Come scegliere un cuscinetto a ralla per giunti robotici

Che cos'è un cuscinetto a ralla rotante per la robotica?Si tratta di un cuscinetto di grande diametro che sopporta carichi assiali, carichi radiali e momenti di inclinazione in un unico anello. Un giunto robotico può quindi ruotare senza un albero e un pacco di cuscinetti separati. La difficoltà sta nel dimensionarlo, perché un giunto in vita e un giunto in spalla caricano lo stesso cuscinetto in modi molto diversi.

Questa guida è pensata per i progettisti che devono definire un nuovo asse robotico o sostituire un cuscinetto risultato troppo piccolo. Al termine, avrete a disposizione un caso di carico, un obiettivo di rigidezza all'inclinazione, un limite di gioco e un elenco ristretto di tipi di cuscinetti da inviare al fornitore. Mi baso su oltre 30 anni di esperienza nella progettazione meccanica di macchinari pesanti e sistemi di trasmissione di potenza, inclusi più di 200 progetti di attrezzature.

Informazioni necessarie prima di iniziare il dimensionamento

Alcuni input bloccano il progresso. Altri possono essere perfezionati in seguito. Ordinali prima in modo da non rimanere bloccato su un numero che non modifica il risultato.

Ingresso	Dimensioni dei blocchi?	Perché è importante
Massa del carico utile e portata massima	SÌ	Imposta il carico assiale e il momento di ribaltamento
Massa del braccio e posizione del centro di gravità	SÌ	Spesso aggiunge più momento di quanto non faccia il carico utile
Orientamento dell'asse articolare (verticale o orizzontale)	SÌ	Decide se la gravità è assiale o radiale
Obiettivo di ripetibilità sulla punta dell'utensile	SÌ	Si converte in un limite di gioco angolare
Accelerazione di picco e carichi di frenata di emergenza	Si può aspettare una prima versione	Aggiunge un fattore dinamico ai carichi statici
Involucro: diametro esterno, foro per cavi, altezza	Si può aspettare una prima versione	Limiti per cui le serie di cuscinetti sono adatte
Ambiente (polvere, lavaggi, temperatura)	Si può aspettare una prima versione	Influisce su guarnizioni, rivestimenti e materiali

Se la massa del braccio è ancora sconosciuta, utilizzare una stima della massa CAD e contrassegnarla come valore provvisorio. Un errore di stima del 20% è più facile da correggere ora che dopo l'arrivo del prototipo.

Procedura di selezione passo passo

1. Disegna la posa peggiore possibile.Questo corrisponde solitamente al braccio completamente esteso e orizzontale. Segnare ogni massa e la sua distanza dal centro del cuscinetto.
2. Calcola la forza assiale, la forza radiale e il momento di ribaltamento.La forza assiale e radiale derivano dal peso (massa × 9,81). Il momento è dato da ciascuna forza moltiplicata per il suo braccio di leva rispetto al piano del cuscinetto.Punto di controllo:La somma dei momenti esercitati dal braccio e dal carico utile dovrebbe corrispondere al risultato del centro di gravità ottenuto con il CAD entro pochi punti percentuali.
3. Aggiungi carichi dinamici.Considera l'accelerazione del carico utile e del braccio. Chiedi al tuo fornitore quale fattore di carico applica al calcolo della sua valutazione statica.
4. Convertire l'obiettivo di ripetibilità in un limite di gioco.L'errore di punta è approssimativamente uguale alla portata × tan(gioco angolare). Con una portata di 1.000 mm, un gioco di 0,1° corrisponde a circa 1,75 mm di errore di punta. Se il tuo obiettivo è più stretto di così, il gioco o il precarico diventano il requisito determinante.
5. Scegli il tipo di cuscinetto.Utilizza la tabella dei tipi in una sezione successiva. Inizia con la sezione trasversale più piccola in grado di sopportare il momento, quindi verifica la rigidezza.
6. Verificare la struttura di montaggio.Un cuscinetto rigido su una flangia sottile e flessibile tenderà comunque a inclinarsi. Prima di rilasciare i disegni, verificare la planarità e la disposizione dei bulloni con il fornitore.
7. Abbinalo all'unità.Decidi se ti serve un cuscinetto con denti esterni o un azionamento di rotazione integrato. Questo determina come viene controllato il gioco.

