A husillo de bolasyguía linealrealizar diferentes funciones en el mismo eje de movimiento. Esta guía explica cómo dimensionarlos y combinarlos según la carga, la velocidad, la precisión, la carrera, la rigidez y las condiciones de instalación en lugar de depender de pares de tamaños fijos.
1. ¿Qué lleva el husillo de bolas y qué llevan las guías lineales?
El husillo de bolas y las guías lineales trabajan juntos, pero no soportan las mismas cargas.
ElEl husillo de bolas transmite principalmente el empuje axial.. Dependiendo de la máquina, esto puede incluir la fuerza de aceleración, la fuerza del proceso, la resistencia de fricción y, en un eje vertical, el peso del conjunto móvil.
ElLas guías lineales soportan y limitan la estructura en movimiento.. Transportan fuerzas verticales y laterales y resisten los momentos de cabeceo, guiñada y balanceo creados por la carga, las fuerzas externas y el desplazamiento del centro-de-gravedad.
Por este motivo, un husillo de bolas no debe considerarse como elemento guía radial principal del eje. Las guías deben controlar la trayectoria del movimiento, mientras que el tornillo proporciona principalmente la fuerza motriz.
Importante:No existe una regla universal como "un husillo de bolas 1605 siempre debe combinarse con una guía lineal de tamaño 15". La posición de la carga, el espacio entre rieles, el espacio entre bloques, la velocidad, la carrera y la orientación de montaje pueden cambiar completamente la combinación correcta.
2. Entradas de aplicación necesarias antes del dimensionamiento
Antes de elegir cualquiera de los componentes, recopile las condiciones de funcionamiento del eje completo.
masa en movimiento
Incluya todos los componentes que se mueven con el carro, como la mesa, el accesorio, la pieza de trabajo, el husillo, las herramientas y cualquier equipo montado en el conjunto móvil.
Fuerzas externas
Identifique fuerzas de corte, prensado, sujeción u otras fuerzas del proceso. La dirección y el punto donde actúa la fuerza son importantes porque determinan tanto las cargas de empuje del husillo de bolas como las cargas de momento de la guía lineal.
Orientación de montaje
Determina si el eje es horizontal, vertical o inclinado. En un eje horizontal, la gravedad es soportada principalmente por las guías. En un eje vertical, la gravedad también se convierte en una carga axial continua sobre el husillo de bolas y el sistema de accionamiento.
Longitud de carrera y instalación
El recorrido efectivo no es lo mismo que la longitud total del tornillo. También se requiere espacio para la tuerca de bolas, las unidades de soporte, el mecanizado del extremo del eje-y la estructura de la máquina.
Velocidad y aceleración
La aceleración crea fuerza de inercia según:
F = m × a
Un eje pesado puede generar un empuje sustancial incluso a velocidad moderada si la aceleración es alta.
Requisitos de precisión
Defina la precisión de posicionamiento, la repetibilidad, el juego permitido o el juego axial y la rigidez requerida. El grado de precisión del tornillo debe provenir de los requisitos de posicionamiento reales de la máquina en lugar de simplemente seleccionar el grado más alto disponible.
Ciclo de trabajo
Las horas de funcionamiento, los ciclos por hora, la distancia recorrida por ciclo y la variación de carga influyen en la vida útil requerida tanto del husillo de bolas como de las guías lineales.
3. Dimensionar las guías lineales a partir de fuerzas, momentos y espaciamiento de bloques
El tamaño de la guía lineal no debe basarse únicamente en el peso total de la máquina.
Por ejemplo, un conjunto en movimiento de 500 kg produce una fuerza gravitacional de aproximadamente:
500 × 9.81 = 4,905 N
Si el eje utiliza dos rieles y cuatro bloques, dividir 4905 N en partes iguales entre cuatro bloques da sólo un valor estático idealizado. Las máquinas reales suelen tener un centro de gravedad desplazado o fuerzas externas que crean momentos.
Por lo tanto, la selección de guías debe considerar:
- espacio entre vías-a-vías;
- bloquear-a-espacio entre bloques;
- centro-de-altura de gravedad;
- posición de carga longitudinal y lateral;
- dirección de la fuerza externa;
- Momentos de cabeceo, guiñada y balanceo.
