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Spécification et dimensionnement des rails linéaires pour les systèmes de mouvement

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Lorsque le système nécessite des mouvements sur les axes X, Y et Z, il convient de considérer chaque axe séparément.

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La meilleure approche pour spécifier et dimensionner les rails linéaires consiste à définir d'abord les paramètres les plus critiques de l'application, à restreindre les choix en fonction de ces exigences, puis à appliquer les variables critiques pour effectuer la sélection finale des rails linéaires.

Tout d'abord, les principes de base :

Les rails de guidage linéaire, les guidages et les glissières sont des systèmes mécaniques composés de rails et de roulements qui supportent et déplacent des charges physiques le long d'une trajectoire linéaire avec un faible coefficient de frottement. Ils sont généralement classés en deux catégories : les éléments roulants et les bagues planes. Étant donné que de nombreuses formes et tailles sont disponibles auprès de divers fabricants pour répondre à des besoins d'ingénierie spécifiques, votre application unique détermine la liste des paramètres critiques que vous devez prendre en compte ainsi que leur ordre d'importance.

Les types de rails et de roulements les plus courants sont les rails profilés (carrés) avec patins à recirculation de billes, les rails de guidage pour roulements à rouleaux et les rails ronds avec douilles à recirculation de billes ou douilles planes. Les rails profilés conviennent aux applications qui exigent une rigidité et une précision exceptionnelles, telles que les têtes de machines-outils et les mouvements de circuits imprimés de précision. Les systèmes de roulements à rouleaux sont destinés à une plus large gamme d'applications telles que le levage et le transfert de pièces, ou les applications de type "pick-and-place".

Pour choisir le rail qui convient le mieux à une application, il faut d'abord analyser les besoins spécifiques du système. Ensuite, il faut comprendre les exigences du client ou les directives du programme, notamment le nombre d'axes, la répétabilité, la tolérance et la précision nécessaires pour atteindre le résultat final. Enfin, il faut tenir compte de la contamination environnementale, telle que la poussière, l'eau, les fibres et d'autres substances.

Pour tout système, l'environnement de fonctionnement détermine le type de roulements à sélectionner. Par exemple, les environnements sales peuvent contaminer l'assemblage et interférer avec le bon fonctionnement des chemins de recirculation des billes. La contamination est plus facile à gérer dans les systèmes à rouleaux car les éléments roulants sont généralement plus grands. Les paliers lisses conviennent aux applications où la lubrification par contact de surface n'est pas recommandée ou ne peut être exposée à l'environnement, comme dans certains laboratoires de recherche ou dans les usines de fabrication de puces de silicium.

Après avoir sélectionné un système, il convient d'assembler les paramètres pour le dimensionner correctement. Pour chaque mouvement d'un système de guidage linéaire, il faut tenir compte des paramètres suivants : course, charge, vitesse, cycle de travail, zone de montage et orientation du montage.

Dimensionner le système de guidage linéaire

La charge statique est constituée du poids de la selle, de la fixation du nid, de la charge utile et des roulements. Si 40,0 lb sont centrées horizontalement d'avant en arrière et de gauche à droite dans un ensemble typique à deux rails et quatre chariots, chacun des blocs de roulements sera soumis à une charge statique de 10,0 lb.

Il existe deux types de glissières : les glissières à selle et les glissières en porte-à-faux. La glissière à selle standard, à base horizontale, utilise une selle ou un bloc qui se déplace entre deux blocs d'extrémité fixes. Avec la glissière en porte-à-faux, le corps principal et le cylindre restent statiques, tandis que la plaque de l'outil s'étend et se rétracte. Une deuxième application en porte-à-faux existe pour le déplacement vertical de charges. Avec un rail et deux chariots, les deux chariots de roulement peuvent être chargés de manière égale dans une direction radiale. Pour le dimensionnement du roulement ou du chariot, la charge totale du coulisseau le plus sollicité statiquement est généralement définie comme le scénario le plus défavorable.

Lors du dimensionnement des roulements, organiser le paramètre de charge et sa distance au centre de gravité (C.G.) ou au centre de masse. La charge fait référence au poids ou à la force appliquée au système, qui comprend à la fois la charge statique et la charge dynamique. La charge statique comprend le poids de la selle, de la fixation du nid, de la charge utile et des roulements. La charge dynamique (ou cinétique) doit tenir compte des charges appliquées lorsqu'elles interagissent avec la selle chargée de roulements. Normalement, cette charge devrait imposer une exigence de torsion aux roulements. Le C.G. de la selle fournit une valeur de charge unique à une certaine distance des centres des roulements.

Ces valeurs dynamiques ainsi que les valeurs de charge statique peuvent alors être organisées en radial (Corad), axial (Coax), couple autour de l'axe "X" (Mx), couple autour de l'axe "Y" (My), et couple autour de l'axe "Z" (Mz). Les variables peuvent ensuite être utilisées dans la plupart des applications de dimensionnement de roulements pour sélectionner la taille appropriée du chariot. Les valeurs de charge sont normalement présentées en livres ou en newtons (N) pour les charges statiques et en livres ou en newtons-mètres (Nm) pour les charges dynamiques.

