Com triar perfils d'alumini per a estructures d'equipaments d'automatització: guia de càrrega, llum i disseny estructural

GUÍA DE CAMPO PER A L'AUTOMATITZACIÓ INDUSTRIAL

Com triar sèries de perfils d'alumini per a estructures d'equipaments d'automatització

Una guia pràctica sobre càrrega, llum, moviment dinàmic i disseny estructural

Els perfils d'alumini industrials s'utilitzen àmpliament per a estructures d'equipaments d'automatització, carcasses de màquines, estacions de treball, sistemes de transportadors, cel·les robòtiques i estructures de moviment lineal. El seu disseny modular redueix el temps de fabricació, simplifica el muntatge i facilita molt les modificacions futures en comparació amb les estructures d'acer soldades.

Tanmateix, triar un perfil d’alumini no és simplement una qüestió de seleccionar la secció més gran disponible. Un bastidor massa petit pot flexionar-se, vibrar, afloir-se a les unions o reduir la precisió de posicionament. Un bastidor massa gran augmenta els costos de material, mecanitzat i muntatge sense millorar necessàriament les parts de la màquina que realment importen.

L’enfocament adequat consisteix a seleccionar la sèrie de perfils segons el recorregut de càrrega, la llargada sense suport, les condicions de moviment i la funció de cada àrea estructural.

1. Dividir primer l’equipament en zones estructurals

Una màquina d’automatització completa no necessita un mateix mida de perfil a tot arreu. En la majoria de casos, el bastidor es pot dividir en quatre zones:

•  Envants i accessoris de baixa càrrega  – proteccions de seguretat, portes, suports de cables, suports per pantalles i suports per sensors. Aquestes peces proporcionen principalment protecció o posicions de muntatge.
•  Bastidor principal de la màquina  – l’estructura que suporta l’envant, les fixacions, la taula de treball i els components estàndard de la màquina.
•  Bigues de suport del sistema de moviment  – bigues que suporten mòduls lineals, accionaments de corretja, eixos de cargol de boles, unitats de recollida i col·locació o accionaments de cintes transportadores.
•  Bases d’alta resistència i estructures d’escança llarga  – fonaments per a peces de treball pesades, cel·les robòtiques, cintes transportadores llargues i grans equips de producció automàtica.

Fer servir un perfil més gran només on sigui estructuralment necessari produeix una estructura alhora estable i econòmica. Per exemple, un perfil 3030 o 4040 pot ser adequat per a un armari, mentre que la biga que suporta un mòdul lineal en moviment pot necessitar un perfil 4080 o 40120.

2. Quatre factors que determinen la sèrie de perfils adequada

2.1 Càrrega: considereu com s’aplica la càrrega

No considereu només el pes total de la màquina. Les preguntes més importants són:

• La càrrega està distribuïda uniformement o concentrada en un sol punt?
• Es fa servir el perfil com una biga de suport simple o com una biga en voladís?
• L’estructura suporta només una càrrega estàtica?
• Experimentarà acceleracions, frenades, impactes o vibracions repetides?
• Hi ha una precisió de posicionament requerida o una desviació admèsible?

Un dispositiu de 50 kg sobre una taula de treball curta i ben suportada genera una demanda estructural molt diferent del mateix dispositiu de 50 kg en moviment a alta velocitat sobre una biga llarga. Les càrregues concentrades i les càrregues en voladís requereixen seccions més resistents que les càrregues estàtiques uniformement distribuïdes.

Per a l’equipament en moviment, la bastida s’ha de seleccionar segons la càrrega de treball màxima i el cicle operatiu real, no només segons la càrrega nominal del component.

2.2 Llum: les bigues més llargues necessiten més rigidesa

La llum és un dels factors més sovint negligits en el disseny de bastides d’alumini. Un perfil 4040 pot ser prou rígid en una distància curta, però el mateix perfil pot mostrar una desviació notable quan s’utilitza com a biga llarga sense suport i amb una càrrega al centre.

Fins i tot una petita desviació pot afectar:

• El paral·lelisme entre les guies lineals;
• El seguiment de la corretja i l’estabilitat del transportador;
• La repetició de la posició d’un mòdul lineal;
• Alineació entre fixacions i eines;
• Estanquitat a llarg termini de les unions i soroll de la màquina.

