Quando os designers de máquinas precisam traduzir o torque do motor em impulso linear, eles geralmente especificam um motor de passo com um parafuso de avanço e porca integrados. Conhecido como atuador linear de motor de passo (SMLA), essa configuração pode fornecer controle preciso, confiabilidade e versatilidade ao longo de um caminho linear, mas se houver potencial para um pequeno momento ou carga lateral, será necessário adicionar orientação linear adicional. Um mecanismo de orientação bem projetado pode evitar qualquer encurvamento, flexão, empenamento ou outra disfunção que a carga lateral possa causar.
À primeira vista, adicionar orientação a um SMLA parece ser tão fácil que pode levar engenheiros experientes a projetá-lo eles mesmos, mas, dada a complexidade dos cálculos que podem estar envolvidos, mesmo nas menores aplicações, a estratégia "faça você mesmo" pode não valer o risco. Determinar o que é certo para qualquer aplicação requer consideração cuidadosa do perfil de movimento, tempo e orçamento disponíveis, considerações de espaço, integração e suporte.
Por que SMLAs
Um SMLA normalmente consiste em um motor de passo e um parafuso de avanço integrado que move uma carga em um movimento linear de vaivém. Os SMLAs são máquinas econômicas e altamente confiáveis que impulsionam inúmeras aplicações nas quais são necessárias paradas e partidas precisas e alta programabilidade, como ajustes na platina do microscópio, movimentação de cabeçote de impressora 3D e pipetagem. (Figura 1)
Figura 1. Superior: todos os SMLAs têm um motor de passo, um parafuso de avanço integrado e uma porca, mas diferem se eles traduzem o movimento girando o parafuso de avanço, a porca ou o parafuso de avanço que aciona uma haste tradicional do tipo atuador. Inferior: as aplicações ideais de SMLA incluem (da esquerda para a direita) pipetagem, ajustes na platina do microscópio, bombeamento de fluidos e impressão 3D. Imagens cedidas pela Thomson Industries, Inc.
A necessidade de orientação
Um SMLA fornece impulso ao longo de um eixo linear, mas não pode tolerar carga lateral. Carga indesejada perpendicular a este eixo pode resultar de qualquer um dos seguintes fatores:
- Força de momento de flexão causada por cargas desalinhadas.
- Cargas de vibração e choque, especialmente em ambientes com impactos mecânicos ou oscilações.
- Diferenças de expansão térmica entre componentes.
- Gravidade.
Essas forças, independentemente ou em combinação, podem desgastar ou deformar componentes. Elas podem causar encurvamento e empenamento, falha prematura e aumento de estresse em rolamentos ou porcas e roscas de parafusos de avanço. Desalinhamento, aumento do atrito e fadiga do material também contribuem para a degradação geral do desempenho e redução da vida útil do sistema.
Evitar o impacto negativo de cargas laterais ou de momento requer orientação suplementar para proteger contra forças externas que impactam o movimento linear da carga. A orientação geralmente envolve a implantação de trilhos redondos ou quadrados adicionais e rolamentos externos ao parafuso de avanço. O desafio para o usuário ou o OEM é determinar a orientação mais robusta, no menor espaço e com o menor custo.
Adicionando a orientação
Quanto maior a carga e maior a velocidade, mais complicado é adicionar orientação de forma otimizada. As seguintes etapas estão envolvidas:
- Avaliar os parâmetros de espaçamento, orçamento e entrega.
- Determinar se o melhor é um trilho redondo, quadrado ou outro mecanismo de guia.
- Executar cálculos de otimização, o que pode levar dias.
- Implementar o projeto final no CAD.
- Montagem.
- Teste.
Às vezes, é possível montar você mesmo um sistema compacto de movimento linear a partir de componentes prontos para uso, integrando trilhos de impulso e guia em uma única unidade de pequena escala. No entanto, geralmente é necessário um grau adicional de especialização para chegar à solução ideal. Os designers de máquinas precisam escolher entre montar eles mesmos um sistema de movimento linear, potencialmente com riscos desconhecidos, ou confiar em um fabricante de controle de movimento com décadas de experiência em aplicações para criar uma solução altamente configurada, geralmente disponível com componentes padrão.
