Usando um módulo linear de correia dentada para movimento vertical

Uma correia dentadamódulo linearpode ser instalado verticalmente, mas a operação vertical requer uma seleção mais cuidadosa do que o movimento horizontal. Num eixo vertical, o motor deve vencer a gravidade durante o movimento ascendente e controlar a carga descendente durante o movimento descendente. O sistema também deve evitar que o carro e a carga caiam quando o motor parar, o servo perder potência ou a correia dentada falhar.

Por esta razão, um módulo linear de correia dentada vertical normalmente requer um motor-freio, torque suficiente do motor, um fator de segurança apropriado e medidas confiáveis ​​de prevenção de quedas. Dispositivos de contrapeso também podem ser usados ​​quando a carga útil é pesada ou o eixo opera em alta frequência.

Um módulo linear de correia dentada pode ser instalado verticalmente?

Sim. Tempomódulos lineares de correiasão amplamente utilizados como eixos de elevação verticais em sistemas pick-and-place, equipamentos de embalagem, máquinas de carga e descarga,robôs de pórtico, equipamentos de inspeção e linhas de produção automatizadas.

No entanto, nem todos os módulos de correia dentada são automaticamente adequados para instalação vertical. As seguintes condições devem ser verificadas antes da seleção:

• A correia dentada deve ter resistência à tração suficiente.
• O motor deve fornecer torque suficiente para levantar a carga contra a gravidade.
• O motor deve incluir um freio eletromagnético.
• O trilho-guia e o carro devem suportar a carga e o momento aplicados.
• A estrutura deve incluir proteção contra desligamento e medidas de prevenção de quedas.
• A carga selecionada deve permanecer abaixo da carga vertical permitida do módulo.
• A aceleração, velocidade, curso e frequência operacional devem ser consideradas em conjunto.

Um módulo com uma classificação de carga horizontal elevada pode ter uma carga admissível muito menor quando instalado verticalmente porque a gravidade atua continuamente no conjunto móvel.

Como a instalação vertical difere da instalação horizontal

Numa aplicação horizontal, a gravidade é suportada principalmente pela guia linear. O motor supera principalmente a força de aceleração, o atrito e a resistência externa do processo.

Numa aplicação vertical, o motor deve suportar ou controlar continuamente o peso do carro, das ferramentas e da carga útil. A força necessária para a aceleração ascendente é, portanto, significativamente maior.

Fator de seleção	Eixo horizontal	Eixo vertical
Influência da gravidade	Principalmente transportado pelo guia	Atua diretamente contra o sistema de acionamento
Freio do motor	Geralmente opcional	Normalmente necessário
Risco de desligamento	O carro normalmente permanece na posição	O transporte pode cair
Torque do motor	Baseado principalmente em aceleração e atrito	Deve incluir gravidade, aceleração e atrito
Projeto de segurança	Proteção de movimento padrão	Freio, parada mecânica e proteção anti-queda
Contrabalançar	Raramente necessário	Útil para cargas pesadas ou de alto ciclo

Calcule a carga do eixo vertical

A massa móvel de um módulo de correia dentada vertical inclui mais do que a carga útil do cliente. A massa móvel total deve incluir:

• Peso da peça ou produto
• Dispositivo elétrico, pinça ou peso da ferramenta
• Peso do carro em movimento
• Sensores, cabos e suportes montados
• Qualquer mecanismo móvel adicional

A força gravitacional básica é calculada como:

F_g= m × g

Onde:

• F_gé a força da gravidade em newtons.
• eué a massa móvel total em quilogramas.
• gé a aceleração gravitacional, aproximadamente 9,81 m/s².

Por exemplo, se a massa móvel completa for 20 kg:

F_g= 20 × 9,81 = 196,2 N

O motor deve fornecer mais de 196,2 N porque é necessária força adicional para aceleração, fricção e perdas de transmissão.