Quan una biga es fa més llarga, les solucions habituals són augmentar la secció del perfil, afegir suports intermedis, reduir la llum no suportada, utilitzar perfils aparellats o redissenyar l’estructura perquè les càrregues es transmetin mitjançant un marc tancat en lloc d’una única biga.

2.3 Condicions dinàmiques: El moviment genera forces addicionals

Els mòduls lineals, els transportadors, les unitats d’elevació i els robots generen més que el pes estàtic. Durant les acceleracions ràpides, les frenades i els canvis de direcció, la inèrcia pot provocar vibracions i càrregues transitoris molt més elevades que les càrregues observades quan la màquina està immòbil.

Si una biga de moviment és massa flexible, els símptomes habituals inclouen vibració durant el desplaçament, augment del soroll en funcionament, repetibilitat inconsistent i unions que es van aflorent progressivament. Per aquest motiu, sovint es selecciona una biga per al sistema de moviment d’un nivell superior al perfil emprat per a l’envolupant circumdant o per al bastidor general.

Per a equips d’alta velocitat o alta precisió, el disseny final s’ha de verificar mitjançant càlculs d’enginyeria o simulacions estructurals.

2.4 Connexions: Un perfil resistent necessita també una unió resistenta

La rigidesa del bastidor depèn tant de la secció del perfil com del mètode de connexió. Els suports d’angle estàndard són pràctics per a proteccions i cobertes d’ús lleuger, però les bases de màquines pesades i les estructures mòbils normalment requereixen connectors interns més resistents, fixadors roscats als extrems, reforços gruixuts o suports reforçats.

Els bastidors alts, les bigues llargues i les estructures amb moviment alternatiu també han d’emprar suports en diagonal, reforços triangulars o elements transversals quan sigui adequat. Una distribució ben dissenyada de les connexions pot millorar l’estabilitat de forma més eficaç que simplement augmentar la mida del perfil.

3. Sèries habituals de perfils d’alumini i aplicacions típiques

Les sèries anteriors constitueixen un punt de partida pràctic. La selecció final depèn encara de l’escorça, la geometria real del perfil, l’estat de l’aliatge, el disseny de les connexions i la disposició exacta de les càrregues.

4. Selecció de referència segons el tipus d’equipament

Màquines petites d'inspecció i sistemes de visió

L'equipament d'inspecció compacte sovint inclou càmeres, il·luminació, fixacions i petits mòduls lineals. El pes total pot ser moderat, però els components òptics o de moviment encara poden requerir una superfície de muntatge estable.

Configuració típica:

• Carcassa i marc de porta: 2020, 2040 o 3030;
• Estructura principal: 3030 o 4040;
• Biga de muntatge per mòdul lineal: 4040 o 4080;
• Base: 4040 amb peus ajustables i unions reforçades quan calgui.

Per als sistemes de visió, eviteu perfils prims o voladissos llargs als punts de muntatge de les càmeres i dels mòduls de moviment. Les vibracions estructurals poden afectar directament l'estabilitat de la imatge i la repetibilitat de la inspecció.

Màquines de cargolat, dispensació i etiquetatge

Aquestes màquines solen utilitzar sistemes de moviment XYZ amb acceleracions i desacceleracions freqüents. Per tant, cal prestar més atenció a l'estructura de moviment que a la coberta exterior.

Configuració típica:

• Carcassa i porta de seguretat: 3030 o 4040;
• Estructura principal de la màquina: 4040;
• Travesses de suport dels eixos X i Y: 4080 o 40120;
• Base: 4040, 4080 o 5050, segons la mida de l’equipament i la càrrega útil.

Per a màquines dispensadores de gran recorregut o sistemes de cargolat multi-eix, seleccioneu primer la travessa de suport modular en funció de la longitud del recorregut, de la massa en moviment i de l’acceleració, i dissenyeu després l’estructura exterior al seu voltant.

Transportadors de corretja, transportadors de rodets i transportadors de paletes

Per als sistemes de transportador, les variables clau són la longitud del transportador, l’espaiament dels suports, la càrrega per unitat, el mètode de transferència i la disposició del sistema d’accionament.

Configuració típica:

• Transportadors de corretja lleugers: 3030, 3060 o 4040;
• Transportadors de rodets de càrrega mitjana: 4040 o 4080;
• Estructures per a transportadors d’acumulació o de paletes: 4080, 40120 o 50100;
• Transport massiu de palets: seccions 40120, 50150, 100100 o més grans;
• Suports i potes: 4040, 4080 o 5050, seleccionats segons l’alçada i la càrrega.

