Os benefícios frequentemente esquecidos da integração de movimento multieixo de alta velocidade em um único eixo
Quando os designers de sistemas de movimento precisam de movimentos complexos, de alta velocidade e multieixos, eles podem pensar primeiro em braços robóticos elaborados e pré-embalados. Ou, se eles precisarem apenas de alguns eixos, eles podem pensar em configurar um perfil separado ou trilho redondo para cada eixo. Mas escondida entre essas opções está a tecnologia de estria de esferas, simples e comprovada, porém muitas vezes esquecida. Esta solução de movimento multieixo já existe há anos e ainda é altamente relevante para muitos dos esquemas de movimento complexos de hoje. As estrias de esferas usam uma arquitetura exclusiva que integra movimento rotativo e linear em um único eixo, dando a elas mais flexibilidade para implementar esquemas de movimento complexos em espaços mais apertados, proporcionando um negócio 2 por 1 em controle de movimento. (Figura 1)
Figura 1. As estrias de esferas, que permitem o movimento rotativo e linear em um único eixo, oferecem alta confiabilidade e expectativa de vida sob condições variadas de operação. Imagem cedida pela Thomson Industries, Inc.
Integrando movimento rotativo e linear
As estrias de esferas permitem movimentos lineares e rotacionais. Isso é realizado por meio da implementação de um eixo comum para executar dois movimentos independentes. (Figura 2) Quando visualizado, o eixo incluirá ranhuras axiais retificadas chamadas "estrias" ao longo de seu comprimento. Este mecanismo também incluirá uma porca de estria de esferas que desliza ao longo das ranhuras axiais do solo e bloqueia o movimento rotacional ou as cargas de momento radial. Cada porca é suportada por um rolamento e, na maioria das vezes, por um ponto de ancoragem comum, como um tubo redondo que é fixado a um suporte do mecanismo. Cada porca será acionada independentemente por um motor (geralmente acionado por correia) responsável por controlar seu respectivo eixo de movimento.
Para acionar a rotação axial, a porca da estria de esferas é girada. Esta porca abriga uma série de esferas que permitem movimento livre ao longo do eixo (ou seja, a porca pode deslizar ao longo do eixo com atrito mínimo). Quando giradas, essas mesmas esferas aplicam uma força perpendicular ao eixo por meio das ranhuras cortadas nas estrias, girando-o.
Para impulsionar o movimento linear, o eixo estriado é movido para frente ou para trás usando um atuador linear, como um pistão hidráulico, pneumático ou elétrico. Conforme a porca de estrias se move ao longo do eixo, os rolamentos de esferas rolam dentro das ranhuras. Rolar em vez de deslizar tem um coeficiente de atrito e desgaste menor e permite um movimento linear suave e preciso e velocidades mais altas. Os rolamentos de esferas circulam dentro da porca, proporcionando contato contínuo de rolamento com o eixo.
Devido à ancoragem/suporte, esse mecanismo também é muito resistente à carga de torção (ou seja, o eixo resiste à rotação, a menos que seja acionado pelo motor). Se uma carga de torção for aplicada externamente ao eixo enquanto ele estiver se estendendo/retraindo/parado, ela será suportada pela porca estriada e resistirá a essa carga. Além de um movimento "2 por 1" no eixo, esse recurso é igualmente importante por sua utilidade no design de aplicações.
Fazer isso em um único eixo traz inúmeros benefícios. Isso proporciona melhor uso do espaço; aumenta a capacidade de carga, a velocidade e a precisão com atrito insignificante; e melhora a durabilidade com manutenção mínima.
Figura 2. Ao permitir movimento linear e rotativo em um único eixo, as estrias esféricas oferecem uma série de benefícios aos projetos robóticos, incluindo maior compactação, capacidade de carga, velocidade e precisão. Imagem cedida pela Thomson Industries, Inc.
Melhor uso do espaço
A compressão de vários eixos em um só torna as estrias de esferas muito mais eficientes em termos de espaço do que as soluções de rolamentos tradicionais. Esse design se traduz em menos componentes e peças móveis, e uma maior capacidade de carga dentro desse espaço do que seria possível com rolamentos lineares comparáveis.
Maior capacidade de carga
Ranhuras largas e retificadas com precisão aumentam a capacidade de carga e melhoram a rigidez para lidar com cargas de momento maiores, até o dobro das dos conjuntos de rolamentos tradicionais. As estrias de esferas também distribuem mais carga ao longo do eixo. Isso permite que eles suportem cargas maiores do que os rolamentos tradicionais, que podem estar mais sujeitos a concentrações de tensões localizadas. As estrias de esferas também são melhores com cargas descentralizadas, como as comuns em aplicações de troca de ferramentas e de pick and place.
Atrito insignificante
O sistema de orientação de esferas proporciona movimento quase sem atrito por meio do contato preciso com pontos tangenciais de esferas rolantes guiadas pelas ranhuras do eixo estriado e pelo percurso dentro da porca.
Velocidades mais altas
As estrias de esferas precisam apenas de pequenas forças para deslocar a porca estriada axialmente, transmitindo torque e minimizando o atrito. Isso contribui para um aumento de velocidade de aproximadamente 20% em relação a um parafuso de esferas tradicional e uma operação mais suave. As estrias de esferas podem suportar velocidades de até 2 m/s.
