Cómo elegir un módulo lineal de husillo de bolas: guía de selección completa

Seleccionando unmódulo lineal de husillo de bolasrequiere más que comparar las especificaciones de carga máxima y carrera. El modelo correcto debe satisfacer la carga, el recorrido, la velocidad, la precisión de posicionamiento, la orientación de la instalación, la capacidad del motor y el entorno operativo de la aplicación al mismo tiempo.

Un módulo de gran tamaño puede aumentar el costo del equipo y la masa en movimiento, mientras que un módulo de tamaño insuficiente puede causar vibración excesiva, errores de posicionamiento, desgaste prematuro del husillo de bolas o sobrecarga del motor. Un proceso de selección sistemático ayuda a equilibrar el rendimiento, la confiabilidad y el costo.

Esta guía explica cómo elegir un módulo lineal de husillo de bolas evaluando los requisitos de la aplicación, la capacidad de carga, la carrera, el diámetro del husillo, el paso, la velocidad, la precisión, la orientación de la instalación, la selección del motor y las condiciones ambientales.

1. Definir los requisitos de la solicitud

El primer paso es definir claramente cuál es elmódulo linealdebe cumplir. La selección debe comenzar con el ciclo de movimiento real en lugar de con el tamaño de módulo o modelo de motor preferido.

Recopile la siguiente información de la aplicación:

• Peso de la pieza de trabajo, accesorios y herramientas
• Carrera efectiva requerida
• Instalación horizontal, vertical o inclinada
• Velocidad máxima de funcionamiento
• Aceleración y desaceleración
• Precisión de posicionamiento requerida
• Repetibilidad requerida
• Tiempo de ciclo y horas de funcionamiento diarias.
• Fuerzas externas que actúan sobre el carro.
• Momentos radiales, de cabeceo, de guiñada y de balanceo.
• Espacio de instalación disponible
• Requisitos del motor y del controlador
• Condiciones de temperatura, polvo, humedad y sala limpia.

Un perfil de movimiento completo debe incluir la distancia recorrida, el tiempo de aceleración, el tiempo de velocidad constante, el tiempo de desaceleración y el tiempo de permanencia. Estos parámetros determinan la velocidad requerida del motor, el par y la velocidad de funcionamiento del husillo de bolas.

2. Calcule la carga móvil total

La carga móvil total no se limita a la pieza de trabajo. Incluye todos los componentes montados en el carro.

La masa en movimiento puede incluir:

• Pieza de trabajo
• Accesorio o paleta
• Pinza o efector final
• Soporte del sensor
• Módulo de eje secundario
• Motor o caja reductora montada sobre el eje móvil.
• Cables y fuerzas portacables

La fuerza de aceleración básica se puede estimar como:

F = metro × un

Dónde:

• Fes la fuerza de aceleración en newtons
• metroes la masa total en movimiento en kilogramos
• aes la aceleración en metros por segundo al cuadrado

En una instalación horizontal, el husillo de bolas supera principalmente la fuerza de aceleración, la fricción y las fuerzas externas del proceso.

Para una instalación vertical, el variador también debe vencer la gravedad:

F_vertical= m × g + m × a + F_fricción+F_externo

Para la aceleración hacia abajo, la gravedad puede ayudar al movimiento, pero el motor y el freno aún deben controlar la carga de manera segura durante la desaceleración y la pérdida de potencia.

Aplicar un factor de seguridad adecuado

El empuje calculado no debe ser igual al empuje nominal máximo del módulo. Se necesita un factor de seguridad para tener en cuenta la variación de carga, el impacto, la desviación del ensamblaje y la resistencia inesperada.

Para aplicaciones estables y de bajo impacto, comúnmente se considera un factor de seguridad de aproximadamente 1,5 a 2,0. Las aplicaciones que implican cargas de choque, alta aceleración, arranques y paradas frecuentes o fuerzas externas inciertas pueden requerir un factor más alto.

Siempre verifique tanto la carga útil permitida del módulo como la capacidad de carga dinámica del husillo de bolas.

3. Evaluar cargas de momento

Un carro de módulo lineal puede estar sujeto a más que una carga vertical directa. Una carga desplazada crea fuerzas de momento que actúan sobre la guía lineal y el carro.