Faça você mesmo?
Projetar você mesmo um sistema compacto de movimento linear pode resultar em uma solução mais personalizada a um custo menor, além de economias de escala em aplicações de alto volume, mas também há muitas desvantagens potenciais.
Designers de máquinas que não têm ampla experiência em design de sistemas podem pecar por excesso de cautela e engenharia. Embora o excesso de engenharia possa reduzir o risco, geralmente também aumenta a complexidade. Por exemplo, dimensionar os trilhos de forma maior acrescentaria mais suporte, mas também aumentaria os custos e ocuparia espaço. Não é incomum que projetos de engenharia falhem na primeira iteração, o que pode levar à estaca zero, adicionando mais custos e atrasos.
Muitos, se não a maioria, dos projetos "faça você mesmo" integram componentes de diferentes fornecedores, que têm menos probabilidade de funcionar juntos de forma ideal. Se houver um problema, pode haver acusações entre os fornecedores de componentes. Da mesma forma, a manutenção e o suporte podem ser um problema, especialmente se a equipe de design interna original não estiver mais disponível para concluir o projeto.
Parceria para o sucesso
Trabalhar com um fornecedor que pode configurar a montagem "correta" de componentes padrão ou ligeiramente modificados ajudará a evitar esses problemas. É mais provável que os fornecedores tenham ampla experiência na personalização de sistemas de movimento linear para diversas aplicações. Os fornecedores podem ter desenvolvido especificações de configuração, modelos CAD e ferramentas on-line que facilitam o processo, bem como ferramentas físicas que lhes permitem usinar peças com mais eficiência. Os fornecedores também podem ter módulos pré-testados que podem ser adaptados facilmente sem grandes personalizações. (Figura 2) A modularidade permite que os fornecedores entreguem produtos padrão altamente configurados sem o custo adicional normalmente associado a produtos personalizados.
Figura 2. Os engenheiros de movimento têm inúmeras opções de configuração padrão para adicionar orientação a um SMLA. Dependendo dos requisitos da aplicação e das considerações de montagem e espaço, por exemplo, eles podem usar um trilho de perfil e um parafuso de avanço posicionados verticalmente (esquerda) ou horizontalmente (meio). Ou eles podem usar trilhos redondos em lados opostos do parafuso de avanço (direita) para ajudar a suportar maiores cargas de momento. Imagem cedida pela Thomson Industries, Inc.
Os fornecedores também assumem a responsabilidade pela operação do produto – geralmente emitindo garantias. Se integrado na fábrica, o designer pode ter mais certeza de que não haverá incompatibilidades entre os componentes. Os fornecedores também terão experiência para aproveitar ao máximo o mínimo de espaço, produzindo um sistema de movimento linear mais compacto. Alguns fornecedores oferecem serviços de personalização gratuitamente. O resultado desses benefícios e recursos do fornecedor é menos tempo, dores de cabeça e manutenção, uma solução mais rápida e, o mais importante, um menor custo total de propriedade.
A escolha segura
Se você precisa personalizar um projeto de sistema de movimento linear de alto volume, tem tempo e experiência disponíveis e pode tolerar algum risco, você pode reduzir o custo de ter um sistema guiado construindo-o você mesmo. Caso contrário, trabalhar com uma equipe de engenharia experiente de um fornecedor para montar um sistema de movimento linear compacto e altamente configurado a partir de componentes padrão para sua aplicação pode lhe dar o produto otimizado que você precisa mais rápido e com menos risco.
Embora os custos diretos a curto prazo possam ser maiores, quando você leva todos os fatores em consideração, trabalhar com um fornecedor experiente de movimento linear resultará em uma solução de maior qualidade, mais rápida e com o máximo ROI.