Aumentar el espacio entre rieles generalmente mejora la resistencia a los momentos de rodadura, mientras que aumentar el espacio longitudinal entre bloques puede mejorar la resistencia a los momentos de cabeceo y guiñada.
Después de calcular la distribución de carga, verifique la clasificación de carga dinámica, la clasificación de carga estática, los momentos permitidos y la vida útil requerida del fabricante de la guía.
4. Dimensionar el husillo de bolas según su empuje, vida útil, pandeo y velocidad crítica
Empuje axial requerido
Para un eje horizontal, el empuje requerido del tornillo puede estimarse a partir de la fuerza de aceleración, la fuerza del proceso externo y la resistencia mecánica.
Ftotal = Faceleración + Fproceso + Fresistencia
Para un eje vertical, también se debe incluir la gravedad. Una masa en movimiento vertical de 500 kg por sí sola crea aproximadamente 4905 N de carga gravitacional antes de que se agreguen la aceleración y las fuerzas del proceso.
Vida útil del husillo de bolas
La vida útil del husillo de bolas depende de la relación entre la capacidad de carga dinámica del husillo y la carga operativa axial equivalente. Se debe considerar el espectro de carga real en lugar de utilizar solo la fuerza máxima.
Pandeo
Se debe comprobar el pandeo de los husillos de bolas largos sometidos a cargas de compresión. Los factores importantes incluyen el diámetro de la raíz del tornillo, la longitud sin soporte, la disposición del soporte y la fuerza de compresión.
Velocidad crítica
Los tornillos giratorios largos también deben permanecer por debajo de su velocidad crítica permitida. Las revoluciones del tornillo necesarias dependen de la velocidad lineal y del avance del tornillo.
Un avance mayor puede reducir la velocidad de rotación del tornillo para la misma velocidad de desplazamiento lineal, pero también cambia el par del motor, la ventaja mecánica y la resolución de posicionamiento. Por lo tanto, el diámetro y el paso deben seleccionarse juntos.
5. Precisión de coincidencia, precarga y rigidez
La capacidad de carga por sí sola no determina si el tornillo y las guías coinciden correctamente. El eje completo también debe proporcionar la precisión y rigidez requeridas.
Precisión del husillo de bolas
Seleccione el grado de precisión del husillo de bolas según el recorrido del eje, la tolerancia de posicionamiento, la estrategia de control y el presupuesto total de errores de la máquina.
Precarga
La precarga del husillo de bolas puede reducir el juego axial y aumentar la rigidez, mientras que la precarga de la guía puede reducir el desplazamiento bajo cargas cambiantes. Sin embargo, una precarga excesiva aumenta la fricción, la generación de calor y la sensibilidad a errores de instalación.
El objetivo no es especificar máxima precarga o máxima precisión en todas partes. El tornillo, las guías, los cojinetes de soporte, el acoplamiento, las superficies de montaje y el bastidor de la máquina deben seleccionarse como un solo sistema mecánico.
6. Verifique la alineación de la guía del tornillo y la geometría de instalación
Incluso los componentes del tamaño correcto pueden tener un rendimiento deficiente si el tornillo y las guías se instalan con una desalineación excesiva.
Los factores de instalación importantes incluyen:
- montaje en carril-rectitud de la superficie;
- paralelismo entre carriles guía;
- alineación de husillos de bolas;
- soporte-alineación de rumbo;
- precisión de montaje de tuercas de bolas;
- rigidez del carro en movimiento.
Una mala alineación puede aumentar el par motor, el calor y el desgaste, al tiempo que reduce la vida útil y el rendimiento de posicionamiento. Los sistemas precargados generalmente imponen mayores exigencias en cuanto a precisión de instalación.