Las principales direcciones del momento incluyen:

• Momento de lanzamiento:rotación alrededor del eje transversal
• Momento de guiñada:rotación alrededor del eje vertical
• Momento de rodadura:rotación alrededor del eje de desplazamiento

Un cálculo de momento simplificado es:

M = F×L

Dónde:

• METROes el momento aplicado
• Fes la fuerza aplicada
• les la distancia entre la fuerza y ​​el centro del carro

Incluso una carga moderada puede generar un gran momento cuando se monta lejos del centro del carro. Por lo tanto, la capacidad de carga útil por sí sola no es suficiente para la selección del módulo.

Cuando el momento aplicado se acerca al límite permitido del módulo, considere:

• Aumentar la longitud del carro
• Usando un módulo más amplio
• Instalación de dos módulos paralelos
• Reducir el desplazamiento de carga
• Agregar una guía de soporte externo

4. Determine la carrera requerida

La carrera especificada debe basarse en el recorrido de trabajo real más la distancia adicional requerida para una operación segura.

La carrera del módulo requerida puede incluir:

• Viaje de proceso efectivo
• Autorización de carga y descarga
• Distancia de activación del sensor
• Distancia de aceleración y desaceleración.
• Margen de seguridad mecánica
• Asignación por puesto local

No se debe seleccionar un módulo con su carro funcionando continuamente contra los límites mecánicos finales. Reserve un recorrido adecuado en ambos extremos para sensores de límite, desaceleración de emergencia y ajuste de instalación.

La carrera no es lo mismo que la longitud total

La longitud total del módulo es mayor que la carrera efectiva porque el cuerpo debe acomodar el carro, los soportes de los cojinetes, el soporte del motor y las estructuras finales.

Antes de confirmar el trazo, verificar:

• Longitud total del módulo
• Longitud de extensión del motor
• Dimensiones del acoplamiento y del soporte del motor.
• Espacio para doblar el portacables
• Acceso a mantenimiento y lubricación.

5. Seleccione el diámetro del husillo de bolas.

El diámetro del husillo de bolas afecta la capacidad de empuje, la rigidez, la velocidad crítica, la resistencia al pandeo y la vida útil. Un diámetro de tornillo mayor generalmente proporciona una mayor rigidez axial y soporta cargas más altas, pero también aumenta la inercia de rotación, el tamaño del módulo y el costo.

El diámetro del tornillo debe seleccionarse según:

• Carga axial
• Trazo del módulo
• Velocidad de rotación máxima
• Orientación de instalación
• Rigidez requerida
• Disposición de soporte
• Vida útil esperada

Aplicaciones de carrera larga

A medida que el tornillo se alarga, su velocidad de rotación crítica disminuye. Si el tornillo gira demasiado rápido, puede producir vibraciones, ruidos y latigazos.

Para un trazo largo, es posible que el diseñador necesite:

• Utilice un diámetro de tornillo mayor
• Seleccione un cable más grande para reducir la velocidad del tornillo.
• Reducir la velocidad lineal máxima
• Mejorar la disposición del soporte del tornillo.
• Utilice una configuración de rodamiento fijo-fijo
• Considere otro método de transmisión para viajes muy largos.

Aplicaciones verticales

Las instalaciones verticales colocan una carga axial continua sobre el husillo de bolas. El diámetro del tornillo y la capacidad de carga de la tuerca de bolas deben soportar la masa suspendida manteniendo al mismo tiempo la seguridad adecuada contra pandeo y movimiento descendente inesperado.

6. Elija el paso correcto del husillo de bolas

El avance del husillo de bolas es la distancia lineal recorrida por la tuerca durante una revolución del husillo. El plomo afecta directamente a la velocidad, el empuje, el par motor, la resolución y el rendimiento del control.

La relación entre la velocidad lineal, el avance del tornillo y la velocidad de rotación es:

norte = v × 60 ÷ L

Dónde:

• nortees la velocidad del tornillo en revoluciones por minuto
• ves la velocidad lineal en milímetros por segundo
• les el paso del tornillo en milímetros por revolución

Por ejemplo, cuando la velocidad lineal requerida es 500 mm/s y el paso del tornillo es 10 mm:

norte = 500 × 60 ÷ 10 = 3000 rpm

Husillos de bolas de paso pequeño

Una ventaja más pequeña generalmente proporciona:

• Mayor ventaja mecánica
• Mayor empuje para el mismo par motor
• Movimiento teórico más fino por revolución del motor.
• Mejor control a baja velocidad

Sin embargo, un paso pequeño requiere una mayor velocidad de rotación del tornillo para lograr la misma velocidad lineal.