Força necessária durante a aceleração ascendente

A força motriz ascendente aproximada pode ser calculada como:

F_acima= m × (g + a) + F_f+F_e

Onde:

• umé a aceleração ascendente.
• F_fé a resistência ao atrito estimada.
• F_eé qualquer força de processo externa adicional.

A força de projeto deve então incluir um fator de segurança:

F_projeto=F_acima×S

Para um eixo vertical típico, um fator de segurança de 1,5 a 2,0 é comumente considerado. Um fator maior pode ser necessário para cargas de choque, partidas e paradas frequentes, cargas incertas ou equipamentos críticos para a segurança.

Força durante o movimento descendente

A gravidade auxilia o movimento descendente, mas isso não significa que a operação descendente não exija torque do motor. O motor deve controlar a massa descendente e evitar excesso de velocidade.

Durante a desaceleração rápida, o motor pode operar em condição regenerativa. O servoacionamento pode, portanto, exigir um resistor de frenagem ou uma unidade regenerativa, especialmente quando a massa em movimento, a velocidade ou o curso são grandes.

Cálculo do Torque do Motor

Depois de determinar a força linear necessária, o torque na polia sincronizadora pode ser estimado usando:

T_polia=F_projeto×r÷n

Onde:

• T_poliaé o torque necessário da polia.
• Ré o raio primitivo da polia sincronizadora.
• oué a eficiência de transmissão.

Se for usada uma caixa de engrenagens, o torque necessário do motor pode ser estimado como:

T_motor=T_polia÷ (eu × n_g)

Onde:

• eué a relação de redução da caixa de velocidades.
• ou_gé a eficiência da caixa de velocidades.

A seleção do motor não deve ser baseada apenas no torque nominal. Os seguintes valores também devem ser verificados:

• Torque nominal do motor
• Torque máximo do motor
• Torque de aceleração necessário
• Velocidade máxima de operação
• Inércia do motor e relação de inércia da carga
• Torque RMS durante todo o ciclo operacional
• Energia regenerativa durante a desaceleração descendente
• Torque de retenção do freio

Um servo motor é geralmente preferido para aplicações de correia dentada vertical porque fornece aceleração controlada, posicionamento preciso, monitoramento de velocidade e proteção contra sobrecarga.

Por que um eixo vertical precisa de um motor com freio

Um freio de motor eletromagnético é um dos componentes mais importantes em um sistema de movimento vertical. Quando o servo é desabilitado ou a fonte de alimentação é interrompida, a gravidade pode fazer com que o carro se mova para baixo. O freio segura o eixo do motor e ajuda a manter o eixo vertical na posição.

O freio deve ser normalmente fechado, acionado por mola e liberado eletricamente. Isto significa que o freio é acionado automaticamente quando a energia elétrica é removida.

O torque de retenção estático necessário na polia pode ser estimado como:

T_segurar= m × g × r ÷ n

Um fator de segurança de retenção deve então ser aplicado:

T_freio≥T_segurar×S_b

O torque de freio selecionado deve exceder o torque de retenção calculado. O freio também deve levar em conta o carro, as ferramentas e todos os outros componentes móveis.

Sequência de controle de freio recomendada

1. Habilite o servo e estabeleça o torque de retenção do motor.
2. Solte o freio eletromagnético.
3. Confirme a liberação do freio antes de iniciar o movimento.
4. Complete o movimento e pare o eixo utilizando o servo motor.
5. Comande o freio para engatar.
6. Confirme se o freio está acionado.
7. Desative o servo somente depois que o freio tiver fixado a carga.

Um atraso deve ser incluído no programa de controle para levar em conta o tempo mecânico de abertura e fechamento do freio.

Opções de contrapeso para movimento vertical

Um contrapeso reduz a carga de gravidade efetiva que atua no motor. Pode diminuir o torque do motor, reduzir o consumo de energia, diminuir o desgaste do freio e melhorar a estabilidade do eixo vertical.

Os métodos de contrapeso comuns incluem:

Contrapeso

Um contrapeso é conectado ao carro móvel por meio de uma correia, polia ou sistema de cabos. Pode compensar uma grande parte da massa em movimento.

