Cómo acoplar una tuerca de bola giratoria a un servomotor

Un sistema de tuerca de bolas giratoria puede resultar útil cuando un husillo de bolas largo debe funcionar a alta velocidad lineal. En lugar de girar todo el eje del tornillo, el servomotor impulsa la tuerca de bolas a través de una correa, polea, engranaje u otro mecanismo de transmisión. Normalmente, el tornillo no gira y el movimiento relativo entre la tuerca y el tornillo produce un movimiento lineal.

Combinar la tuerca de bolas giratoria con un servomotor requiere más que seleccionar un motor con suficiente par nominal. La carga axial, el avance del husillo, la velocidad objetivo, el tiempo de aceleración, la relación de transmisión, la inercia de rotación, la disposición de los rodamientos y el ciclo de trabajo deben evaluarse conjuntamente.

¿Cómo funciona un sistema de tuerca de bolas giratoria?

Una tuerca de bolas giratoria contiene el mismo mecanismo básico de contacto rodante que se utiliza en un conjunto de husillo de bolas convencional. Las bolas de acero circulan entre la pista de rodadura del tornillo y la pista de rodadura de la tuerca, convirtiendo el movimiento de rotación en movimiento lineal con una fricción relativamente baja.

La principal diferencia es qué componente gira. En un diseño de tuerca giratoria, la tuerca de bolas está soportada por cojinetes dentro de una carcasa giratoria. El servomotor impulsa esta carcasa o la brida de la tuerca, comúnmente a través de una correa y polea de distribución. El eje del tornillo no puede girar.

Dependiendo del diseño de la máquina, el conjunto de tuerca giratoria se desplaza a lo largo del tornillo estacionario o el tornillo se mueve axialmente a través de un conjunto de tuerca montado en el bastidor de la máquina. La estructura exacta debe confirmarse antes de dimensionar el motor porque la masa en movimiento y la inercia de rotación serán diferentes.

¿Por qué utilizar una tuerca giratoria en lugar de un tornillo giratorio?

Cuando un tornillo largo convencional gira a alta velocidad, la deflexión del eje puede causar vibraciones o latigazos a medida que la velocidad se acerca a la velocidad crítica del tornillo. Aumentar el diámetro del tornillo puede mejorar la rigidez, pero también aumenta la inercia rotacional y los requisitos del motor.

Un diseño de tuerca giratoria evita que el tornillo largo gire. Esto puede reducir la limitación de velocidad crítica asociada con un eje giratorio y hacer que la disposición sea adecuada para movimientos de carrera larga y alta velocidad. Sin embargo, el diseño todavía tiene límites relacionados con la velocidad de circulación de las bolas, la velocidad del rodamiento, la generación de calor, la lubricación y la rigidez estructural.

Generalmente se considera una estructura de tuerca giratoria cuando la aplicación tiene uno o más de los siguientes requisitos:

• Recorrido largo combinado con una velocidad lineal relativamente alta;
• Un tornillo delgado que tendría una velocidad crítica restrictiva si se girara;
• Alta aceleración con necesidad de reducir la inercia del miembro giratorio;
• Espacio limitado para un motor de accionamiento grande al final del tornillo;
• Una estructura de máquina diseñada para colocar el variador cerca del conjunto de tuerca móvil.

El diseño de la tuerca giratoria no es automáticamente mejor para todas las aplicaciones. Requiere una carcasa de cojinete, un mecanismo de transmisión, un dispositivo de lubricación y un sistema de protección adecuados. Un convencionalconjunto de husillo de bolaspuede seguir siendo más simple y económico para carreras más cortas o velocidades de operación moderadas.

Información requerida antes de seleccionar el servomotor

El motor no debe seleccionarse únicamente en función del diámetro del husillo de bolas. Como mínimo, se requiere la siguiente información de la solicitud:

• Diámetro nominal y paso del husillo de bolas;
• Carrera total y longitud de instalación;
• Velocidad lineal máxima;
• Tiempo de aceleración y desaceleración;
• Masa en movimiento y fuerza axial externa;
• Dirección de montaje horizontal, vertical o inclinada;
• Precarga de tuerca de bolas y eficiencia de transmisión esperada;
• Disposición de transmisión directa, transmisión por correa o transmisión por engranajes;
• Diámetros de polea o relación de transmisión;
• Ciclo de funcionamiento y tiempo de funcionamiento continuo;
• Precisión y repetibilidad de posicionamiento requeridas;
• Condiciones ambientales de temperatura y contaminación.