Le centre des charges individuelles est une distance relative au centre du système de guidage ou aux centres des roulements, la masse totale a une distance de centrage par rapport aux rails de guidage de 1,5 pouces (60 in.-lb/40 lb). Les roulements doivent gérer un couple de 60 lb, en particulier lorsque la selle est accélérée ou décélérée rapidement.

La vitesse :

Il est essentiel de tenir compte de la vitesse car les charges appliquées affectent le système différemment selon qu'il s'agit d'une accélération ou d'une décélération ou d'un mouvement à vitesse constante. La vitesse est généralement exprimée en in./s ou en m/s (équivalent métrique). Des facteurs tels que le type de profil de déplacement déterminent l'accélération nécessaire pour atteindre la vitesse ou le temps de cycle souhaité. Dans un profil de déplacement trapézoïdal, la charge accélère rapidement, puis se déplace à une vitesse constante avant de ralentir. Un profil de déplacement triangulaire, en revanche, accélère et décélère rapidement. En outre, lors du calcul de la vitesse de l'application, il convient de tenir compte de la vitesse maximale du mouvement, ainsi que de l'accélération et de la décélération nécessaires pour atteindre la synchronisation globale d'un mouvement.

Coefficient d'utilisation :

Le paramètre du rapport cyclique doit prendre en compte le mouvement complet de la selle sur un cycle complet, ce qui correspond le plus souvent à deux fois la course plus les opérations au ralenti dans un temps donné. La course de l'application est la longueur du mouvement global complet dans une direction le long d'une trajectoire linéaire. Généralement, le paramètre du cycle de travail est organisé comme le nombre de cycles requis par minute.

Zone de montage :

La zone de montage du rail de guidage et des paliers de selle permet de déterminer la longueur hors tout et la séparation des rails du système de guidage. Dans la plupart des applications, il est préférable de prévoir l'empreinte la plus large possible pour le fonctionnement des roulements. À moins d'utiliser des roulements linéaires télescopiques, qui agissent comme de simples glissières de tiroir, la longueur hors tout du rail de guidage doit inclure la course du mouvement linéaire ainsi que l'empreinte du roulement.

La zone de montage doit également prendre en compte le substrat ou le système d'encadrement pour le maintien du rail de guidage. L'empreinte du roulement est la distance entre l'avant d'un chariot et l'arrière du chariot le plus éloigné le long d'un rail de guidage linéaire. De nombreux arbres profilés doivent être montés sur des surfaces entièrement usinées et rectifiées pour répondre aux exigences de précision du programme. D'autres conceptions peuvent être appliquées directement à des structures en aluminium ou tubulaires sans perte de capacité ou de rigidité.

Orientation :

L'orientation de montage des voies est essentielle pour définir les paramètres de charge, car la selle peut se déplacer horizontalement, verticalement, le long d'un support mural ou même en position inversée. Pour obtenir les meilleures performances, il faut gérer la charge de l'application avec la partie la plus résistante du système de roulement. Par exemple, le coulisseau radial à billes doit être orienté de manière à supporter la charge radialement et non axialement.

Sélectionnez maintenant un guide linéaire

Il s'agit d'un exemple d'application contenant un environnement standard légèrement contaminé par la poussière et nécessitant une répétabilité moyenne. En raison de ces deux facteurs, un système de roulements à rouleaux préchargés fonctionnant sur des chemins de roulement en acier trempé est sélectionné. La vitesse est rapide et une durée de vie plus longue peut être obtenue sans avoir à pousser les niveaux de capacité maximum.

En règle générale, pour un rail de guidage de 1 pouce, les paliers lisses ne doivent pas dépasser 20 pouces/s, les systèmes à recirculation de billes 80 pouces/s et les rouleaux environ 200 pouces/s. Pour obtenir la course totale de 118 pouces en 3 s, nous accélérerons et décélérerons de 6 pouces en 0,5 s chacun. Cela permet d'obtenir une course de 106 pouces et 2 secondes pour atteindre le temps cible. Chacun des rails de guidage doit avoir une longueur d'au moins 162 pouces, car la course est de 118 pouces et la longueur de la selle est de 44 pouces dans la dimension longeant le rail de guidage. Il est parfois utile de prévoir un pouce ou deux de plus à chaque extrémité de la course pour les interrupteurs de fin de course, les amortisseurs ou les capteurs.

Chacun des roulements sera soumis à une charge égale de 100 lb, car les roulements sont montés à chaque coin de la selle et le centre de gravité de la masse est centré d'avant en arrière et de gauche à droite. Chaque chariot de roulement peut supporter une charge radiale maximale de 500 lb, de sorte qu'une durée de vie adéquate est calculée ici parce que les roulements sont chargés dans une fourchette de 20 à 50 % de la capacité totale.