Os contrapesos são eficazes para cursos longos e cargas pesadas, mas requerem espaço de instalação adicional e aumentam a inércia de movimento total do sistema.

Mola a gás

Uma mola a gás pode fornecer uma força de suporte ascendente em mecanismos verticais compactos. É relativamente simples, mas sua força muda com o curso e pode não permanecer constante durante todo o percurso.

Cilindro Pneumático

Um cilindro pneumático pode ser usado como cilindro de balanceamento. A pressão do ar pode ser ajustada de acordo com a carga vertical.

Este método é adequado para máquinas que já possuem um fornecimento de ar comprimido estável. A perda de pressão e o vazamento de ar devem ser considerados no projeto de segurança.

Mola de Força Constante

Uma mola de força constante pode fornecer uma força de suporte aproximadamente uniforme durante seu curso de trabalho. É frequentemente usado para eixos verticais relativamente leves e equipamentos compactos.

A força de equilíbrio normalmente não deve exceder a força gravitacional total. O contrapeso excessivo pode fazer com que o carro suba quando o motor estiver desativado.

Tensão da correia dentada em um módulo vertical

A tensão correta da correia dentada é essencial para a operação vertical. Se a tensão da correia estiver muito baixa, o sistema poderá apresentar:

• Salto de dente durante aceleração ou parada de emergência
• Erros de posicionamento
• Vibração e ruído anormal
• Movimento descendente instável
• Rigidez de transmissão reduzida

Se a tensão da correia for muito alta, poderá causar:

• Carga excessiva do motor
• Aumento da carga do rolamento da polia
• Maior fricção e temperatura
• Desgaste acelerado da correia e dos rolamentos
• Vida útil reduzida

A tensão da correia deve seguir o valor especificado pelo fabricante do módulo. Não deve ser aumentado arbitrariamente para compensar o torque insuficiente do motor ou uma correia subdimensionada.

A largura da correia, o perfil do dente, o material de reforço e a carga de tração admissível devem ser adequados para a força vertical de projeto.

Proteção contra desligamento e prevenção de quedas

Um freio motor por si só pode não fornecer proteção suficiente para todas as aplicações verticais. O nível de segurança adequado depende da massa em movimento, da altura de instalação, do ambiente operacional e das consequências de uma queda descontrolada.

As possíveis medidas de prevenção de quedas incluem:

• Freio do motor normalmente fechado
• Dispositivo mecânico anti-queda
• Freio de segurança montado no trilho-guia
• Mecanismo de catraca ou travamento
• Sistema de contrapeso
• Paradas finais mecânicas
• Amortecedores de absorção de energia
• Trava de segurança ou suporte secundário
• Correia redundante ou mecanismo de elevação
• Alarme servo e monitoramento do status do freio

Onde o pessoal puder entrar na área abaixo do eixo vertical, o sistema não deverá depender apenas do freio do motor. Pode ser necessária uma avaliação de risco e um dispositivo de retenção mecânica independente.

Proteção contra falha da correia

Embora uma correia dentada corretamente selecionada tenha uma longa vida útil, o desgaste da correia, a tensão incorreta, a contaminação, o desalinhamento da polia ou a sobrecarga podem eventualmente causar falhas.

Para equipamentos nos quais a falha da correia possa criar um perigo grave, considere:

• Um arranjo de cinto duplo
• Um cabo de segurança secundário
• Um freio de segurança para trilho-guia
• Um pino de travamento mecânico
• Inspeção e substituição programada da correia
• Um invólucro protetor que impede o acesso abaixo do eixo

Considerações sobre trilhos-guia e carga momentânea

A carga útil vertical deve ser posicionada o mais próximo possível do centro do carro. Uma carga útil deslocada produz cargas momentâneas na guia linear.

