Uso de un módulo lineal de correa de distribución para movimiento vertical

Amódulo lineal de correa de distribuciónSe puede instalar verticalmente, pero el funcionamiento vertical requiere una selección más cuidadosa que el movimiento horizontal. En un eje vertical, el motor debe vencer la gravedad durante el movimiento ascendente y controlar la carga descendente durante el movimiento descendente. El sistema también debe evitar que el carro y la carga útil caigan cuando el motor se detiene, el servo pierde potencia o falla la correa de distribución.

Por este motivo, un módulo lineal de correa de distribución vertical requiere normalmente un motor freno, un par motor suficiente, un factor de seguridad adecuado y medidas fiables contra caídas. También se pueden utilizar dispositivos de contrapeso cuando la carga útil es pesada o el eje opera a alta frecuencia.

¿Se puede instalar verticalmente un módulo lineal de correa de distribución?

Sí. Correa de distribuciónmódulos linealesse utilizan ampliamente como ejes de elevación vertical en sistemas de recogida y colocación, equipos de embalaje, máquinas de carga y descarga,robots de pórtico, equipos de inspección y líneas de producción automatizadas.

Sin embargo, no todos los módulos de correa de distribución son automáticamente adecuados para el montaje vertical. Se deben verificar las siguientes condiciones antes de la selección:

• La correa de distribución debe tener suficiente resistencia a la tracción.
• El motor debe proporcionar suficiente par para levantar la carga contra la gravedad.
• El motor debe incluir un freno electromagnético.
• El carril guía y el carro deben soportar la carga y el momento aplicados.
• La estructura debe incluir protección contra apagado y medidas de prevención de caídas.
• La carga seleccionada debe permanecer por debajo de la carga vertical permitida del módulo.
• La aceleración, la velocidad, la carrera y la frecuencia de funcionamiento deben considerarse juntas.

Un módulo con una capacidad de carga horizontal alta puede tener una carga permitida mucho menor cuando se instala verticalmente porque la gravedad actúa continuamente sobre el conjunto móvil.

En qué se diferencia la instalación vertical de la instalación horizontal

En una aplicación horizontal, la gravedad es soportada principalmente por la guía lineal. El motor supera principalmente la fuerza de aceleración, la fricción y la resistencia externa del proceso.

En una aplicación vertical, el motor debe soportar o controlar continuamente el peso del carro, las herramientas y la carga útil. Por lo tanto, la fuerza necesaria para acelerar hacia arriba es significativamente mayor.

Factor de selección	Eje Horizontal	Eje vertical
Influencia de la gravedad	Principalmente llevado por el guía.	Actúa directamente contra el sistema de propulsión.
freno motor	Generalmente opcional	Normalmente requerido
Riesgo de apagado	El carro normalmente permanece en su posición.	El carro puede caer
par motor	Basado principalmente en aceleración y fricción.	Debe incluir gravedad, aceleración y fricción.
Diseño de seguridad	Protección de movimiento estándar	Freno, parada mecánica y protección anticaída.
Contrapeso	Rara vez se requiere	Útil para cargas pesadas o de ciclo alto

Calcular la carga del eje vertical

La masa en movimiento de un módulo de correa de distribución vertical incluye más que la carga útil del cliente. La masa total en movimiento debe incluir:

• Peso de la pieza o del producto
• Peso del accesorio, pinza o herramienta
• Peso del carro en movimiento
• Sensores, cables y soportes montados
• Cualquier mecanismo de movimiento adicional

La fuerza de gravedad básica se calcula como:

F_gramo= m×g

Dónde:

• F_gramoes la fuerza de gravedad en newtons.
• metroes la masa total en movimiento en kilogramos.
• gramoes la aceleración gravitacional, aproximadamente 9,81 m/s².

Por ejemplo, si la masa total en movimiento es de 20 kg:

F_gramo= 20 × 9,81 = 196,2 norte

El motor debe proporcionar más de 196,2 N porque se requiere fuerza adicional para la aceleración, la fricción y las pérdidas de transmisión.

