Settimana 4 marzo 2024 Raccomandazione per le notizie WBM - Oltre i cuscinetti: liberare il potenziale delle scanalature a sfera nei progetti robotici

Quando i progettisti di sistemi di movimento necessitano di movimenti multiasse complessi, ad alta velocità, potrebbero prima pensare a bracci robotici elaborati e preconfezionati. Oppure, se necessitano solo di pochi assi, possono configurare un profilo o un binario tondo separato per ciascun asse. Ma nascondersi tra queste opzioni è la tecnologia ball spline semplice e comprovata. Questa soluzione di movimento multiasse esiste da anni ed è ancora estremamente rilevante per i complessi schemi di movimento di oggi. Le scanalature a sfera utilizzano un'architettura unica che integra il movimento rotatorio e lineare su un singolo albero. Ciò offre loro maggiore flessibilità per implementare schemi di movimento complessi in spazi più ristretti, fornendo un rapporto due-per-uno nel controllo del movimento.

Integrazione del movimento rotatorio e lineare

Le scanalature a sfera consentono sia il movimento lineare che rotatorio. Ciò si ottiene con un albero comune che esegue due movimenti indipendenti (Figura 2). L'albero comprende scanalature assiali rettificate chiamate "spline" lungo la sua lunghezza. Ciò include anche un dado scanalato a sfera che scorre lungo le scanalature rettificate assiali, bloccando il movimento rotatorio o i carichi di momento radiale.

Per azionare la rotazione assiale, il dado scanalato a sfera viene ruotato. Questa chiocciola ospita una serie di sfere che consentono il libero movimento lungo l'asse (ovvero, la chiocciola può scorrere lungo l'albero con un attrito minimo). Quando ruotate, queste sfere applicano una forza perpendicolare all'albero attraverso le scanalature scanalate, facendolo ruotare.

Per azionare il movimento lineare, l'albero scanalato viene spostato in avanti o indietro utilizzando un attuatore lineare, come un pistone. Poiché i cuscinetti a sfera rotolano all'interno delle scanalature (invece di scivolare), un coefficiente di attrito e usura inferiore crea un movimento lineare fluido e preciso e velocità più elevate.

Grazie all'ancoraggio/supporto, questa disposizione resiste anche al carico torsionale (ovvero, l'albero resiste alla rotazione a meno che non sia azionato dal motore). Se un carico torsionale viene applicato esternamente all'albero mentre si estende/ritrae/stazionario, il dado scanalato lo supporta, resistendo a tale carico.

Benefici

Migliore utilizzo dello spazio

La compressione di più assi in uno solo rende le scanalature a sfera più efficienti in termini di spazio rispetto alle soluzioni di cuscinetti tradizionali. Ciò comporta un minor numero di componenti e parti mobili, oltre a una maggiore capacità di carico all'interno di quello spazio rispetto a quella offerta dai cuscinetti lineari comparabili.

Maggiore capacità di carico

Le ampie scanalature rettificate di precisione aumentano le capacità di carico e migliorano la rigidità e la rigidezza per gestire fino al doppio del momento di carico rispetto ai gruppi di cuscinetti tradizionali. Le scanalature delle sfere distribuiscono inoltre più carico lungo la lunghezza dell'albero. Ciò consente loro di sostenere carichi più elevati rispetto ai cuscinetti convenzionali, che possono essere più soggetti a concentrazioni di sollecitazioni localizzate. Le scanalature a sfera sono migliori anche con carichi decentrati, comuni nelle applicazioni di cambio utensile e pick-and-place.

Attrito trascurabile

Il sistema di guida delle sfere fornisce un movimento quasi privo di attrito attraverso il contatto preciso con i punti tangenziali delle sfere rotolanti guidate dalle scanalature dell'albero scanalato e dalla pista all'interno della chiocciola.

Velocità più elevate

Le scanalature a sfera necessitano solo di piccole forze per spostare assialmente il dado scanalato trasmettendo la coppia e riducendo al minimo l'attrito. Ciò contribuisce a un aumento della velocità di circa il 20% rispetto a una vite a ricircolo di sfere tradizionale e a un funzionamento più fluido. Le scanalature a sfera possono gestire velocità fino a 2 m/s.

Alta precisione e accuratezza

Le scanalature a sfera offrono elevata precisione e accuratezza nel posizionamento, rendendole ideali per applicazioni che richiedono un controllo esatto. Il gioco zero garantisce l'assenza di gioco rotazionale o perdita di movimento quando si cambia direzione. Le scanalature delle sfere mantengono questa precisione e un basso attrito anche sotto carichi pesanti.