Esempio pratico (numeri a scopo illustrativo, non si tratta di un caso reale di un cliente)

Supponiamo che il braccio pesi 60 kg con il suo baricentro a 0,5 m dalla base. Il carico utile è di 20 kg a 1,0 m. All'altezza della vita, il carico assiale è (60 + 20) × 9,81 ≈ 785 N. Il momento di ribaltamento è (60 × 0,5 + 20 × 1,0) × 9,81 ≈ 490 N·m.

Si tratta di valori statici. Moltiplicateli per il fattore dinamico fornito dal vostro fornitore e confrontateli con la curva di capacità nominale del cuscinetto, non solo con un singolo valore presente in una tabella di catalogo.

Giunti vita vs. spalla: matrice di carico, momento, rigidità e gioco

La maggior parte delle pagine prodotto descrivono un cuscinetto ad anello rotante per robotica come un componente della vita e si fermano lì. L'articolazione della spalla è altrettanto comune e richiede caratteristiche diverse. La tabella seguente mostra come cambiano i requisiti.

fattore di selezione	Giunto della vita (asse verticale)	Articolazione della spalla (asse orizzontale)	Azione per il progettista
Percorso di caricamento principale	Il peso agisce lungo l'asse, quindi è prevalentemente assiale.	Il peso agisce lungo l'asse, quindi è principalmente radiale.	Dimensionare di conseguenza la portata assiale o radiale del cuscinetto
Fonte del momento ribaltante	Il braccio e il carico utile si estendono dalla base.	Disallineamento del centro di gravità del collegamento rispetto al piano di appoggio	Calcola il momento a partire dall'offset, non solo dal carico utile.
Necessità di rigidità dell'inclinazione	Elevato, perché l'inclinazione si moltiplica sull'utensile	Elevato, e influisce anche sull'allineamento delle articolazioni.	Confronta i dati di rigidità, non solo i valori di carico.
effetto di contraccolpo	Si manifesta come errore angolare sulla punta	Stesso errore, più inversione quando la coppia gravitazionale cambia segno	Imposta un limite di gioco dalla formula dell'errore della punta
Coppia gravitazionale sull'azionamento	Nessuna informazione sull'asse di rotazione	Ampio e unidirezionale nella maggior parte delle pose	Dimensionare l'azionamento per mantenere la coppia sulla spalla
Tipo tipico di cuscinetto di avviamento	Rullo incrociato o a doppia fila di sfere per carichi moderati; rullo a tre file per carichi pesanti.	Rullo incrociato per giunzioni compatte e rigide	Consideralo come una prima ipotesi e verificalo con le curve di carico.
Segno di guasto comune	Oscillazione a estensione completa, usura della pista di rotolamento su un lato	Cinghie al cambio di direzione, usura irregolare nella zona di carico	Al primo tagliando, verificare la presenza di ciglia e l'eventuale usura asimmetrica.

Nei casi in cui ciò non si applica:Giunti ad assi sfalsati, bracci controbilanciati e robot a collegamento parallelo non rispettano questi schemi. In questi casi, è consigliabile eseguire il caso di carico completo anziché affidarsi alla tabella.

Nell'esempio illustrato sopra, un cuscinetto a spalla con un offset di 0,15 m subirebbe una coppia di circa 785 N × 0,15 m ≈ 118 N·m. La coppia gravitazionale di 490 N·m si trasmetterebbe principalmente attraverso l'azionamento, non attraverso il cuscinetto.

Quale tipo di cuscinetto è adatto a quale giunto?

I diversi progetti offrono un compromesso tra rigidità, altezza e costo. Ecco un rapido confronto tra le tipologie più comunemente prese in considerazione dai progettisti di robot.

Tipo di cuscinetto	Migliore vestibilità	Limite
Cuscinetti a sfere a fila singola	Carichi da leggeri a moderati, assi compatti	Rigidità di inclinazione inferiore rispetto ai tipi a rulli
Cuscinetto a ralla a doppia fila di sfere	Carichi assiali e momenti flettenti più elevati con un moderato aumento di altezza	Serve una busta più grande di una singola riga
Cuscinetti volventi a rulli incrociati	Giunti compatti che richiedono elevata rigidità e bassa inclinazione	Sensibile alla planarità di montaggio
Cuscinetti volventi a tre file di rulli	Carichi utili pesanti e momenti elevati	Più grande, più pesante e più costoso di quanto la maggior parte degli assi robotici necessiti

Per armi leggere, uncuscinetto orientabile per carichi leggeripotrebbe essere sufficiente. Se il fornitore non è in grado di fornire un valore di rigidità per la serie, richiedetelo prima di impegnarvi.

