante.

Verificações importantes incluem:

• Classificação de velocidade da correia
• RPM da polia
• Capacidade de velocidade contínua do motor
• Vibração da correia
• Estabilidade do transportador de cabos
• Suporte de feixe longo

Impressão e digitalização em alta velocidade

As aplicações de impressão, revestimento e inspeção podem exigir que o carro se mova a uma velocidade estável através de uma zona de processo.

Para essas aplicações, a qualidade da velocidade é tão importante quanto a magnitude da velocidade.

Verificar:

• Ondulação de velocidade
• Erro de seguimento do servo
• Elasticidade do cinto
• Retidão do guia
• Vibração estrutural

O torque do motor cai com a velocidade

A capacidade do motor deve ser verificada nas rpm reais exigidas pela polia.

Isto é especialmente importante para motores de passo, cujo torque disponível geralmente diminui significativamente à medida que a velocidade aumenta.

Os servossistemas também possuem limites de torque contínuo e de pico e uma velocidade máxima finita.

O dimensionamento de alta velocidade deve, portanto, usar:

• RPM da polia necessária
• Curva torque-velocidade do motor
• Pico de torque durante a aceleração
• Torque RMS ao longo do ciclo
• Limites de tensão e corrente do inversor

A potência do motor por si só não define a velocidade máxima

Um motor com mais watts não torna o eixo mais rápido automaticamente.

A velocidade máxima ainda pode ser limitada por:

• Rotação do motor
• Tamanho da polia
• Classificação de velocidade da correia
• Dinâmica de guia
• Ressonância estrutural
• Transportadora de cabo

A largura e a rigidez da correia influenciam a aceleração

Uma correia mais larga ou mais rígida pode reduzir o alongamento elástico sob força dinâmica.

Isso pode melhorar:

• Comportamento de reversão
• Liquidação
• Posicionamento dinâmico
• Estabilidade de controle

Mas aumentar a largura da correia também aumenta a largura da polia e pode afetar o custo, o alinhamento e o tamanho do módulo.

O diâmetro da polia deve equilibrar velocidade, torque e vida útil da correia

A seleção da polia deve satisfazer todos os seguintes:

• Velocidade linear necessária
• Capacidade de rotação do motor
• Impulso necessário
• Raio mínimo de curvatura da correia
• Dentes engajados necessários
• Limites de rolamento

Não existe um diâmetro de polia único que maximize todas as métricas de desempenho.

Guia de pré-carga e resistência de funcionamento

Uma pré-carga de guia mais alta pode melhorar a rigidez, mas também aumenta a resistência ao rolamento e ao calor.

Em alta velocidade, a pré-carga excessiva pode aumentar:

• Demanda motora
• Temperatura guia
• Vestir

A guia deve ser selecionada de acordo com a rigidez e a carga necessárias, em vez de usar automaticamente a pré-carga mais alta disponível.

Transportadoras de cabos podem se tornar uma carga dinâmica importante

Em baixa velocidade, o arrasto do cabo pode parecer insignificante. Em alta velocidade e aceleração, o transportador de cabos pode se tornar uma importante fonte de força e vibração.

Verificar:

• Massa transportadora
• Raio de curvatura
• Velocidade máxima de deslocamento
• Aceleração máxima
• Período não suportado
• Preenchimento e disposição dos cabos

O mais rápidomódulo linearna máquina ainda pode ser limitada pelo sistema de cabos conectado a ela.

Como os perfis de movimento afetam a vibração

Um perfil de velocidade trapezoidal abrupto pode provocar mais vibração do que um perfil mais suave.

A curva S ou o movimento limitado por solavancos podem reduzir a taxa de mudança de aceleração e ajudar a diminuir:

• Excitação de quadro
• Vibração da correia
• Oscilação da ferramenta
• Tempo de acomodação

O melhor perfil depende do tempo de ciclo e da sensibilidade do processo.

Como aumentar a estabilidade em alta velocidade

1. Reduza a massa em movimento

Use ferramentas leves, suportes compactos e roteamento de cabos otimizado.

2. Use a tensão correta da correia

Mantenha a pretensão especificada em vez de apertar pelo tato.

3. Aumentar a rigidez estrutural

Fortalecer bases, travessas e suportes de ferramentas.

4. Use uma largura de correia e rigidez de tração adequadas

Isso reduz a resposta elástica sob aceleração.

5. Selecione o tamanho da polia como variável do sistema

Equilibre a rotação do motor, o empuxo, o engate dos dentes e a vida útil de flexão.

6. Melhorar a correspondência do motor e do servo

Verifique o desempenho de torque-velocidade e a inércia, em vez de apenas a potência do motor.

7. Otimize o perfil de movimento

Use o controle de solavancos ou uma aceleração mais suave onde a vibração estiver limitando a produtividade.

8. Melhore o gerenciamento de cabos

Reduza a variação do arrasto e evite a ressonância do cabo.

9. Teste em curso total e carga real

O comportamento da correia longa pode não aparecer durante testes de bancada de curso curto.

Sinais de que o eixo está sendo operado de forma muito agressiva

• Vibração ou chicote visível da correia
• Eventos repetidos de salto de dente
• Aumentando a corrente do motor
• Servo seguindo alarmes
• Maior tempo de acomodação
• Nova vibração ou ressonância
• Desgaste da borda da correia
• Ruído do rolamento da polia
• Aumento da temperatura guia
• A repetibilidade do posicionamento torna-se dependente da carga

Esses sintomas devem ser investigados antes de aumentar ainda mais a velocidade.

Como determinar uma velocidade máxima prática

1. Confirme a classificação de velocidade do fabricante do módulo.
2. Calcule as rpm da polia na velocidade linear alvo.
3. Verifique o torque e rpm do motor nesse ponto de operação.
4. Verifique a velocidade da correia e os limites da polia.
5. Verifique os limites de velocidade e aceleração do transportador de cabo.
6. Execute o eixo com a massa real em movimento.
7. Teste o curso completo.
8. Meça a vibração, o assentamento e a demanda do motor.
9. Repita durante o ciclo de trabalho real.
10. Defina o limite de produção abaixo do início do comportamento instável.

Como determinar um limite prático de aceleração

1. Calcule a força de aceleração necessária.
2. Verifique o pico de torque do motor.
3. Verifique o dente da correia e a capacidade de tração.
4. Verifique as cargas da polia e do rolamento.
5. Avalie o estiramento e o posicionamento da correia.
6. Meça a vibração e o assentamento.
7. Verifique a rigidez da guia e da estrutura.
8. Confirme o desempenho repetido durante o ciclo de trabalho.

O que o QRXQ precisa para avaliar o movimento da correia em alta velocidade

• Curso necessário
• massa em movimento
• Velocidade máxima desejada
• Aceleração alvo
• Tempo de ciclo
• Frequência de reversão
• Perfil e largura da correia
• Contagem de dentes da polia ou diâmetro primitivo
• Modelo do motor
• Instalação horizontal, vertical ou pórtico
• Repetibilidade necessária
• Configuração da operadora de cabo

O limite real de alta velocidade de um módulo de correia dentada é um limite do sistema.A velocidade da correia, rpm do motor, força de aceleração, vibração, estrutura e dinâmica do cabo devem permanecer dentro de uma janela operacional estável.

O QRXQ avalia a velocidade e a aceleração do módulo linear da correia dentada a partir do perfil de movimento completo, em vez de confiar apenas na velocidade mais alta mostrada em um catálogo.