Una guía completa sobre rodamientos lineales: todo lo que necesita saber

1. Rodamientos lineales y otros componentes de guía de movimiento lineal.

Los componentes de guía de movimiento lineal son los componentes más utilizados en mecanismos de movimiento automatizados para transferencia, manipulación, posicionamiento y montaje.

Aquí compararemos rodamientos lineales, guías deslizantes y casquillos sin aceite y nos centraremos en el uso de rodamientos lineales.

(1) Comparación de las características de los rodamientos lineales

En la siguiente tabla se resume una comparación aproximada de las características de los tres componentes de la guía de movimiento lineal.

Tipos	capacidad de la batería	Coeficiente de fricción	Precisión de la guía	Resistencia ambiental	Mantenibilidad	Precio
Rodamientos lineales	△	oh	oh	△	△〜○	Precio bajo
Guías lineales	oh	oh	oh	△	△〜○	Precio alto
Bujes autolubricantes	△	×	△	○	○	Moderadamente valorado

A continuación se muestra una introducción a la relación entre las características anteriores y la construcción.

(2) La correlación entre las características y la construcción de piezas guía lineales.

1. Diferencias de prestaciones en relación a la capacidad de carga:

• Rodamientos lineales y casquillos autolubricantes.

a) Los componentes móviles con cojinetes lineales o casquillos autolubricantes generalmente están montados sobre un eje (riel guía) sostenido por estructuras de soporte en ambos extremos para cumplir su función de movimiento. Al transportar cargas grandes, el eje se deforma fácilmente (ver (foto 1)).

(Además, cuando se guía linealmente verticalmente, se puede utilizar una estructura simple que ignore el problema de carga, ya que el eje no necesita soportar la carga del componente móvil).

• Guías lineales

b) Los componentes móviles se mueven sobre carriles guía fijos montados en la base, que tienen excelentes características de carga (ver (foto 2)).

Rodamientos lineales y casquillos autolubricantes => Movimiento lineal sobre un eje (riel guía) fijado en ambos extremos => Movimiento lineal con cargas ligeras a medias.

Guías lineales => Movimiento lineal sobre carriles guía fijados a la base => Movimiento lineal con cargas ligeras a pesadas.

2. Diferencias de prestaciones en relación al coeficiente de fricción:

En este caso, las diferencias en el método de deslizamiento guiado (rodamiento o deslizamiento superficial) determinan las diferencias de rendimiento. La diferencia en el coeficiente de fricción está directamente relacionada con la selección del actuador de accionamiento.

a) Pequeña resistencia de fricción = pequeña fuerza de fricción = puede ser impulsado por un pequeño motor de torsión = el movimiento giratorio se puede convertir en movimiento lineal.

b) Gran resistencia a la fricción = gran fuerza de fricción = requiere un gran par o impulso de empuje = puede ser impulsado directamente por un cilindro lineal.

■ Precauciones de uso

El tamaño del coeficiente de fricción afecta la capacidad del equipo de accionamiento y la cantidad de calor generado durante el funcionamiento. Los casquillos lisos no son adecuados para funcionamiento continuo a alta velocidad con alta generación de calor.

Cuando se utiliza un cilindro, la velocidad de arranque/parada no se puede controlar como ocurre con un motor. El funcionamiento a alta velocidad y la supresión de vibraciones se pueden lograr instalando mecanismos de frenado flexibles, como amortiguadores y amortiguadores.

3. Diferencias de rendimiento con respecto a la precisión de la guía:

Básicamente, el rendimiento está determinado por la holgura entre el rodamiento y el riel guía.

a) En el caso de rodamientos lineales, se utiliza un eje cilíndrico como riel guía, y la holgura entre el rodamiento y el riel guía se establece como "ajuste de interferencia: g6" o "ajuste de transición: h5", y el rodamiento se desliza en un estado de “brecha” mínima.

b) Para las guías lineales, se utilizan rieles guía dedicados y se combinan rodamientos de alta precisión y rieles guía con espacio libre pequeño (0-3 μm) o tipo presurizado (-3-0 μm).

c) En comparación con los rodamientos lineales, los casquillos autolubricantes tienen una mayor holgura entre el riel guía (eje), lo que resulta en una menor precisión de guía.