Fuerza requerida durante la aceleración hacia arriba

La fuerza impulsora ascendente aproximada se puede calcular como:

F_arriba= metro × (g + a) + F_F+F_mi

Dónde:

• aes la aceleración hacia arriba.
• F_Fes la resistencia a la fricción estimada.
• F_mies cualquier fuerza de proceso externa adicional.

La fuerza de diseño debería entonces incluir un factor de seguridad:

F_diseño=F_arriba×S

Para un eje vertical típico, comúnmente se considera un factor de seguridad de 1,5 a 2,0. Puede ser necesario un factor mayor para cargas de impacto, arranques y paradas frecuentes, cargas útiles inciertas o equipos críticos para la seguridad.

Fuerza durante el movimiento descendente

La gravedad ayuda al movimiento hacia abajo, pero esto no significa que la operación hacia abajo no requiera torsión del motor. El motor debe controlar la masa descendente y evitar el exceso de velocidad.

Durante una desaceleración rápida, el motor puede funcionar en condición regenerativa. Por lo tanto, el servoaccionamiento puede requerir una resistencia de frenado o una unidad regenerativa, especialmente cuando la masa en movimiento, la velocidad o la carrera son grandes.

Cálculo del par del motor

Después de determinar la fuerza lineal requerida, el torque en la polea de sincronización se puede estimar usando:

t_polea=F_diseño× r ÷ norte

Dónde:

• t_poleaes el par de torsión requerido para la polea.
• res el radio de paso de la polea de distribución.
• oes la eficiencia de transmisión.

Si se utiliza una caja de cambios, el par motor requerido se puede estimar como:

t_motor=T_polea÷ (yo × norte_gramo)

Dónde:

• ies la relación de reducción de la caja de cambios.
• o_gramoes la eficiencia de la caja de cambios.

La selección del motor no debe basarse únicamente en el par nominal. También se deben comprobar los siguientes valores:

• Par nominal del motor
• Par máximo del motor
• Par de aceleración requerido
• Velocidad máxima de funcionamiento
• Inercia del motor y relación de inercia de la carga.
• Par RMS durante todo el ciclo operativo
• Energía regenerativa durante la desaceleración hacia abajo.
• Par de retención del freno

Generalmente se prefiere un servomotor para aplicaciones de correa de distribución vertical porque proporciona aceleración controlada, posicionamiento preciso, monitoreo de velocidad y protección contra sobrecarga.

Por qué un eje vertical necesita un motor freno

Un freno de motor electromagnético es uno de los componentes más importantes de un sistema de movimiento vertical. Cuando el servo está desactivado o se interrumpe el suministro de energía, la gravedad puede hacer que el carro se mueva hacia abajo. El freno sujeta el eje del motor y ayuda a mantener el eje vertical en posición.

El freno debe ser un diseño normalmente cerrado, aplicado por resorte y liberado eléctricamente. Esto significa que el freno se activa automáticamente cuando se corta la energía eléctrica.

El par de sujeción estático requerido en la polea se puede estimar como:

t_sostener= metro × gramo × r ÷ norte

Entonces debería aplicarse un factor de seguridad de retención:

t_freno≥T_sostener×S_b

El par de frenado seleccionado debe exceder el par de retención calculado. El freno también debe tener en cuenta el carro, las herramientas y todos los demás componentes móviles.

Secuencia de control de frenos recomendada

1. Habilite el servo y establezca el par de retención del motor.
2. Suelte el freno electromagnético.
3. Confirme la liberación del freno antes de iniciar el movimiento.
4. Completar el movimiento y detener el eje mediante el servomotor.
5. Ordene que se active el freno.
6. Confirme que el freno esté puesto.
7. Desactive el servo sólo después de que el freno haya asegurado la carga.

Se debe incluir un retraso en el programa de control para tener en cuenta el tiempo mecánico de apertura y cierre del freno.

Opciones de contrapeso para movimiento vertical

Un contrapeso reduce la carga de gravedad efectiva que actúa sobre el motor. Puede reducir el par del motor, reducir el consumo de energía, disminuir el desgaste de los frenos y mejorar la estabilidad del eje vertical.

Los métodos de contrapeso comunes incluyen:

Contrapeso

Un contrapeso está conectado al carro en movimiento a través de un sistema de correa, polea o cable. Puede compensar una gran parte de la masa en movimiento.

