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Módulo lineal de correa de distribuciónEl empuje no está determinado únicamente por el par del motor. El motor, el radio de la polea, la eficiencia de la correa, la masa en movimiento, la aceleración, la resistencia de la guía y la fuerza externa del proceso contribuyen a la fuerza final disponible en el carro.
Un correctoCálculo del empuje del módulo lineal de la correa de distribuciónPor lo tanto, tiene dos lados: primero calcular cuánta fuerza lineal requiere la aplicación, luego calcular cuánto empuje efectivo puede entregar realmente el accionamiento. La correa, la polea, el eje, los cojinetes y el sistema de guía seleccionados también deben resistir esa fuerza.
Esta guía explica el cálculo completo desde la fuerza de carga hasta el par de la polea, incluidos los ejes horizontales y verticales, la fuerza de aceleración, la eficiencia de la transmisión, el empuje efectivo y el margen de ingeniería.
¿Qué significa "empuje" en un módulo lineal de correa de distribución?
El empuje es la fuerza motriz lineal disponible en el carro en el sentido de la marcha.
Es diferente de la capacidad de carga útil.
| Parámetro | Lo que describe |
|---|---|
| Empuje | Fuerza lineal disponible para acelerar el carro o superar una carga de proceso externa |
| Carga útil | Masa sostenida por el carro y sistema de guía |
| Carga de momento | Carga de cabeceo, guiñada o balanceo causada por un centro de gravedad desplazado |
| Fuerza permitida del cinturón | Fuerza que la correa puede transmitir dentro de sus límites de diseño. |
Importante:un módulo puede soportar una carga útil pesada pero aún tener un empuje disponible limitado si el par del motor o la geometría de la polea son pequeños. La carga útil y el empuje deben comprobarse por separado.
Paso 1: Calcule la fuerza lineal requerida
Para un eje horizontal simplificado, la fuerza requerida se puede escribir como:
Freq= m × a + Fresistencia+Fproceso
dónde:
- metro= masa total en movimiento en kg
- a= aceleración lineal requerida en m/s2
- Fresistencia= guía, sello, cable y otras resistencias al movimiento en N
- Fproceso= fuerza externa del proceso en N
¿Qué pertenece a la masa en movimiento?
Incluye todo lo que se mueve con el carro:
- Pieza de trabajo
- Artículos fijos
- Pinza o herramienta
- Ejes lineales superiores
- Motor en movimiento cuando corresponda
- Transportista de cable y servicios de mudanzas cuando sea relevante
Usar solo el peso del producto puede subestimar significativamente la fuerza de aceleración en un sistema multieje.
Fuerza de aceleración: F = m × a
La fuerza dinámica básica necesaria para acelerar una masa en movimiento es:
Facc= metro × un
Un conjunto en movimiento de 20 kg acelera a 3 m/s2requiere:
Facc= 20 × 3 = 60 N
Este es sólo el componente de aceleración. Aún es necesario agregar la resistencia de la guía, la fuerza de la cadena de arrastre, los sellos y la fuerza del proceso.
Por qué la aceleración es tan importante
Dos módulos pueden transportar la misma carga útil, pero requieren un empuje muy diferente si uno alcanza una velocidad mucho más rápida.
Los sistemas pick-and-place de ciclo alto suelen tener una carga útil modesta pero una aceleración alta, por lo que el empuje dinámico puede ser más importante que la carga estática.
Paso 2: agregar resistencia y fuerza de proceso externo
Un módulo real no está exento de fricción.
La posible resistencia incluye:
- Resistencia a la rodadura de la guía lineal
- Arrastre del sello o del limpiador
- Resistencia del transportador de cables
- Resistencia de fuelle o tapajuntas
- Arrastre relacionado con la desalineación
La fuerza del proceso externo puede provenir de:
- Prensado
- Reprimición
- Empujando productos
- Fuerza de contacto de dispensación
- Fuerza de reacción de la herramienta
Estas fuerzas deben agregarse sólo una vez. Evite contar la misma resistencia tanto en el modelo de fuerza como nuevamente como pérdida de eficiencia.