■ Precauciones de uso

Los estados de contacto entre la bola y el carril guía son diferentes en los rodamientos lineales y en las guías lineales. Los rodamientos lineales tienen un estado de contacto puntual, donde la parte de contacto soporta localmente una gran carga.

La porción de contacto entre el riel guía y el rodamiento de bolas en las guías lineales adopta una forma de ranura, lo que permite que la bola esté en un estado de contacto superficial con la superficie del riel guía y, por lo tanto, la carga de contacto se dispersa.

También existen diferencias en las características de capacidad de carga entre los dos con respecto al estado de contacto en la parte deslizante. ((Figura 1) y (Figura 2))

• Rodamientos lineales => estado de contacto puntual => distribución vertical desigual de la carga => no aptos para condiciones de carga elevada.
• Guías lineales => estado de contacto con la superficie => distribución de carga vertical dispersa => pueden soportar cargas relativamente altas.

4. Sobre resistencia ambiental y mantenibilidad:

Esta diferencia de rendimiento está determinada por las diferencias en los materiales que los componen.

a) Los rodamientos lineales y las guías lineales pueden lograr confiabilidad a largo plazo debido al efecto del aceite lubricante (grasa), por lo que el entorno de trabajo no puede exceder el índice de resistencia ambiental del aceite lubricante.

b) Los casquillos autolubricantes se utilizan generalmente en ambientes donde no hay aceite lubricante y tienen buena resistencia ambiental y facilidad de mantenimiento.

2. Distinción entre tipos lineales y bridados

A continuación explicamos las diferencias en las formas externas de los rodamientos lineales (tipo lineal y tipo bridado) y el cuidado que se debe tener durante el montaje.

(1) Tipo lineal y tipo con brida de rodamientos lineales

(Foto 1) muestra el tipo lineal y (Foto 2) muestra el tipo bridado.

El rodamiento lineal embridado (Foto 2) tiene las siguientes ventajas:

Tiene una estructura más compacta al adoptar una construcción integrada de rodamiento lineal y manguito de eje con brida ((Figura 1)).

En comparación con un rodamiento lineal combinado con una brida producida por separado, tiene ventajas como bajo costo, corto tiempo de entrega y calidad estable.

(Figura 1) es un diagrama esquemático que explica la estructura compacta de un rodamiento lineal con bridas. La estructura de montaje del rodamiento lineal con brida y la forma del manguito del eje son muy largas, mientras que el rodamiento lineal con brida adopta una estructura integrada, que es más compacta. Este diseño compacto le permite mantener el rendimiento de carga.

(2) Distinguir entre tipos lineales y tipos de brida

Elija tipos de rodamientos lineales o de brida según los siguientes criterios: Seleccione tipos de bridas de rodamiento lineal si soportan carga.

Elija según el espacio circundante y las superficies del edificio alrededor de la instalación de rodamientos lineales. Consulte el punto (3) para conocer los métodos de instalación y las precauciones relacionadas con los rodamientos lineales.

Los rodamientos lineales se dividen en tipos automóviles y fijos en el eje para la rotación del eje. La Figura 2 ilustra la construcción de una plataforma impulsada por XYZ-θ con el eje como eje guía. Los rodamientos se clasifican en consecuencia.

• a) Eje X: Los rodamientos lineales son autoblocantes y de tipo brida.
• b) Eje Y: Los rodamientos lineales son fijos (en la dirección del eje Θ) y permiten el movimiento en la dirección del eje A.
• c) Eje Z: Los rodamientos lineales se fijan en la dirección del eje Z y permiten el movimiento en la dirección del eje Y.