Los contrapesos son eficaces para carreras largas y cargas pesadas, pero requieren espacio de instalación adicional y aumentan la inercia total de movimiento del sistema.

Resorte de gas

Un resorte de gas puede proporcionar una fuerza de soporte hacia arriba en mecanismos verticales compactos. Es relativamente simple, pero su fuerza cambia con la carrera y puede no permanecer constante durante todo el recorrido.

Cilindro neumático

Se puede utilizar un cilindro neumático como cilindro de equilibrio. La presión del aire se puede ajustar según la carga vertical.

Este método es adecuado para máquinas que ya cuentan con un suministro estable de aire comprimido. En el diseño de seguridad se deben considerar la pérdida de presión y las fugas de aire.

Resorte de fuerza constante

Un resorte de fuerza constante puede proporcionar una fuerza de soporte aproximadamente uniforme a lo largo de su carrera de trabajo. A menudo se utiliza para ejes verticales relativamente ligeros y equipos compactos.

Normalmente, la fuerza de equilibrio no debe exceder la fuerza de gravedad total. Un contrapeso excesivo puede hacer que el carro se eleve cuando el motor está desactivado.

Tensión de la correa de distribución en un módulo vertical

La tensión correcta de la correa de distribución es esencial para el funcionamiento vertical. Si la tensión de la correa es demasiado baja, el sistema puede experimentar:

• Los dientes saltan durante la aceleración o la parada de emergencia.
• Errores de posicionamiento
• Vibración y ruido anormal.
• Movimiento descendente inestable
• Rigidez de transmisión reducida

Si la tensión de la correa es demasiado alta, puede causar:

• Carga excesiva del motor
• Mayor carga del rodamiento de polea
• Mayor fricción y temperatura.
• Desgaste acelerado de correas y cojinetes.
• Vida útil reducida

La tensión de la correa debe seguir el valor especificado por el fabricante del módulo. No se debe aumentar arbitrariamente para compensar un par motor insuficiente o una correa de tamaño insuficiente.

El ancho de la correa, el perfil de los dientes, el material de refuerzo y la carga de tracción permitida deben ser adecuados para la fuerza de diseño vertical.

Protección de apagado y prevención de caídas

Es posible que un freno de motor por sí solo no proporcione protección suficiente para todas las aplicaciones verticales. El nivel de seguridad adecuado depende de la masa en movimiento, la altura de instalación, el entorno operativo y las consecuencias de una caída incontrolada.

Las posibles medidas de prevención de caídas incluyen:

• Freno de motor normalmente cerrado
• Dispositivo mecánico anticaída.
• Freno de seguridad montado en el carril guía.
• Mecanismo de trinquete o bloqueo
• Sistema de contrapeso
• Topes finales mecánicos
• Tampones que absorben energía
• Cierre de seguridad o soporte secundario
• Correa redundante o mecanismo de elevación.
• Servoalarma y monitorización del estado de los frenos.

Cuando el personal pueda ingresar al área debajo del eje vertical, el sistema no debe depender únicamente del freno del motor. Es posible que se requiera una evaluación de riesgos y un dispositivo de sujeción mecánico independiente.

Protección contra fallas de la correa

Aunque una correa de distribución correctamente seleccionada tiene una larga vida útil, el desgaste de la correa, la tensión incorrecta, la contaminación, la desalineación de la polea o la sobrecarga pueden eventualmente causar fallas.

Para equipos en los que la falla de la correa podría crear un peligro grave, considere:

• Una disposición de doble cinturón
• Un cable de seguridad secundario.
• Un freno de seguridad de carril guía
• Un pasador de bloqueo mecánico
• Inspección y reemplazo programados de la correa
• Un recinto protector que impide el acceso por debajo del eje.

Consideraciones sobre el riel guía y la carga de momento

La carga útil vertical debe colocarse lo más cerca posible del centro del vagón. Una carga útil desplazada produce cargas de momento en la guía lineal.

Los principales momentos normalmente controlados son:

• momento de lanzamiento
• momento de guiñada
• momento rodante

Una carga útil liviana ubicada lejos del carro puede crear una carga guía mayor que una carga útil más pesada instalada cerca del centro del carro.