Husillos de bolas de paso grande

Una ventaja mayor generalmente proporciona:

• Mayor velocidad lineal con menor velocidad de tornillo
• Menor riesgo de exceder la velocidad crítica del tornillo
• Tiempos de ciclo más cortos para viajes largos

Sin embargo, un paso más grande requiere más par motor para el mismo empuje axial y proporciona un mayor movimiento lineal por revolución del motor.

Saldo de selección de clientes potenciales

La ventaja correcta debe equilibrar:

• Velocidad requerida
• Empuje requerido
• Velocidad nominal del motor
• par motor
• Resolución de posicionamiento
• Velocidad crítica del tornillo
• Rendimiento de aceleración

7. Verifique la velocidad máxima

La velocidad máxima del módulo está limitada por más que la velocidad de rotación máxima del motor. El sistema completo debe permanecer dentro del rango operativo permitido del husillo de bolas, cojinetes, acoplamiento, guía lineal y sistema de lubricación.

Verifique los siguientes límites:

• Velocidad crítica del husillo de bolas
• Velocidad de rotación permitida del husillo de bolas
• Velocidad nominal y máxima del motor
• Velocidad permitida del acoplamiento
• Velocidad permitida del rodamiento
• Velocidad de funcionamiento de la guía lineal
• condición de lubricación
• Requisitos de ruido y vibración.

Un módulo no debe funcionar continuamente en su especificación máxima teórica. Seleccionar un margen operativo razonable mejora la estabilidad y la vida útil.

Aceleración y tiempo de ciclo

La alta velocidad por sí sola no garantiza un tiempo de ciclo corto. En un recorrido corto, es posible que el módulo no tenga suficiente distancia para alcanzar su velocidad máxima.

El ciclo de movimiento debe evaluarse utilizando:

• tiempo de aceleración
• Tiempo de viaje a velocidad constante
• tiempo de desaceleración
• tiempo de asentamiento
• Tiempo de permanencia del proceso
• tiempo de viaje de regreso

Para movimientos cortos y de alta frecuencia, la capacidad de aceleración y el comportamiento de asentamiento pueden ser más importantes que la velocidad máxima.

8. Defina la precisión requerida

Las especificaciones de precisión deben basarse en los requisitos reales del proceso. Seleccionar una precisión innecesariamente alta puede aumentar los costos sin mejorar el rendimiento de la producción.

Los términos de precisión importantes incluyen:

Precisión de posicionamiento

La precisión de posicionamiento describe la diferencia entre la posición ordenada y la posición real a lo largo del recorrido del módulo.

Repetibilidad

La repetibilidad describe la capacidad del módulo para regresar a la misma posición repetidamente bajo las mismas condiciones operativas.

Reacción

El contragolpe es un movimiento perdido que puede ocurrir cuando se invierte la dirección de desplazamiento. Las tuercas de bolas precargadas pueden reducir el juego axial y mejorar el rendimiento de marcha atrás.

Resolución

La resolución es el movimiento teórico más pequeño que puede ser comandado por el motor y el sistema de control. Depende del avance del tornillo, la resolución del codificador y la interpolación electrónica.

Una alta resolución de comando no garantiza automáticamente una alta precisión de posicionamiento. La precisión real también se ve afectada por:

• Error de avance del husillo de bolas
• Reacción
• Rectitud de la guía
• Precisión de la superficie de montaje
• Deformación estructural
• Expansión térmica
• Alineación del acoplamiento
• Rendimiento del codificador
• Ajuste del controlador

Haga coincidir la precisión con el proceso

9. Considere la orientación de instalación

La orientación de la instalación cambia la carga que actúa sobre el husillo de bolas, las guías y el motor.

Instalación Horizontal

En una configuración horizontal, la guía lineal soporta el peso mientras que el husillo de bolas proporciona principalmente aceleración y empuje del proceso. Esta es generalmente la orientación menos exigente para el sistema de propulsión.