Para los tipos lineales, seleccione métodos de sujeción con anillo elástico o placa de tope según la resistencia de sujeción deseada.

a) La parte móvil de la sección en el eje X está sometida a la fuerza de inercia del peso de la parte móvil soportada por el rodamiento lineal. El rodamiento lineal debe fijarse firmemente.

b) El rodamiento lineal se fija al asiento del rodamiento y, debido al uso de un cilindro para impulsar la estructura del eje, la fijación axial del rodamiento lineal solo soporta la fuerza de reacción de fricción, por lo que se adoptó un diseño compacto para el tipo lineal. . Además, los cojinetes lineales del eje Y se ajustan en la dirección opuesta a los dos ejes con respecto al eje de rotación de la plataforma impulsada θ, lo que permite una alta rigidez en relación con el par de rotación.

c) Si lo consideramos desde la dirección del eje móvil, es igual a b) y no soportará grandes fuerzas.

(3) Métodos de instalación y precauciones para rodamientos lineales.

(1) Métodos de instalación para rodamientos lineales

Los rodamientos lineales generalmente se instalan usando anillos elásticos o placas de tope (ver (Foto 3) y (Figura 3)).

(2) Precauciones para el ángulo de instalación de rodamientos lineales

Debido a las diferencias en el diámetro y tipo del eje, así como al número de filas de bolas en el rodamiento, los rodamientos lineales generalmente tienen de 4 a 6 filas de bolas dispuestas en ángulos iguales. Cuando utilice rodamientos lineales horizontalmente, evite instalarlos con las filas de bolas en la posición directamente arriba (como se muestra en el lado izquierdo de la (Figura 4)), ya que esto puede resultar en cargas concentradas.

(Figura 4) muestra un rodamiento de bolas de 5 hileras y la relación de los valores de carga nominal se muestra a continuación (lado derecho ÷ lado izquierdo). Por lo tanto, la instalación debe realizarse lo más cerca posible del ángulo de instalación que se muestra en el diagrama anterior.

• Carga estática nominal (lado derecho ÷ lado izquierdo) = 1,46
• Clasificación de carga dinámica (lado derecho ÷ lado izquierdo) = 1,19

3. Diferenciación entre rodamientos de una sola capa, de doble capa, extendidos y con tratamiento superficial.

(1) Longitud del rodamiento y rendimiento de la guía.

Los rodamientos lineales se pueden dividir en cuatro tipos según la longitud del rodamiento:

• (1) una sola línea
• (2) doble revestimiento
• (3) extendido
• (4) Diseñado por el cliente (utilizando dos tipos de línea única).

La diferencia en la longitud del rodamiento afecta directamente el rendimiento de la guía de la siguiente manera:

• a) Capacidad de carga
• b) Precisión de la guía

a) Relación entre longitud de apoyo y capacidad de carga

Cuanto más largo sea el rodamiento, más puntos de apoyo habrá y menor será la carga requerida para cada punto de contacto del rodamiento. Esta conclusión se puede extraer de la situación real en la que la carga nominal de los tres tipos (1), (2) y (3) de rodamientos lineales aumenta secuencialmente con su longitud.

Por lo tanto, elegir una longitud de rodamiento lineal más larga puede mejorar la capacidad de carga del producto (= mayor vida útil y confiabilidad) ((Figura 1)).

b) Relación entre la longitud del rodamiento y la precisión de la guía

Cuanto mayor sea la longitud del rodamiento, mayor será la precisión de la guía.

1)	Al promediar el error de orientación del riel guía (eje), se puede mejorar la precisión del producto (consulte la nota correspondiente para obtener más detalles) ((Figura 2)).
dos)	La precisión del producto se puede mejorar reduciendo el error de espacio entre el riel guía (eje) ((Figura 3)).

El efecto promedio de los rodamientos: al aumentar la longitud del rodamiento guía lineal, aumenta el número de soportes del rodamiento y se pueden calcular los factores de error en la superficie de la guía (rugosidad de la superficie y deformación por flexión), suprimiéndose el efecto del factor de error. a menos de la mitad.

Por lo tanto, al aumentar la longitud del rodamiento, se puede mejorar la capacidad de carga y la precisión de la guía.

Por lo tanto, el tipo (4) (que utiliza un diseño dedicado con dos tipos de revestimiento único) de rodamiento lineal se utiliza a menudo en entornos de trabajo de alta precisión hasta cierto punto ((Figura 4)).