Os principais momentos normalmente verificados são:

• Momento de lançamento
• Momento de guinada
• Momento rolante

Uma carga leve localizada longe do carro pode criar uma carga guia maior do que uma carga mais pesada instalada perto do centro do carro.

Quando a ferramenta tiver um grande balanço, considere usar:

• Uma carruagem mais longa
• Dois blocos guia
• Um módulo mais amplo
• Dois módulos verticais paralelos
• Uma estrutura de guia externa

Requisitos de projeto de instalação vertical

O módulo deve ser montado em uma estrutura de máquina rígida e plana. A rigidez insuficiente da estrutura pode causar vibração, desalinhamento da guia e baixa precisão de posicionamento.

Durante a instalação:

• Certifique-se de que o módulo esteja alinhado verticalmente.
• Apoie o módulo ao longo das superfícies de montagem recomendadas.
• Aperte os parafusos de montagem usando a sequência e o torque especificados.
• Evite torcer o perfil de alumínio.
• Fornece orientação flexível do cabo para o carro móvel.
• Evite que os cabos puxem o carro para baixo ou para os lados.
• Instale sensores de limite superior e inferior.
• Defina os limites de deslocamento do software dentro dos limites mecânicos.
• Forneça distância de desaceleração suficiente antes das paradas finais.
• Instale amortecedores mecânicos para ultrapassagens anormais.

Procedimento de seleção do módulo da correia dentada vertical

1. Calcule a massa móvel total.Inclua a carga útil, o acessório, o carro e todos os acessórios móveis.
2. Defina o traço.Adicione margens de segurança e distância de desaceleração ao percurso necessário.
3. Determine a velocidade e a aceleração.Use o perfil de movimento real em vez de apenas a velocidade máxima da máquina.
4. Calcule a força motriz ascendente.Inclui gravidade, aceleração, atrito e resistência externa.
5. Aplique um fator de segurança.Aumente o fator para cargas de choque ou condições operacionais incertas.
6. Verifique a capacidade da correia.Verifique a tensão permitida, a resistência dos dentes e a largura da correia.
7. Calcule o torque da polia.Use o raio de inclinação da polia e a eficiência da transmissão.
8. Selecione o motor e a caixa de velocidades.Verifique o torque nominal, pico de torque, velocidade, inércia e torque RMS.
9. Selecione o freio do motor.Certifique-se de que o torque de retenção do freio exceda o requisito de retenção por gravidade.
10. Verifique a carga e os momentos da guia.Inclui balanço de carga útil e dimensões de ferramentas.
11. Avalie a energia regenerativa.Adicione um resistor de frenagem ou unidade regenerativa quando necessário.
12. Projete proteção anti-queda.Selecione a proteção de acordo com a avaliação de risco da máquina.
13. Verifique a vida útil.Considere a frequência do ciclo, as horas de operação diárias e os intervalos de manutenção esperados.

Exemplo de cálculo do eixo vertical

Considere um módulo de correia dentada vertical com as seguintes condições:

• Massa móvel total: 20 kg
• Aceleração ascendente: 1,5 m/s²
• Resistência ao atrito estimada: 50 N
• Força de processo externa: 0 N
• Fator de segurança: 1,5
• Raio de passo da polia: 25 mm ou 0,025 m
• Eficiência de transmissão: 90%

A força ascendente é:

F_acima = 20 × (9.81 + 1.5) + 50

F_acima= 276,2N

Depois de aplicar o fator de segurança:

F_projeto= 276,2 × 1,5 = 414,3 N

O torque necessário da polia é:

T_polia = 414.3 × 0.025 ÷ 0.90

T_polia≈ 11,5 N·m

O torque de retenção da gravidade estática é:

T_segurar = 20 × 9.81 × 0.025 ÷ 0.90

T_segurar≈ 5,45 N·m

O motor, redutor e freio selecionados devem ser verificados em relação a estes valores. A seleção final também deve considerar a velocidade de operação, pico de torque, inércia do motor, tempo de ciclo e energia regenerativa.