Installazione e manutenzione facili

L'installazione è semplice e in genere richiede un foro grezzo e fori di montaggio praticati e maschiati per fissare il dado flangiato, oppure un foro grezzo e una sede per chiavetta per un dado tondo. Il design semplice semplifica la risoluzione dei problemi e la manutenzione delle scanalature a sfera. Il team di manutenzione può estrarre la scanalatura dall'albero, lubrificarla e reinserirla, mentre la guida profilata e le viti a ricircolo di sfere richiedono una manutenzione più elevata.

Alta durabilità

Le scanalature a sfera hanno una durata utile maggiore rispetto ad alcuni cuscinetti tradizionali grazie ai maggiori contatti dei punti del cuscinetto a sfera, che riducono lo stress e aumentano la capacità di carico. Minore è lo stress sulle sfere, maggiore è il carico che possono sopportare resistendo all'usura e fornendo prestazioni costanti.

Le scanalature a sfera sono spesso dotate di guarnizioni e coperture protettive che proteggono i cuscinetti a sfera da contaminanti come polvere e detriti, prolungandone ulteriormente la durata. L'architettura scanalata delle sfere ha una capacità di carico sicura da ogni angolazione, a differenza di un cuscinetto radiale, dove le sfere devono essere posizionate con attenzione per bilanciare il carico.

Risparmi

I risparmi iniziali sono sostanziali per due assi di movimento e si moltiplicano con volumi più elevati. Le scanalature a sfera sono significativamente meno costose dei sistemi multiasse confezionati. Avere meno componenti e parti mobili li rende più economici rispetto ai gruppi di guide profilate. Offrono una migliore resistenza al carico momento in rapporto al prezzo e richiedono una minore preparazione della superficie per l'installazione. Il costo delle scanalature a sfera è simile a quello dei gruppi di binari tondi, ma con un ingombro ridotto e meno assi. A lungo termine, meno componenti necessitano di manutenzione, risparmiando tempo e denaro.

Applicazioni

I progettisti del movimento che integrano il movimento lineare e rotatorio dovrebbero valutare la tecnologia ball spline per vedere se configurarli sullo stesso albero è vantaggioso. Di seguito sono riportati alcuni esempi di applicazioni nell'automazione industriale, nei trasporti e nel settore sanitario/ricerca che hanno sfruttato la funzionalità ball spline:

Automazione di fabbrica

Assemblaggio pick-and-place ripetibile, come il posizionamento di oggetti semiconduttori ad alta velocità in cui un braccio preleva un elemento dalla fase di assemblaggio, lo ruota e lo posiziona su un altro.

Posizionamento degli utensili CNC nelle operazioni di lavorazione e fresatura.

Attrezzature di confezionamento per il controllo preciso dei meccanismi di riempimento e tappatura.

Trasporti

Controlli dell'aereo, come l'apertura dei flap e la regolazione dell'acceleratore.

Veicoli militari per facilitare la rotazione, l'elevazione del cannone e la sterzata del veicolo.

Sanità e ricerca

Robot per assistere nelle procedure chirurgiche.

Dispositivi di imaging medico per facilitare il movimento preciso degli scanner TC o di altri dispositivi di acquisizione di immagini ad alta precisione.

Analisi di laboratorio, come il tavolino del microscopio e il posizionamento del campione.

Alcuni fornitori offrono una guida online per aiutare i progettisti di macchine a ottimizzare le scanalature delle sfere per le loro applicazioni. Ad esempio, uno strumento di selezione della spline a sfera offre ausili visivi che offrono agli utenti la migliore configurazione in pochi minuti.

Trovare il loro posto

Le scanalature a sfera sono perfette per i progettisti di macchine che necessitano di movimento su più assi. Rispetto ai sistemi multiasse confezionati, le scanalature a sfera richiedono meno spazio e possono essere utilizzate a velocità più elevate, con un attrito inferiore; maggiore precisione; vita più lunga e più prevedibile; e una manutenzione più semplice. Possono anche essere meno costosi.

Sebbene una scanalatura a sfera possa sostituire i bracci robotici confezionati, la loro efficienza in termini di spazio e il gioco zero li rendono utilizzabili come componenti di tali assiemi, eventualmente estendendo una corsa verticale o assistendo con carichi radiali e assiali più pesanti.

Man mano che le operazioni aziendali diventano più complesse e i progressi della digitalizzazione, dell’intelligenza artificiale e della mobilità introducono più assi di movimento nelle strategie di automazione, le prestazioni uniche e la versatilità della spline a sfera potrebbero finalmente ricevere il rispetto che meritano.

 

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