(2) Cálculo de la deformación del riel guía (eje) ((Figura 5))

En un mecanismo lineal que consta de un rodamiento lineal y un eje, la deformación del eje se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

δ = (W * a ³ * b ³ ) / (3 * E * I * L ³ )

dónde:

• a: Distancia desde el punto final del soporte hasta la posición de carga
• b: Distancia desde el punto final del soporte en el lado opuesto de a hasta la posición de carga
• L: Distancia entre soportes de eje
• E: módulo de Young
• I: Segundo momento del área de la sección transversal.
• Yo = πd ⁴ /64 ≈ 0,05d ⁴
• d: diámetro del eje
• W: Carga soportada por el rodamiento lineal (unidad: N)

Cuando a = b = L/2, δ = W * L3 / (9,6 * E * d4).

Por lo tanto, si desea reducir la deformación del eje, debe adoptar un enfoque de diseño que aumente el diámetro del eje (4 veces el efecto) o acorte la distancia entre los soportes del eje (3 veces el efecto).

(3) Características y ejemplos de aplicación de materiales componentes y tratamiento de superficies.

Los materiales que los componen, los tratamientos superficiales y los ejemplos de aplicación de los rodamientos lineales se presentan en la siguiente tabla:

Material del anillo exterior	Tratamiento de superficies	Material de retención	Material de la bola	Ejemplos de aplicación:
SUJ2	–	Equivalente a Resina/SUS440C	SUJ2	Guía deslizante con requisito general de resistencia al desgaste.
SUJ2	Cromado negro a baja temperatura.	Lo mismo que arriba.	Equivalente a SUS440C	Movimiento de precisión para componentes ópticos sin reflejos en un entorno libre de polvo.
SUJ2	Químico Ni-P	Lo mismo que arriba.	Lo mismo que arriba.	Piezas deslizantes resistentes a químicos en ambientes libres de polvo que requieren resistencia al desgaste.
Equivalente a SUS440	–	Lo mismo que arriba.	Lo mismo que arriba.	Carga liviana en ambiente libre de polvo y equipos utilizados en el área alimentaria y médica.

Características comparativas de tratamientos superficiales.

Material del anillo exterior:	Tratamiento de superficies	Características:
SUJ2	–	SUJ2 está hecho de hierro y puede oxidarse.
Lo mismo que arriba.	Cromo negro de baja temperatura	Bajo coeficiente de fricción y buena resistencia al desgaste Capaz de formar una capa negra delgada y uniforme que no refleja la luz y tiene buena absorción de calor.
Lo mismo que arriba.	Recubrimiento químico Ni-P	Excelente resistencia a los agentes químicos y a la corrosión, de uso frecuente en salas blancas. Revestimiento duro con acabado brillante y no magnético.

4. Ejemplo de aplicación de rodamientos lineales en equipos automáticos simples

Las características de los rodamientos lineales se describen a continuación:

1. Coronas de orientación sencillas, económicas y con un rendimiento medio. (Alta relación costo-beneficio)
2. Bajo coeficiente de fricción, facilitando la selección de la transmisión. (Cilindro de bajo costo o tipo de motor de precio medio)
3. Al combinarlo con una correa síncrona, se puede lograr un diseño de construcción de conducción silenciosa y liviana.
4. En el caso de la guía direccional vertical, el uso del método de conducción del centro de gravedad permite un diseño constructivo simple y compacto.

El uso y las características de los rodamientos lineales se explican a continuación mediante un ejemplo de su aplicación en equipos automatizados simples.

(1) Motor paso a paso y transmisión por correa síncrona

La construcción de la transmisión por correa síncrona presenta ventajas como silencio, ligereza, bajo coste y ausencia de necesidad de lubricación. Para la situación de la mesa de trabajo del eje X/Y/Z, el concepto de diseño habitual es reducir la carga en el motor del eje X inferior aliviando el eje Y superior.

Por lo tanto, el eje Y suele construirse utilizando una correa síncrona.

a) (Figura 1) muestra un mecanismo de accionamiento X/Y/Z típico de 3 ejes.