Errori comuni e come rimediare

• Dimensionamento calcolato solo in base al carico utile.Spesso la massa del braccio stesso aggiunge un momento pari a quello del carico utile. Per rimediare, ricalcolare la somma dei momenti al punto 2 includendo tutti i collegamenti.
• Utilizzo della valutazione assiale per un'articolazione della spalla.Un asse orizzontale trasforma il peso in carico radiale. Ricontrollare confrontando i risultati con le curve di capacità radiale e di momento.
• Ignoriamo le critiche fino alla fase di test.Lo si vede come la dispersione della punta quando si inverte la direzione. Torna al passaggio 4 e ricalcola con la portata effettiva.
• Montaggio su flangia sottile.Si nota un'usura irregolare o un'inclinazione a massima estensione. Rinforzare la struttura o aggiungere un anello adattatore più spesso.
• Saltando la revisione della sigillatura e del rivestimento.Polvere o lavaggi frequenti possono ridurre la durata del prodotto. Prima di finalizzare il codice del ricambio, verifica che il livello di protezione sia adeguato al sito di installazione.

Verifica del completamento

La selezione è completata quando ciascuna delle seguenti condizioni è vera:

• Vengono riportati i carichi assiali, radiali e di momento per la configurazione peggiore, con l'aggiunta di fattori dinamici.
• La curva di capacità del fornitore mostra un margine rispetto a quei carichi.
• L'errore di punta dovuto al gioco meccanico è inferiore al valore di ripetibilità prefissato.
• La planarità della struttura di montaggio e la disposizione dei bulloni sono state verificate.
• Si sceglie l'opzione di azionamento: cuscinetto con ingranaggi o azionamento di rotazione integrato.

Variazioni che modificano la procedura

Se hai bisogno di un controllo preciso del gioco e di un imballaggio compatto, un sistema integratounità di rotazionepuò sostituire il cuscinetto e l'ingranaggio separati.trasmissione a doppia vite senza fineLa progettazione è una via per ridurre il gioco, perché due viti senza fine possono essere messe l'una contro l'altra. Per schemi di bulloni o fori per cavi non standard, untrasmissione di rotazione personalizzataè spesso più pratico che riprogettare la base del robot.

Luoyang Slewring Bearing Co., Ltd. produce cuscinetti di rotazione e azionamenti di rotazione da oltre 15 anni e i suoi prodotti sono stati utilizzati in oltre 2.000 progetti di macchinari pesanti. Nessuno dei casi seguenti riguarda bracci robotici, ma mostrano percorsi di carico e requisiti di precisione comparabili:

• Un'azienda di Manchester, nel Regno Unito, produttrice di apparecchiature per l'automazione, ha ordinato 100 unità del modello SP-I 0841-32.1 per sistemi di piattaforme girevoli automatizzate.
• Un produttore di attrezzature forestali della Columbia Britannica, in Canada, ha ordinato 30 unità di riduttori a vite senza fine a doppia vite WED14-86-25BHR.5, con una precisione di 0,13° o superiore.
• Un produttore di Houston, Texas, ha ordinato 100 unità di SEA21-125-25HR(2) per piattaforme girevoli.

Per un prototipo, il MOQ per un prodotto standard è di 1 set e il MOQ per un prodotto personalizzato è di 5 set. Offriamo prototipazione rapida in 3 giorni e inviamo una proposta tecnica entro 24 ore. La fabbrica è certificata ISO 9001:2015 e ogni cuscinetto di rotazione viene sottoposto a ispezione CMM e test di carico dinamico. Vedi il nostrocontrollo qualità dell'azionamento di rotazioneVisita la pagina per maggiori dettagli. La nostra garanzia estesa di 2 anni copre i difetti di fabbricazione accertati.

Se stai sostituendo un componente sottodimensionato, inviaci il tuo caso di carico, l'inviluppo e il valore target del gioco. I nostri ingegneri verificheranno i valori con la serie corretta e ti indicheranno dove il cuscinetto ad anello di rotazione per robotica che hai scelto ha margine di sicurezza e dove no.