Sin estos valores, es posible estimar el tamaño del motor, pero no es posible verificar si el sistema cumplirá con sus requisitos reales de velocidad, aceleración y vida útil.

Paso 1: determinar el empuje axial requerido

La fuerza axial que actúa sobre el husillo de bolas depende de la dirección de montaje y del funcionamiento de la máquina.

Para un eje horizontal, el empuje requerido puede incluir fricción de guía, fuerza de proceso, resistencia del sello y otras resistencias externas. Para un eje vertical, también se debe incluir la gravedad. Durante la aceleración, se debe sumar la fuerza necesaria para acelerar la masa en movimiento.

Dónde:

• F_a= fuerza de aceleración en newtons;
• metro= masa en movimiento en kilogramos;
• a= aceleración lineal en metros por segundo al cuadrado.

El empuje total de diseño debe incluir la fuerza de aceleración, la fuerza del proceso externo, la fricción y la gravedad, cuando corresponda. Las cargas de choque o impacto deben evaluarse por separado en lugar de tratarse como carga continua normal.

Paso 2: Calcule el torque requerido en la tuerca de bolas

El par necesario para generar empuje axial se puede estimar utilizando la fuerza axial, el avance del tornillo y la eficiencia de la transmisión:

Dónde:

• t= par de torsión en la tuerca giratoria en N·m;
• F= fuerza axial total en newtons;
• PAG= avance del husillo de bolas en metros por revolución;
• η= eficiencia mecánica expresada en decimal.

Este cálculo representa el par necesario para superar la carga axial. El motor también debe proporcionar par para acelerar la tuerca de bolas giratoria, la polea, el acoplamiento, los componentes del cojinete y otras piezas giratorias.

El par de arranque, la resistencia del sello, la fricción del rodamiento y la precarga pueden aumentar aún más los requisitos reales. Por lo tanto, el par de empuje por sí solo no debe utilizarse como clasificación final del servomotor.

Paso 3: Calcule la velocidad de rotación requerida

La velocidad requerida de la tuerca está determinada por la velocidad lineal objetivo y el avance del husillo de bolas:

Dónde:

• norte= velocidad de rotación de la tuerca en revoluciones por minuto;
• v= velocidad lineal requerida en metros por segundo;
• PAG= avance del tornillo en metros por revolución.

Para la misma velocidad lineal, un paso más grande requiere una velocidad de rotación de la tuerca más baja. Sin embargo, aumentar el avance también aumenta el par requerido para generar el mismo empuje axial y puede afectar la resolución de posicionamiento. Por lo tanto, la selección de cables es un equilibrio entre velocidad, par y requisitos de posicionamiento.

La velocidad de rotación calculada debe permanecer dentro de la velocidad permitida de la tuerca de bolas, el sistema de recirculación, los cojinetes y la transmisión por correa. La velocidad más baja permitida entre estos componentes se convierte en el límite del sistema.

Paso 4: seleccione la relación de transmisión

Las tuercas de bolas giratorias suelen ser impulsadas por correas de distribución porque una disposición de correas permite que el motor se monte paralelo al tornillo y proporciona flexibilidad en la relación de transmisión.

Si el motor y la tuerca de bolas utilizan diámetros de polea diferentes, la velocidad del motor y el par en la tuerca cambiarán según la relación seleccionada. Una relación de reducción puede aumentar el par disponible en la tuerca, pero requiere una mayor velocidad del motor. Una relación que aumenta la velocidad tiene el efecto contrario.

Se deben verificar los siguientes elementos al seleccionar la relación de polea:

• Velocidad máxima y continua del motor;
• Velocidad de tuerca requerida;
• Motor nominal y par máximo;
• Carga de los dientes de la correa y velocidad permitida de la correa;
• Inercia de la polea;
• Tensión de la correa y carga radial del rodamiento;
• Espacio de instalación disponible.