Cuando las herramientas tienen un gran voladizo, considere usar:

• Un carro más largo
• Dos bloques guía
• Un módulo más amplio
• Dos módulos verticales paralelos
• Una estructura de guía externa.

Requisitos de diseño de instalación vertical

El módulo debe montarse en un bastidor de máquina rígido y plano. Una rigidez insuficiente del marco puede provocar vibraciones, desalineación de la guía y mala precisión de posicionamiento.

Durante la instalación:

• Asegúrese de que el módulo esté alineado verticalmente.
• Apoye el módulo a lo largo de las superficies de montaje recomendadas.
• Apriete los pernos de montaje usando la secuencia y el torque especificados.
• Evite torcer el perfil de aluminio.
• Proporciona una guía de cable flexible para el carro en movimiento.
• Evite que los cables tiren del carro hacia abajo o hacia los lados.
• Instale sensores de límite superior e inferior.
• Establezca límites de recorrido del software dentro de los límites mecánicos.
• Proporcione suficiente distancia de desaceleración antes de que el final se detenga.
• Instale amortiguadores mecánicos para sobrecarreras anormales.

Procedimiento de selección del módulo de correa de distribución vertical

1. Calcula la masa total en movimiento.Incluya la carga útil, el accesorio, el carro y todos los accesorios móviles.
2. Definir el trazo.Agregue márgenes de seguridad y distancia de desaceleración al recorrido requerido.
3. Determinar la velocidad y la aceleración.Utilice el perfil de movimiento real en lugar de solo la velocidad máxima de la máquina.
4. Calcule la fuerza impulsora hacia arriba.Incluye gravedad, aceleración, fricción y resistencia externa.
5. Aplicar un factor de seguridad.Aumente el factor para cargas de choque o condiciones de operación inciertas.
6. Verifique la capacidad de la correa.Verifique la tensión permitida, la resistencia de los dientes y el ancho de la correa.
7. Calcule el torque de la polea.Utilice el radio de paso de la polea y la eficiencia de la transmisión.
8. Seleccione el motor y la caja de cambios.Verifique el par nominal, el par máximo, la velocidad, la inercia y el par RMS.
9. Seleccione el freno del motor.Asegúrese de que el par de sujeción del freno supere el requisito de sujeción por gravedad.
10. Verifique la carga y los momentos de la guía.Incluya el voladizo de la carga útil y las dimensiones de las herramientas.
11. Evaluar la energía regenerativa.Agregue una resistencia de frenado o una unidad regenerativa cuando sea necesario.
12. Diseño de protección anticaída.Seleccione la protección según la evaluación de riesgos de la máquina.
13. Verificar la vida útil.Considere la frecuencia del ciclo, las horas de funcionamiento diarias y los intervalos de mantenimiento esperados.

Ejemplo de cálculo del eje vertical

Considere un módulo de correa de distribución vertical con las siguientes condiciones:

• Masa total en movimiento: 20 kg
• Aceleración hacia arriba: 1,5 m/s²
• Resistencia estimada a la fricción: 50 N
• Fuerza de proceso externo: 0 N
• Factor de seguridad: 1,5
• Radio de paso de la polea: 25 mm o 0,025 m
• Eficiencia de transmisión: 90%

La fuerza hacia arriba es:

F_arriba = 20 × (9.81 + 1.5) + 50

F_arriba= 276,2 norte

Después de aplicar el factor de seguridad:

F_diseño= 276,2 × 1,5 = 414,3 norte

El par de torsión requerido para la polea es:

t_polea = 414.3 × 0.025 ÷ 0.90

t_polea≈ 11,5 N·m

El par de retención de la gravedad estática es:

t_sostener = 20 × 9.81 × 0.025 ÷ 0.90

t_sostener≈ 5,45 N·m

El motor, la caja de cambios y el freno seleccionados deben compararse con estos valores. La selección final también debe considerar la velocidad de funcionamiento, el par máximo, la inercia del motor, el tiempo de ciclo y la energía regenerativa.