Alta precisão e exatidão
As estrias de esferas oferecem alta precisão e exatidão no posicionamento, tornando-as ideais para aplicações onde é necessário controle preciso. A folga zero garante que não haja folga rotacional ou perda de movimento ao mudar de direção. As estrias de esferas mantêm essa precisão e baixo atrito mesmo sob cargas pesadas, garantindo um movimento preciso e consistente.
Fácil instalação e manutenção
A instalação é fácil, normalmente exigindo um furo bruto e furos de montagem perfurados e rosqueados para prender a porca flangeada, ou um furo bruto e ranhura para uma porca redonda. A simplicidade do seu design torna as estrias de esferas mais fáceis de solucionar problemas e manter. A equipe de manutenção pode simplesmente retirar a estria do eixo, lubrificá-la e recolocá-la, diferentemente dos requisitos mais altos de manutenção dos trilhos de perfil e parafusos de esferas.
Alta durabilidade
As estrias de esferas têm uma vida útil mais longa em comparação a alguns rolamentos tradicionais devido ao aumento dos pontos de contato do rolamento de esferas, o que reduz o estresse e aumenta a capacidade de carga. Quanto menor for o estresse nas esferas, mais pesada será a carga que elas poderão suportar, além de resistirem ao desgaste e proporcionarem desempenho consistente ao longo do tempo.
As estrias de esferas geralmente podem ser projetadas com vedações e tampas protetoras que protegem os rolamentos de esferas de contaminantes, como poeira e detritos, estendendo ainda mais sua vida útil. A arquitetura de estrias de esferas tem uma capacidade de carga segura de todos os ângulos, diferentemente de um rolamento radial, no qual as esferas devem ser posicionadas de forma adequada e cuidadosa para equilibrar a carga.
Economia de custos
A economia inicial é substancial para essa maneira alternativa de executar os dois eixos de movimento, e a economia se multiplica no caso de volumes maiores. Em comparação com sistemas multieixos empacotados, as estrias de esferas são significativamente mais baratas. Elas também são mais econômicas do que os conjuntos de trilhos de perfil devido ao seu pequeno número de componentes e menos peças móveis. Elas oferecem melhor resistência a cargas de momento pelo preço e exigem menos preparação de superfície para instalação. Comparado aos conjuntos de trilhos redondos, o custo das estrias esféricas é semelhante, mas com uma pegada menor e menos eixos. E a longo prazo, menos componentes precisariam de manutenção, o que economizaria tempo e custos.
Aplicações
Os designers de movimento que integram movimento linear e rotativo devem avaliar a tecnologia de estria de esferas para ver se configurá-las no mesmo eixo seria um benefício. Aqui estão alguns exemplos de aplicações em automação de fábrica, transporte, saúde e pesquisa que aproveitaram a funcionalidade de estria de esferas:
Automação fabril
- Montagem de coleta e colocação repetível, como posicionamento de objetos semicondutores de alta velocidade, no qual um braço é coletado do estágio de montagem, gira e é colocado em outro.
- Posicionamento de ferramentas CNC em operações de usinagem e fresamento.
- Equipamentos de embalagem para controle preciso dos mecanismos de enchimento e fechamento.
Transporte
- Controles da aeronave, como abertura de flaps e ajuste do acelerador.
- Veículos militares para facilitar a rotação, elevação de armas e direção do veículo.
Saúde e pesquisa
- Robôs cirúrgicos para orientar procedimentos cirúrgicos.
- Dispositivos de imagem médica para facilitar o movimento preciso de tomógrafos computadorizados ou outros dispositivos de aquisição de imagens de alta precisão.
- Análises laboratoriais, como platina do microscópio e posicionamento da amostra.
Os benefícios das estrias de esferas as tornam ideais para diversas aplicações, incluindo (da esquerda para a direita) usinagem CNC, tambores de fábricas de papel, pick and place e automação de máquinas. Imagem cedida pela Thomson Industries, Inc.
Para ajudar os designers de máquinas a otimizar as estrias de esferas para suas aplicações, alguns fornecedores oferecem orientação on-line. Uma ferramenta de seleção de estria esférica no mercado, por exemplo, usa recursos visuais que levam os usuários à melhor configuração em poucos minutos.
Encontrando seu lugar
As estrias de esferas são uma solução atraente para designers de máquinas que precisam de movimento em vários eixos. Em comparação com sistemas multieixos empacotados, as estrias de esferas requerem menos espaço e podem ser implantadas em velocidades mais altas, com menor atrito, maior precisão, vida útil mais longa e previsível e manutenção mais fácil. Elas também podem ser mais baratas.
Embora uma estria de esferas possa substituir braços robóticos embalados, sua eficiência de espaço e folga zero as tornam utilizáveis como componentes desses conjuntos, possivelmente estendendo um curso vertical ou auxiliando com cargas radiais e axiais mais pesadas.
Conforme as operações comerciais se tornam mais complexas e os avanços da digitalização, IA e mobilidade trazem mais eixos de movimento para as estratégias de automação, o desempenho e a versatilidade exclusivos da estria de esferas podem, finalmente, receber o respeito que merecem.