Paso 3: los ejes verticales deben incluir la gravedad
Para un módulo de correa de distribución vertical, la gravedad crea una carga continua.
Durante la aceleración hacia arriba:
Farriba= m(g + a) + Fresistencia+Fproceso
dóndegramoes aproximadamente 9,81 m/s2.
Durante el movimiento descendente, la gravedad ayuda al movimiento, por lo que el par del motor puede ser menor o puede invertirse en frenado/regeneración dependiendo del segmento de movimiento.
Advertencia de eje vertical:El cálculo de empuje no reemplaza el análisis de frenos y seguridad. Si la pérdida de potencia podría permitir un descenso peligroso, se requiere una estrategia de seguridad y retención adecuada.
Paso 4: convertir el par de la polea en empuje lineal
Para una polea de correa de distribución, el par y la fuerza lineal están relacionados a través del radio de paso de la polea.
La relación ideal es:
F = T ÷ r
dónde:
- F= fuerza lineal en N
- t= par en el eje de la polea en N·m
- r= radio de paso de la polea en m
Incluyendo la eficiencia de transmisión:
Feficaz=Tpolea× nortecinturón÷r
usa la polearadio de paso, no simplemente el radio exterior.
Fórmula equivalente utilizando el diámetro de paso
Si el diámetro de paso de la poleaDse conoce:
Feficaz= 2Tpolea× nortecinturón÷D
porque:
r = D ÷ 2
Esta forma suele ser conveniente cuando las especificaciones de la polea están dadas por el diámetro de paso.
Cómo el radio de la polea cambia el empuje
Para el mismo par motor:
- Una polea más pequeña produce un empuje más lineal.
- Una polea más grande produce menos empuje lineal.
Pero el tamaño de la polea también cambia la velocidad del motor y la flexión de la correa.
| Cambio de polea | Efecto sobre el empuje | Efecto sobre la velocidad del motor para la misma velocidad lineal |
|---|---|---|
| Diámetro de paso más pequeño | Mayor empuje | Mayores revoluciones del motor |
| Mayor diámetro de paso | Empuje inferior | Reducir las revoluciones del motor |
Una polea más pequeña no se puede reducir indefinidamente. La correa de distribución tiene límites mínimos de tamaño de polea y de engrane de dientes que aún deben respetarse.
Paso 5: incluya la reducción de engranajes si se usa
Si se instala una caja de cambios entre el motor y la polea de la correa de distribución, el par de la polea es diferente del par del motor.
Utilizando la relación de reducción:
i = velocidad del motor ÷ velocidad de la polea
el par aproximado de la polea es:
tpolea=Tmotor× yo × nengranaje
El empuje lineal efectivo será entonces:
Feficaz=Tmotor× yo × nengranaje× nortecinturón÷r
Una caja de cambios aumenta el par de polea disponible pero requiere que el motor gire más rápido para obtener la misma velocidad lineal.
Paso 6: Distinguir el empuje teórico del empuje efectivo
El empuje teórico supone una transmisión perfecta. Los sistemas reales tienen pérdidas.
Las pérdidas pueden surgir de:
- Eficiencia de la caja de cambios
- Pérdidas de correas y poleas.
- Resistencia de la guía
- Sellos y cubiertas
- Desalineación
- Arrastre de cables
Hay dos formas válidas de modelar estos efectos:
- Aplique la eficiencia de la transmisión al par del motor disponible y luego compárelo con la fuerza externa requerida.
- Calcule el requisito de fuerza externa, incluida la resistencia mecánica medida, aplicando solo las pérdidas de transmisión restantes como factores de eficiencia.
Evite utilizar una gran penalización genérica de eficiencia y luego agregar nuevamente las mismas fuerzas de fricción.
Un ejemplo de cálculo de empuje trabajado
Considere un módulo de correa de distribución horizontal con:
- Masa en movimiento: 10 kg
- Aceleración: 3 m/s2
- Resistencia guía y cable: 8 N
- Sin fuerza de proceso externa
- Par del motor a la velocidad de funcionamiento: 2,0 N·m
- Transmisión directa, sin caja de cambios.