Erros comuns de instalação vertical

Selecionando o motor somente por carga útil

A carga útil por si só não representa a massa em movimento completa. Ignorar o carro, as ferramentas e os acessórios pode levar a um torque insuficiente do motor.

Usando um motor sem freio

Um servo motor pode manter a posição enquanto estiver energizado, mas não pode garantir a manutenção quando a energia for removida. Um eixo vertical normalmente deve usar um motor freio.

Tratando o freio como uma parada de emergência

Usar repetidamente um freio de retenção para parar um eixo em movimento pode causar desgaste rápido e falha do freio. O servo deve parar o movimento antes que o freio seja acionado.

Ignorando a regeneração descendente

Uma carga vertical pesada pode retornar energia ao servo acionamento durante a descida. Sem capacidade regenerativa adequada, o inversor poderá produzir um alarme de sobretensão.

Aumentando excessivamente a tensão da correia

A pré-tensão excessiva não pode corrigir uma correia ou motor subdimensionado. Aumenta a carga do rolamento e pode reduzir a vida útil do módulo.

Confiando apenas nos limites do software

Os limites de software não podem proteger a máquina durante falha do controlador, falha do sensor ou perda de energia. Limites mecânicos e buffers também devem ser fornecidos.

Ignorando o excesso de carga útil

Um acessório deslocado pode criar carga de momento excessiva mesmo quando o peso da carga útil está dentro da classificação nominal.

Perguntas frequentes

Um módulo de correia dentada pode suportar uma carga vertical sem energia?

Somente quando um freio adequado ou dispositivo de retenção mecânica for fornecido. O servo motor em si não consegue segurar a carga de forma confiável depois que a energia é removida.

Um motor de passo é adequado para um eixo de correia dentada vertical?

Um motor de passo pode ser usado para cargas verticais leves e de baixa velocidade, mas deve incluir um freio e margem de torque suficiente. Um servo motor é geralmente preferido para velocidades mais altas, cargas mais pesadas e aplicações que exigem feedback de posição.

Todo eixo vertical precisa de um contrapeso?

Não. Um contrapeso é opcional quando o motor e o freio podem suportar a carga com segurança. Torna-se mais útil para cargas pesadas, cursos longos, altas taxas de ciclo ou equipamentos sensíveis à energia.

Qual fator de segurança deve ser usado?

Um fator de aproximadamente 1,5 a 2,0 é frequentemente considerado para seleção preliminar. O fator real deve ser determinado de acordo com a incerteza da carga, choque, frequência operacional e requisitos de segurança da máquina.

O freio do motor pode parar o eixo durante uma emergência?

Um freio motor padrão destina-se principalmente a reter uma carga estacionária. A parada de emergência normalmente deve ser realizada pelo servoconversor, por um freio de segurança dedicado ou por outro dispositivo de parada com classificação adequada.

Como evitar que um módulo vertical caia se a correia quebrar?

Os sistemas de alto risco podem utilizar freio de segurança de trilho-guia, cabo secundário, correia redundante, mecanismo de travamento mecânico ou invólucro de proteção. O método apropriado deve ser selecionado através de uma avaliação de risco da máquina.

Conclusão

Um módulo linear de correia dentada pode fornecer movimento vertical rápido, de curso longo e preciso quando selecionado corretamente. O projeto deve levar em conta a massa móvel total, a força da gravidade, a aceleração, o torque da polia, a capacidade da correia, os momentos de guia e a energia regenerativa.

Um motor-freio normalmente é essencial, mas o freio não deve ser tratado como o único dispositivo de segurança. Para cargas pesadas ou aplicações onde a queda possa causar ferimentos ou danos ao equipamento, também devem ser considerados sistemas de contrapeso e proteção mecânica independente contra quedas.

Ao combinar cálculos de carga precisos, margens de segurança suficientes, tensão correta da correia e proteção confiável contra desligamento, um módulo de correia dentada vertical pode operar de forma segura e consistente durante toda a vida útil pretendida.