7. Ejemplo resuelto: un eje de automatización horizontal de 500 kg
Considere un eje de automatización horizontal preliminar con los siguientes requisitos:
| Parámetro | Requisito de ejemplo |
|---|---|
| masa en movimiento | 500 kilogramos |
| Orientación | Horizontal |
| Golpe efectivo | 1.500 milímetros |
| Velocidad máxima | 500 mm/s |
| Aceleración máxima | 1.0 m/s² |
| Disposición de guía | Dos rieles, cuatro bloques |
Paso 1: Calcular la fuerza de inercia
Con una aceleración de 1,0 m/s²:
F = 500 × 1.0 = 500 N
Esta es sólo la fuerza de aceleración. Aún hay que añadir la fuerza del proceso y la resistencia mecánica.
Paso 2: Calcular la carga de la guía
El sistema de guía soporta aproximadamente 4.905 N de peso estático. Sin embargo, las cargas de bloques individuales no se pueden confirmar hasta que se conozca el espaciado entre rieles, el espaciado entre bloques y la posición del centro-de-gravedad.
Paso 3: seleccione la disposición de la guía
Calcule las fuerzas y momentos que actúan sobre cada bloque utilizando la geometría real de la máquina, luego seleccione una serie de guías y una configuración de bloque que proporcionen la capacidad de carga, capacidad de momento, rigidez y vida requeridas.
Paso 4: seleccione el husillo de bolas
Determine el empuje axial requerido y luego verifique el diámetro del tornillo, el avance, la capacidad de carga dinámica, la vida útil esperada, la velocidad crítica y el pandeo, cuando corresponda.
Este ejemplo no especifica deliberadamente un tamaño de guía o tornillo fijo porque la geometría faltante y los datos de fuerza del proceso-pueden cambiar materialmente la selección final.
8. Errores comunes al emparejar
Uso de un tornillo fijo-para-guiar la tabla de tamaños
No existe una relación universal-a-uno entre el diámetro del husillo de bolas y el tamaño de la guía lineal.
Selección de guías únicamente a partir del peso de la máquina
El desplazamiento del centro-de-gravedad y los momentos externos pueden crear cargas mucho más altas en bloques individuales de lo que sugiere un simple cálculo de peso.
Selección de un husillo de bolas únicamente según la capacidad de carga
Un tornillo puede tener suficiente capacidad de carga axial pero aun así no cumplir con los requisitos críticos de-velocidad, pandeo, avance o longitud de instalación- de la aplicación.
Ignorando la aceleración
La aceleración puede crear cargas sustanciales de empuje y momento, especialmente en ejes pesados y de ciclo alto-.
Usando el husillo de bolas como guía
Las guías lineales deben controlar la trayectoria del movimiento. El husillo de bolas debe transmitir principalmente la fuerza de accionamiento axial.
Especificación de precarga excesiva
Más precarga no siempre es mejor. Una precarga excesiva aumenta la fricción, el calor y la sensibilidad a errores de montaje.
9. Lista de verificación de solicitudes de presupuesto para un sistema completo de husillo de bolas y guía lineal
Para una selección preliminar de husillo de bolas y guía lineal, proporcione:
- Masa en movimiento y fuerza de proceso externa.
- Montaje horizontal, vertical o inclinado
- Golpe efectivo
- Velocidad máxima y aceleración.
- Precisión de posicionamiento y repetibilidad
- Horas de funcionamiento diarias y frecuencia de ciclo.
- Longitud de instalación de husillo de bolas disponible
- Número de rieles y bloques.
- Espaciado de rieles y espaciado de bloques
- Posición del centro-de-gravedad, si está disponible
- Ambiente de trabajo
- Prototipo y cantidad de producción.
Un dibujo de máquina o un diseño de eje simple es especialmente útil cuando la carga está desplazada de la línea central de la guía.
Conclusión
Combinar un husillo de bolas y una guía lineal no es cuestión de combinar dos tamaños del catálogo.
Las guías lineales deben seleccionarse según fuerzas, momentos, distribución de carga, geometría y vida requerida. El husillo de bolas debe seleccionarse según el empuje axial, la vida útil, el diámetro, el paso, la velocidad crítica, la pandeo y los requisitos de posicionamiento.
Luego se debe verificar la combinación final como un sistema completo en cuanto a rigidez, precisión, alineación y condiciones de instalación.
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