- Radio de paso de la polea: 30 mm = 0,03 m
- Eficiencia de transmisión por correa supuesta para el ejemplo: 0,95
1. Fuerza de aceleración requerida
Facc= 10 × 3 = 30 N
2. Fuerza lineal total requerida
Freq= 30 + 8 = 38 norte
3. Empuje efectivo disponible
Feficaz= 2,0 × 0,95 ÷ 0,03 ≈ 63,3 N
4. Margen de fuerza
Margen de fuerza = 63,3 - 38 = 25,3 N
El accionamiento parece tener suficiente empuje para este punto de funcionamiento simplificado.
Pero esta aún no es una selección completa de módulos.El motor debe proporcionar 2,0 N·m a la velocidad requerida y la correa, los dientes, la polea, el eje, los cojinetes y el sistema de guía deben estar clasificados para la carga y el ciclo de trabajo resultantes.
El par del motor debe comprobarse a la velocidad de funcionamiento
El par disponible de un motor depende de la velocidad.
No calcule el empuje a partir del par de parada o del par de baja velocidad si el módulo funcionará a altas rpm.
Controlar:
- Curva par-velocidad del motor
- Par máximo durante la aceleración
- Par continuo o RMS
- Corriente y voltaje de accionamiento.
- Límites térmicos
Los motores paso a paso son especialmente sensibles porque el par disponible normalmente disminuye a medida que aumenta la velocidad. Los servomotores también tienen regiones operativas continuas y máximas separadas.
Los cambios de aceleración impulsan la demanda a lo largo del ciclo
El empuje requerido no es constante durante un movimiento típico.
| Segmento de movimiento | Demanda de fuerza típica |
|---|---|
| Aceleración | Mayor porque se suma m × a |
| Velocidad constante | Principalmente resistencia y fuerza de proceso. |
| Desaceleración | La fuerza se invierte o se reduce según la dirección. |
| Habitar | Generalmente bajo en ejes horizontales; La gravedad permanece en los ejes verticales. |
Por lo tanto, el motor y la correa deben compararse con el perfil completo de fuerza-tiempo, no con un valor promedio.
El empuje efectivo está limitado por algo más que el motor
La fuerza más baja permitida entre los componentes de accionamiento se convierte en el límite práctico del sistema.
Los posibles componentes limitantes incluyen:
- par motor
- Par de la caja de cambios
- Capacidad de tracción de la correa
- Límite de corte o salto del diente de la correa
- Capacidad de dientes de polea
- Fuerza del eje de la polea
- Aspectos
- Abrazadera para cinturón o accesorio para carro
- Capacidad de carga de guía lineal
Regla del sistema:El empuje utilizable del módulo no es el número más grande calculado a partir del par del motor. Es el empuje permitido después de que se hayan verificado todos los componentes en la trayectoria de la fuerza.
Se debe verificar la capacidad de los dientes de la correa
La correa transmite fuerza a través de los dientes acoplados.
Demasiada fuerza puede causar:
- deformación del diente
- Desgaste de los dientes
- Salto de dientes
- Daño dental local
La carga dental permitida depende de:
- Perfil del diente
- Paso del cinturón
- Ancho del cinturón
- Recuento de dientes de polea
- Número de dientes enganchados
- Velocidad
- ciclo de trabajo
Utilice las clasificaciones del fabricante de la correa seleccionada en lugar de una regla genérica de fuerza por ancho.
La capacidad de tracción de la correa y la capacidad de los dientes son límites diferentes
Una correa puede ser lo suficientemente fuerte en tensión pura, pero aún así tener una capacidad dentada insuficiente en la polea.
Por el contrario, el encaje de los dientes puede ser adecuado mientras el elemento de tracción está sobrecargado por la pretensión más la fuerza de trabajo.
Se deben comprobar ambos límites.
La pretensión cambia la carga interna de la correa
Las correas de distribución requieren pretensión de instalación para mantener un enganche estable de los dientes.