Errores comunes de instalación vertical

Seleccionar el motor solo por carga útil

La carga útil por sí sola no representa la masa en movimiento completa. Ignorar el carro, las herramientas y los accesorios puede provocar un par motor insuficiente.

Usar un motor sin freno

Un servomotor puede mantener la posición mientras está energizado, pero no puede garantizar que se mantenga cuando se corta la energía. Un eje vertical normalmente debería utilizar un motor freno.

Tratar el freno como una parada de emergencia

El uso repetido de un freno de parada para detener un eje en movimiento puede provocar un desgaste rápido y fallos en los frenos. El servo debe detener el movimiento antes de que se active el freno.

Ignorar la regeneración descendente

Una carga vertical pesada puede devolver energía al servoaccionamiento durante el descenso. Sin una capacidad regenerativa adecuada, el variador puede generar una alarma de sobretensión.

Aumentar excesivamente la tensión de la correa

Una pretensión excesiva no puede corregir una correa o un motor de tamaño insuficiente. Aumenta la carga del rodamiento y puede acortar la vida útil del módulo.

Confiar únicamente en los límites del software

Los límites del software no pueden proteger la máquina durante una falla del controlador, una falla del sensor o una pérdida de energía. También se deben proporcionar límites mecánicos y topes.

Ignorar el exceso de carga útil

Un accesorio desplazado puede crear un momento de carga excesivo incluso cuando el peso de la carga útil está dentro de la clasificación nominal.

Preguntas frecuentes

¿Puede un módulo de correa de distribución soportar una carga vertical sin energía?

Sólo cuando esté previsto un freno adecuado o un dispositivo de retención mecánico. El servomotor por sí solo no puede sostener la carga de manera confiable una vez que se corta la energía.

¿Es un motor paso a paso adecuado para un eje de correa de distribución vertical?

Se puede utilizar un motor paso a paso para cargas verticales ligeras y de baja velocidad, pero debe incluir un freno y un margen de par suficiente. Generalmente se prefiere un servomotor para velocidades más altas, cargas más pesadas y aplicaciones que requieren retroalimentación de posición.

¿Todo eje vertical necesita un contrapeso?

No. Un contrapeso es opcional cuando el motor y el freno pueden manejar la carga de forma segura. Se vuelve más útil para cargas útiles pesadas, carreras largas, tasas de ciclo altas o equipos sensibles a la energía.

¿Qué factor de seguridad se debe utilizar?

A menudo se considera un factor de aproximadamente 1,5 a 2,0 para la selección preliminar. El factor real debe determinarse según la incertidumbre de la carga, los golpes, la frecuencia de funcionamiento y los requisitos de seguridad de la máquina.

¿Puede el freno del motor detener el eje durante una emergencia?

Un freno de motor estándar está destinado principalmente a mantener una carga estacionaria. La parada de emergencia normalmente debe realizarse mediante el servoaccionamiento, un freno de seguridad exclusivo u otro dispositivo de parada con la capacidad adecuada.

¿Cómo se puede evitar que un módulo vertical caiga si se rompe la correa?

Los sistemas de alto riesgo pueden utilizar un freno de seguridad de riel guía, un cable secundario, una correa redundante, un mecanismo de bloqueo mecánico o un recinto protector. El método apropiado debe seleccionarse mediante una evaluación de riesgos de la máquina.

Conclusión

Un módulo lineal de correa de distribución puede proporcionar un movimiento vertical rápido, de carrera larga y preciso cuando se selecciona correctamente. El diseño debe tener en cuenta la masa total en movimiento, la fuerza de gravedad, la aceleración, el par de la polea, la capacidad de la correa, los momentos guía y la energía regenerativa.

Normalmente es esencial un motor freno, pero el freno no debe considerarse como el único dispositivo de seguridad. Para cargas pesadas o aplicaciones donde la caída podría causar lesiones o daños al equipo, también se deben considerar sistemas de contrapeso y protección mecánica independiente contra caídas.

Al combinar cálculos de carga precisos, márgenes de seguridad suficientes, tensión correcta de la correa y protección confiable contra el apagado, un módulo de correa de distribución vertical puede funcionar de manera segura y consistente durante toda su vida útil prevista.