El eje X está formado por guías lineales, mientras que el eje Y y el eje Z están formados por rodamientos lineales. El sistema de transmisión utiliza correas síncronas y husillos de bolas.

b) (Foto 1) muestra un ejemplo de aplicación del eje Y en un dispositivo de ensamblaje de chip IC. La dirección del eje Y se convierte en movimiento alternativo mediante una correa síncrona.

c) (Figura 2) muestra un ejemplo de aplicación de un robot de un solo eje con las siguientes características:

1. Se utilizan dos rodamientos lineales de gran envergadura para mejorar la capacidad de carga y la precisión de la guía.
2. El diseño y la estructura de la correa y polea síncronas utilizan el principio de polea rodante ((Figura 3)) para lograr una alta eficiencia energética del motor y una alta precisión de posicionamiento.
3. La transmisión por correa síncrona es ligera y silenciosa.
4. La correa síncrona y el eje están dispuestos paralelos hacia arriba y hacia abajo, e incluso con una estructura de un solo eje, la rotación relativa entre el eje y el rodamiento lineal puede estar restringida.

Principio de polea móvil:

Para levantar el objeto de elevación en la Figura 3 una distancia S, el bloqueo de la cuerda debe moverse el doble de altura, pero la fuerza requerida es solo la mitad del peso del objeto de elevación, que puede levantar fácilmente el objeto de elevación.

2 veces la distancia de movimiento

<1> Precisión de posicionamiento que puede mejorar la resolución mínima de rotación del motor
<2> Reducir el retroceso de la polea y el error de ralentí a la mitad
<3> Accionamiento de rotación del motor de alta velocidad (2x), lo que resulta en una alta eficiencia del motor

1/2 veces la carga

<4> Puede ser impulsado por un motor de baja potencia (sin necesidad de engranajes reductores, etc.)

(2) Motor paso a paso y husillo de bolas.

El método de accionamiento del husillo de bolas tiene las siguientes características: (1) convierte directamente el movimiento giratorio del motor en movimiento lineal y (2) el paso del husillo de bolas tiene la función de un reductor. La eficiencia de transmisión de la fuerza motriz y la eficiencia del motor son relativamente altas.

(Figura 4) es un mecanismo de accionamiento en el que el eje Y utiliza un rodamiento lineal y un husillo de bolas. Esto generalmente se aplica a mecanismos que requieren potencia unitaria o que tienen requisitos de precisión de posicionamiento.

Informaciones adicionales:

a) Características de un motor paso a paso

Los motores paso a paso tienen la característica de producir un alto par en el rango de baja velocidad (generalmente al arrancar y desacelerar), lo que los hace adecuados para movimientos de corta distancia y control de posicionamiento multipunto.

b) Precisión necesaria del motor para lograr la precisión de posicionamiento del objetivo

Precisión de posicionamiento del objetivo = ±0,01 (mm). Al seleccionar un avance del husillo de bolas de 10 (mm/rev), la precisión requerida (divisiones) del motor paso a paso se puede calcular utilizando la siguiente fórmula.

(3) Transmisión por cilindro

(Figura 5) es un ejemplo de un cojinete utilizado para impulsar un cilindro en un mecanismo de sujeción, mientras que (Foto 2) es un ejemplo de un mecanismo de accionamiento de cilindro que utiliza un acoplamiento magnético. Ambos utilizan rodamientos lineales (indicados por flechas) como guía.

No es posible controlar la velocidad de arranque y parada con accionamiento por cilindro, por lo tanto se debe utilizar un amortiguador para reducir el impacto al frenar (como se muestra en (Foto 2)).

(4) Ejemplos de orientación vertical

La orientación vertical se puede lograr utilizando rodamientos lineales con bridas. No se requiere una estructura de soporte específica para asegurar la instalación del rodamiento lineal, lo que permite un diseño estructural simple y compacto (en el caso de guías deslizantes, donde se debe instalar un sustrato de montaje vertical para el riel guía fijo).

De manera similar a la estructura en (Foto 4), la guía de elevación (que se muestra en (Figura 6)) y el mecanismo de posicionamiento (que se muestra en (Figura 7)) en la parte inferior de la cinta transportadora también utilizan cojinetes lineales con bridas.