A esta tensión de correa existente se superpone una fuerza de trabajo.
Si la pretensión es demasiado alta:
- La carga del rodamiento aumenta
- La carga de tracción de la correa aumenta
- La resistencia del motor aumenta
- La fatiga del cinturón puede acelerarse
Si la pretensión es demasiado baja:
- La consistencia del posicionamiento puede disminuir
- La vibración de la correa puede aumentar
- El salto de dientes se vuelve más probable bajo alta aceleración
Por lo tanto, la capacidad de empuje debe evaluarse con la tensión de correa real especificada.
¿El ancho de la correa aumenta la capacidad de empuje?
Generalmente, aumentar el ancho de la correa aumenta la fuerza transmitida permitida porque hay más material de tracción y área de contacto de los dientes disponibles.
Pero no se debe aumentar el ancho de la correa sin comprobar:
- Ancho de polea
- Carga del eje y del rodamiento
- Espacio del perfil del módulo
- Alineación
- par motor
Una correa más ancha no crea más par motor. Sólo aumenta la capacidad del cinturón para transmitir fuerza si el resto del sistema puede suministrarla.
Cómo el tamaño de la polea afecta la fuerza y la velocidad juntas
La selección de la polea es siempre un equilibrio entre fuerza, velocidad y flexión de la correa.
| Polea más pequeña | Polea más grande |
|---|---|
| Más empuje con el mismo par | Menos empuje con el mismo par |
| Mayores rpm para la misma velocidad lineal | Menores rpm para la misma velocidad lineal |
| Más flexión de cinturón | Menos flexión de la correa |
| Potencialmente menos dientes comprometidos | Dientes potencialmente más comprometidos |
La mejor polea no es simplemente el diámetro más pequeño o más grande disponible.
Cómo calcular la aceleración máxima a partir del empuje disponible
Si ya se conoce el empuje efectivo, la capacidad de aceleración de un eje horizontal se puede estimar reordenando la ecuación de fuerza:
amáximo= (Feficaz-Fresistencia-Fproceso) ÷ metro
Esto es útil para comprobar si un motor y una polea seleccionados pueden alcanzar un tiempo de ciclo objetivo.
El valor calculado aún debe respetar la capacidad de la correa, la velocidad del motor, la rigidez estructural y los límites de control.
Cómo estimar la masa máxima en movimiento a partir del empuje
Para un eje horizontal con una aceleración específica:
metromáximo= (Feficaz-Fresistencia-Fproceso) ÷ un
Esto no debe confundirse con la capacidad de carga útil estática del módulo.
El sistema de guía puede imponer una carga útil menor permitida, especialmente cuando hay cargas de momento presentes.
La capacidad de empuje y carga útil no son intercambiables
Un catálogo de módulos de correa de distribución puede indicar una carga máxima, pero ese número no indica la aceleración máxima.
La capacidad de carga útil está influenciada por:
- Tamaño de guía lineal
- Longitud del carro
- Espaciado de guías
- Orientación de montaje
- Desplazamiento del centro de gravedad
El empuje está influenciado principalmente por:
- par motor
- Radio de la polea
- Relación de transmisión
- Eficiencia de transmisión
- Capacidad de correas y dientes
Se deben cumplir ambos conjuntos de límites.
Los ejes de carrera larga necesitan atención adicional para el cumplimiento de la correa
El largo recorrido es uno de los principales puntos fuertes de los módulos de correa de distribución, pero una longitud de correa activa más larga aumenta la flexibilidad elástica.
Bajo un gran empuje, la correa puede alargarse elásticamente y cambiar la posición del carro.
Esto puede afectar:
- Posicionamiento dinámico
- tiempo de asentamiento
- Repetibilidad bajo carga cambiante
- Ajuste de servos
Para sistemas de carrera larga y alto empuje, se deben evaluar la rigidez de la correa y la estrategia de retroalimentación además de la capacidad de fuerza.
Ejemplo de empuje vertical
Supongamos que un eje vertical levanta un conjunto móvil de 6 kg hacia arriba a 2 m/s2, con 5 N de resistencia y sin fuerza de proceso.