Instalación vertical

En una configuración vertical, el motor debe vencer continuamente la gravedad. La selección debe considerar:

• Par de elevación continuo
• Par de aceleración máximo
• freno motor
• Parada de emergencia
• Protección contra pérdida de energía
• Resistencia al pandeo del husillo de bolas
• Requisitos de contrapeso

Normalmente se considera un motor equipado con frenos cuando un movimiento descendente incontrolado podría provocar daños al equipo o un riesgo para la seguridad.

Instalación lateral

Cuando el módulo se monta de lado, la dirección de carga con respecto a los bloques guía cambia. Verifique las clasificaciones de carga y momento permitidas para la dirección de instalación real.

Instalación inclinada

Un eje inclinado combina componentes de fuerza horizontal y vertical. La fuerza gravitacional a lo largo de la dirección de desplazamiento se puede estimar según el ángulo de instalación y debe incluirse en el cálculo del empuje.

10. Seleccione el motor

El motor debe proporcionar suficiente velocidad, par continuo, par máximo y capacidad de aceleración para todo el ciclo de movimiento.

La selección del motor debe incluir:

• Velocidad de rotación máxima
• Par de funcionamiento continuo
• Par de aceleración máximo
• Inercia de carga
• Inercia rotacional del husillo de bolas
• Eficiencia de acoplamiento
• Carga por gravedad vertical
• Fricción y resistencia externa.
• ciclo de trabajo
• Requisitos del freno de mantenimiento

Estimar el par motor

El par requerido para generar fuerza axial a través de un husillo de bolas se puede estimar como:

T = F × L ÷ (2π × η)

Dónde:

• tes el par requerido
• Fes la fuerza axial
• les el paso del husillo de bolas
• oes la eficiencia de transmisión del husillo de bolas

El par motor total también debe incluir el par de aceleración de la masa en movimiento y los componentes giratorios.

Verificar la velocidad del motor

La velocidad requerida del motor está determinada por la velocidad lineal objetivo y el avance del tornillo. El motor debe poder mantener la velocidad de funcionamiento requerida sin funcionar continuamente en su límite máximo absoluto.

Comprobar coincidencia de inercia

Una alta relación de inercia carga-motor puede dificultar el ajuste del servo y reducir la estabilidad de la respuesta. Cuando la inercia es excesiva, las posibles soluciones incluyen:

• Usando un motor más grande
• Reducir la aceleración
• Cambiar el paso del husillo de bolas
• Agregar una caja de cambios
• Reducir la masa en movimiento

Servomotor o motor paso a paso

11. Evaluar las condiciones ambientales

El entorno operativo afecta el sellado del módulo, la lubricación, la selección de materiales y la vida útil.

Polvo y partículas

El polvo puede entrar en la pista de rodadura del husillo de bolas y en la guía lineal, provocando desgaste y movimiento inestable. Es posible que se requieran cubiertas protectoras, fuelles, sellos o diseños de módulos completamente cerrados.

Condiciones de humedad y corrosión

Los ambientes húmedos, de lavado o químicamente agresivos pueden requerir:

• Componentes resistentes a la corrosión
• Tratamiento superficial especial
• Rodamientos sellados
• Sensores resistentes al agua
• Fundas protectoras adecuadas
• Lubricante compatible con el medio ambiente

Aplicaciones de sala limpia

Los equipos de sala blanca pueden requerir materiales con bajo contenido de partículas, lubricación controlada, componentes de transmisión cerrados y gestión de cables compatible.

Temperatura alta o baja

Los cambios de temperatura pueden afectar la viscosidad del lubricante, la holgura de los componentes, la confiabilidad del sensor y la expansión térmica. Las aplicaciones de precisión deben evaluar el efecto de la temperatura en la precisión del posicionamiento.

Aplicaciones de vacío

Los entornos de vacío requieren grasa, materiales, cables y tratamientos de superficie compatibles. Los módulos estándar no se deben considerar adecuados sin confirmación.

12. Verifique la rigidez del módulo y la precisión del montaje

Un husillo de bolas de alta precisión no puede compensar un bastidor de máquina débil o una superficie de montaje irregular.