Una correa de distribución debe estar tensada correctamente. Una tensión insuficiente puede provocar errores de posicionamiento o saltos de los dientes, mientras que una tensión excesiva aumenta la carga radial en los cojinetes de la tuerca giratoria y en los cojinetes del motor.

Paso 5: Verifique el par de aceleración y la inercia

Un servomotor debe acelerar todos los componentes giratorios, así como la masa lineal en movimiento. Incluso cuando el par en funcionamiento constante es bajo, un tiempo de aceleración corto puede producir un requisito de par máximo elevado.

La inercia giratoria puede incluir:

• Tuerca de bolas y carcasa giratoria;
• Cojinetes de soporte y espaciadores de cojinetes;
• Polea conducida y polea motora;
• Componentes de acoplamiento o engranaje de motor;
• Inercia reflejada de la masa que se mueve linealmente.

El software de dimensionamiento del proveedor del motor se puede utilizar después de confirmar los parámetros de transmisión y husillo de bolas. La relación de inercia resultante debe permanecer dentro del rango recomendado por el fabricante del motor y del servoaccionamiento para lograr la respuesta y la estabilidad de control requeridas.

Una relación de inercia carga-motor muy alta puede provocar una respuesta lenta, sobreimpulso, vibración o dificultad para ajustar el servosistema. Cambiar la relación de transmisión, aumentar el avance del tornillo, ampliar el tiempo de aceleración o seleccionar un motor con diferente inercia puede mejorar el resultado.

Paso 6: Compare el par nominal y el par máximo

Los servomotores normalmente tienen tanto un par nominal como un par máximo. Estos valores tienen diferentes propósitos:

El par máximo calculado debe permanecer por debajo del par máximo permitido del motor. El par cuadrático medio durante todo el ciclo debe permanecer por debajo del par nominal. También debería conservarse un margen razonable para los cambios de fricción, carga, temperatura y condiciones de funcionamiento.

Paso 7: Verifique la disposición del cojinete de la tuerca giratoria

Una tuerca de bolas giratoria no puede soportarse de la misma manera que una tuerca normal atornillada directamente a una mesa móvil. La tuerca o el alojamiento de la tuerca deben girar mientras soportan la carga axial, por lo que la disposición del rodamiento es una parte crítica del diseño.

Los rodamientos deben proporcionar suficiente rigidez axial y soportar la velocidad de rotación requerida. Se debe considerar su capacidad de carga, precarga, lubricación y precisión de instalación. La tensión de la correa también puede aplicar una carga radial al sistema de rodamientos.

Una disposición inadecuada de los rodamientos puede provocar juego axial, calor, vibraciones y errores de posicionamiento, incluso cuando el husillo de bolas se selecciona correctamente. La carcasa también debe permitir una alineación precisa entre la tuerca giratoria, el eje del tornillo y el recorrido de la máquina.

Paso 8: verificar la precisión del posicionamiento

La precisión del posicionamiento final está influenciada por algo más que la resolución del servocodificador. Los factores mecánicos importantes incluyen:

• Precisión del avance del husillo de bolas;
• Juego axial o precarga de la tuerca de bolas;
• Rigidez axial de los cojinetes de tuerca giratoria;
• Elasticidad de la correa y error de transmisión;
• Expansión térmica del tornillo;
• Rigidez del bastidor de la máquina y del carril-guía;
• Ajuste de servo y disposición de retroalimentación.

Para aplicaciones de alta precisión, un codificador lineal puede medir la posición real de la mesa y reducir los errores que no pueden ser detectados por un codificador de motor solo. La necesidad de esto depende de la precisión requerida, la carrera, la variación de temperatura y la estructura de la máquina.

Ejemplo del proceso de emparejamiento

Considere una aplicación con una masa en movimiento, una fuerza de proceso axial, una velocidad lineal objetivo y un tiempo de aceleración específicos. El proceso de emparejamiento debe realizarse en el siguiente orden:

1. Calcule la fuerza de aceleración de la masa en movimiento y la aceleración requerida.
2. Agregue fuerza de proceso, fricción y gravedad cuando corresponda para obtener el empuje axial de diseño.
3. Utilice el avance y la eficiencia del husillo de bolas para calcular el par de empuje en la tuerca.
4. Calcule la velocidad de la tuerca necesaria para alcanzar la velocidad lineal objetivo.
5. Seleccione una relación de polea que mantenga tanto el motor como la tuerca dentro de sus rangos de velocidad permitidos.
6. Calcule la inercia de la carcasa de la tuerca, las poleas y la masa en movimiento reflejada.
7. Calcule el par de aceleración máximo y el par RMS durante el ciclo completo.
8. Verifique el par máximo del motor, el par nominal, la velocidad nominal y la velocidad máxima.
9. Verifique la carga del rodamiento, la tensión de la correa, la velocidad de la tuerca de bolas y las condiciones térmicas.
10. Confirme la precisión y rigidez del posicionamiento antes de finalizar el diseño.

Debido a que el tamaño real del motor depende de todas estas entradas, seleccionar un servomotor sólo a partir del diámetro del tornillo y el avance puede producir un accionamiento de tamaño insuficiente o innecesariamente grande.

Errores comunes de coincidencia

• Confundir una tuerca giratoria con una tuerca de bolas convencional:Un modelo de tuerca estándar no es automáticamente un conjunto de tuerca giratoria completo.
• Comprobando sólo el par nominal:La aceleración puede requerir un par máximo mucho mayor que el par de marcha constante.
• Ignorando la inercia:Un sistema puede tener suficiente par pero aún así ser difícil de ajustar debido a una relación de inercia inadecuada.
• Usando la velocidad del motor como velocidad de la tuerca:Debe incluirse la relación de polea o engranaje.
• Ignorando los límites de rodamientos y correas:La capacidad del motor no determina la velocidad permitida del sistema mecánico completo.
• Utilizar un margen de seguridad demasiado pequeño:La fricción, la carga y la temperatura reales pueden diferir del cálculo inicial.
• Aumentar la ventaja sólo para ganar velocidad:Un cable más grande cambia la demanda de torque y la resolución de posicionamiento.
• Pasando por alto la seguridad del eje vertical:Es posible que se requiera un freno o contrapeso para evitar movimientos incontrolados.

¿Qué se debe confirmar con el proveedor de husillos de bolas?

Antes de seleccionar el servomotor final, confirme que la disposición propuesta de tornillo y tuerca sea adecuada para el funcionamiento con tuerca giratoria. Una unidad de tuerca giratoria completa requiere más que una tuerca de bolas normal.

Se debe confirmar la siguiente información:

• Si la tuerca seleccionada está diseñada para usarse en un conjunto giratorio;
• Velocidad de rotación permitida de la tuerca y el sistema de recirculación;
• Clasificaciones de carga dinámica y estática;
• Grados de precarga y precisión disponibles;
• Interfaz de montaje de tuerca y dimensiones del asiento del rodamiento;
• Método de lubricación e intervalo de mantenimiento;
• Mecanizado de extremo de tornillo requerido y estructura antirotación;
• Ya sea que el proveedor proporcione solo el tornillo y la tuerca o una unidad completa de tuerca giratoria.

DLY suministra múltiplesconfiguraciones de tuercas de bolas, pero la estructura requerida debe revisarse con respecto al dibujo y las condiciones de operación. Una tuerca de bolas convencional no debería identificarse como una tuerca de bolas giratoria sin el diseño de alojamiento y accionamiento necesarios.

Conclusión

Para combinar una tuerca de bolas giratoria con un servomotor se necesitan cálculos mecánicos y eléctricos coordinados. El proceso comienza con el empuje axial y la velocidad lineal, seguidos del par de tuerca, la velocidad de rotación, la relación de transmisión, la inercia, el par de aceleración y el par RMS.

La tuerca de bolas, los cojinetes, el sistema de poleas, el eje del tornillo y el servomotor deben tratarse como un solo sistema de movimiento. Un motor con suficiente par puede seguir siendo inadecuado si su velocidad, inercia o rendimiento del ciclo de trabajo no coinciden con el diseño mecánico.

Para una revisión preliminar, prepare el diámetro y avance del husillo de bolas, la carrera, la masa en movimiento, la fuerza externa, la velocidad máxima, el tiempo de aceleración, la dirección de instalación y la disposición de transmisión propuesta. Estos detalles permiten evaluar la especificación del tornillo y proporcionar los parámetros mecánicos correctos para la selección del servomotor.

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