La fuerza ascendente requerida es:
Farriba = 6 × (9.81 + 2) + 5
Farriba≈ 75,9 norte
Si el empuje efectivo del accionamiento es de sólo 70 N, el eje no tiene suficiente capacidad de aceleración hacia arriba, aunque 70 N pueda parecer mucho en comparación con la carga útil estática.
Elija un margen de ingeniería después del cálculo
Las máquinas reales tienen incertidumbres:
- Cambios de fricción
- Adiciones futuras de herramientas
- Variación de temperatura
- Variación de la tensión de la correa
- Tolerancias de producción
- Arrastre de cables
- Variación de la fuerza del proceso
Se debe agregar un margen de ingeniería adecuado una vez completado el modelo de fuerza.
No utilice un factor de seguridad arbitrario grande para ocultar entradas faltantes. El margen adecuado depende del motor, la correa, el ciclo de trabajo, el riesgo de la máquina y los criterios de selección del fabricante de los componentes.
Errores comunes en el cálculo del empuje
Utilizar el peso de la carga útil como empuje horizontal
Para un eje horizontal, el peso totalmgactúa verticalmente a través de la guía y normalmente no se convierte en la fuerza motriz requerida.
Ignorando la aceleración
Una alta aceleración puede dominar la demanda de fuerza incluso con una carga útil ligera.
Usando polea fuera del radio
La conversión de par a fuerza debe utilizar el radio de paso.
Uso del par nominal del motor en cada velocidad
El par disponible debe comprobarse a las rpm de funcionamiento reales.
Ignorar la capacidad de los dientes de la correa
El par del motor puede ser suficiente mientras que los dientes de la correa o el acoplamiento de la polea se convierten en el factor limitante.
Ignorando la carga de gravedad vertical
Los ejes verticales requieren que la gravedad se incluya en cada segmento de movimiento relevante.
Empuje confuso con clasificación de carga guía
La capacidad de la fuerza motriz y la capacidad de carga útil/momento son comprobaciones diferentes.
Pérdidas por doble contabilización
No aplique una reducción de eficiencia genérica y luego agregue nuevamente la misma fricción medida a menos que el modelo los separe claramente.
Un flujo de trabajo práctico para el cálculo del empuje de la correa de distribución
- Defina masa en movimiento.
- Definir el perfil de movimiento.Velocidad, aceleración, desaceleración y tiempo de ciclo.
- Calcule la fuerza horizontal o vertical requerida.
- Agregue resistencia y fuerzas de proceso externas.
- Determine el par del motor a la velocidad de funcionamiento real.
- Aplique la relación y eficiencia de la caja de cambios si se usa.
- Convierta el par de la polea en empuje efectivo utilizando el radio de paso.
- Compare el empuje disponible con la fuerza requerida.
- Verifique la capacidad de tracción de la correa y la capacidad de los dientes.
- Verifique los límites de la polea, el eje y los cojinetes.
- Verifique los límites de momento y carga útil de la guía lineal.
- Agregue un margen de ingeniería apropiado.
- Verifique el ciclo de trabajo completo y los límites térmicos.
Qué necesita QRXQ para calcular el empuje de la correa de distribución
- Masa en movimiento
- Ataque
- Velocidad máxima
- Aceleración
- Instalación horizontal o vertical
- Fuerza del proceso externo
- Modelo de motor y datos de par-velocidad.
- Relación de caja de cambios si se usa
- Diámetro de paso de polea o número de dientes
- Perfil, paso y ancho de la correa
- Recuento de ciclos diarios
- Rendimiento de posicionamiento requerido
El valor de empuje útil es la fuerza que queda después de considerar el avance completo.El par del motor, el radio de la polea, la eficiencia, la capacidad de la correa y la carga de movimiento deben coincidir.
QRXQ evalúa el empuje del módulo lineal de la correa de distribución como un problema completo del sistema de transmisión en lugar de convertir el par del motor en un número de fuerza teórico y detenerse allí.