La estructura de montaje debe proporcionar:

• Planitud suficiente
• Adecuada rigidez estructural
• Puntos de sujeción seguros
• Alineación correcta
• Resistencia a la vibración
• Estabilidad térmica

Cuando se instalan dos módulos en paralelo, la alineación se vuelve especialmente importante. La desalineación puede crear fricción adicional, carga desigual de la guía y desgaste prematuro.

13. Verificar la vida útil y el ciclo de trabajo

La vida útil del husillo de bolas y de la guía lineal depende de la magnitud de la carga, la dirección de la carga, la velocidad, la aceleración, la lubricación y la frecuencia de funcionamiento.

La selección debe considerar:

• Número de ciclos por minuto
• Horas de funcionamiento por día
• Vida útil esperada del equipo
• Carga media y pico
• Impacto y vibración
• Intervalo de lubricación
• Accesibilidad de mantenimiento

Un módulo que cumpla con el requisito de carga máxima aún puede no ser adecuado para el funcionamiento continuo de alta frecuencia si su vida de fatiga calculada es insuficiente.

14. Ejemplo de selección de módulo lineal de husillo de bolas

Considere una aplicación de posicionamiento horizontal con los siguientes requisitos:

• Masa total en movimiento: 35 kg
• Carrera efectiva: 800 mm
• Velocidad máxima: 600 mm/s
• Aceleración: 3 m/s²
• Repetibilidad requerida: ±0,02 mm
• Instalación: horizontal
• Operación: movimiento alternativo frecuente

La fuerza de aceleración básica es:

F = 35 × 3 = 105 N

Luego se deben agregar fricción adicional, resistencia del cable y fuerzas del proceso. Después de aplicar un factor de seguridad adecuado, se puede utilizar el empuje requerido para seleccionar el husillo de bolas y el motor.

Si se selecciona un paso de 10 mm, la velocidad del tornillo a 600 mm/s es:

norte = 600 × 60 ÷ 10 = 3600 rpm

El diseñador debe verificar que esta velocidad esté por debajo de la velocidad permitida del husillo de bolas y la velocidad crítica para el diámetro y la carrera del husillo seleccionados.

Si la velocidad del tornillo es demasiado alta, los posibles ajustes incluyen:

• Usando una ventaja más grande
• Aumentar el diámetro del tornillo
• Reducir la velocidad máxima
• Cambiar la configuración del soporte-cojinete

La selección final también debe confirmar la capacidad del momento guía, el par máximo del motor, el ciclo de trabajo, la longitud del módulo y los requisitos de espacio de instalación.

15. Lista de verificación para la selección del módulo lineal de husillo de bolas

Errores comunes en la selección del módulo lineal de husillo de bolas

• Seleccionar un módulo solo según la carga útil
• Ignorar las cargas de momento causadas por un accesorio desplazado
• Utilizar la carrera efectiva como longitud total de instalación
• Seleccionar un paso pequeño sin comprobar la velocidad de rotación del tornillo
• Seleccionar un cable grande sin comprobar el par del motor
• Ignorar la velocidad crítica en aplicaciones de carrera larga
• Uso de datos de carga horizontal para una instalación vertical
• Ignorar el par de aceleración y desaceleración
• Resolución confusa del codificador con precisión de posicionamiento real
• Instalación de un módulo de precisión en una superficie de montaje inexacta
• Operando continuamente con las máximas especificaciones del catálogo.
• Ignorar los requisitos de lubricación y protección contra el polvo

Conclusión

La elección de un módulo lineal de husillo de bolas requiere una evaluación completa de la carga mecánica, el perfil de movimiento, la carrera, el diámetro del husillo, el avance, la velocidad, la precisión, la orientación de la instalación, el motor y el entorno operativo.

Comience con la masa en movimiento real, las fuerzas externas y las cargas de momento de la aplicación. Luego calcule el empuje requerido, determine la carrera, seleccione un diámetro y avance de tornillo apropiados y verifique la velocidad del tornillo, la velocidad crítica y la capacidad del motor. Finalmente, confirme la precisión, las condiciones de montaje, la protección ambiental, el ciclo de trabajo y los requisitos de vida útil.

Un módulo lineal de husillo de bolas seleccionado correctamente proporciona un posicionamiento estable, un movimiento suave, suficiente rigidez y un funcionamiento fiable a largo plazo sin sobredimensionamiento innecesario.