Els transportadors llargs requereixen una separació raonable entre les potes i una suportació transversal adequada. Augmentar només la mida del perfil no pot compensar totalment intervals de suport excessivament grans.

Estacions de treball robòtiques i cel·les de seguretat

Una estació de treball robòtica sol incloure una base per a robot, fixacions, protecció perimetral i una zona per a l’armari de control. Aquests elements no s’han de dissenyar al mateix nivell estructural.

Configuració típica:

• Proteccions de seguretat: 2020, 3030 o 4040;
• Portes de protecció: 3030 o 4040;
• Suports per a armaris de control: 3030 o 4040;
• Taula de fixació: 4040, 4080 o 5050;
• Base per a robot: un bastidor d’alumini d’alta resistència amb plaques de connexió gruixudes i ancoratges al terra, o una base d’acer soldada quan calgui.

El disseny de la base del robot ha de tenir en compte la inèrcia dinàmica, l’abast, la càrrega útil i la velocitat del cicle, no només el pes propi del robot. Els robots d’alta velocitat o amb alta càrrega útil sovint requereixen una base d’acer o una estructura d’alumini fortament reforçada i ancorada al sòl.

5. Quatre errors habituals de selecció

Error 1: Seleccionar només segons el pes total de la màquina

El mateix pes total pot generar tensions molt diferents segons on es col·loca. Cal considerar conjuntament la llum, la posició dels suports, les càrregues concentrades i els voladisos.

Error 2: Utilitzar una única mida de perfil per a tota la màquina

Utilitzar la mateixa sèrie arreu pot simplificar la compra, però sovint comporta un mal ús de material en zones de baixa càrrega i una subdimensionació de les zones clau de suport de càrregues. Un disseny zonat és normalment més econòmic i més fiable.

Error 3: Ignorar les portes i els accessoris en voladís

Les portes, els braços de la interfície humana-màquina (HMI), les caixes de comandament i els suports per monitors poden no ser pesats, però la seva càrrega actua a una distància del punt de suport. Utilitzeu perfils amb una orientació adequada i una mida de secció suficient per evitar flexions i oscil·lacions.

Error 4: Ampliar perfils en lloc d’millorar l’estructura

Quan la rigidesa és insuficient, un perfil més gran és només una opció. Afegir un suport central, reduir la llum, utilitzar un disseny de bastidor tancat o millorar la disposició de les unions pot assolir resultats millors a un cost inferior.

6. Un flux de treball pràctic de selecció

Utilitzeu el següent flux de treball quan dissenyeu un bastidor per a equipaments d’automatització:

• Definiu les dimensions generals de l’equipament, el pes de la màquina i la càrrega màxima de la peça de treball.
• Dividiu l’estructura en zones d’envolupant, bastidor principal, biga de moviment i base.
• Identifiqueu la llum, els punts de suport i la direcció de càrrega de cada element.
• Comproveu si hi ha moviment dinàmic, impactes, càrregues excèntriques i components en voladís.
• Seleccioneu una sèrie de perfils preliminars per a cada zona.
• Dissenyar el mètode de connexió, les reforços, les barres transversals, els peus de nivellació i les fixacions al sòl com a part de l’estructura.
• Realitzar càlculs o simulacions per a equips d’escantilló llarg, d’alta càrrega o d’alta precisió.
• Reservar ranures en forma de T i posicions de muntatge per a futures canonades pneumàtiques, recorreguts de cables, armaris de control, sensors, proteccions i suports.

Conclusió

La millor sèrie de perfils d’alumini per a una estructura d’equipament d’automatització no és necessàriament la més gran. Les cobertes i proteccions d’escassa càrrega sovint poden fer servir perfils 2020, 2040 o 3030. Els perfils 3030 i 4040 són opcions pràctiques per a molts bastidors de màquines petites i mitjanes. Per a escantillons llargs, bigues de cintes transportadores i suports de moviment lineal, els perfils 4080 i 40120 ofereixen una rigidesa a la flexió superior. Les bases d’equipaments pesats, les cel·les robòtiques i les grans línies de producció poden requerir seccions 5050, 50150, 100100 o més grans, sovint combinades amb connexions reforçades i fixacions al sòl.

Per obtenir un disseny final fiable, proporcioneu a l’equip d’enginyeria o al proveïdor de perfils les dimensions de l’equipament, la càrrega, la llum, la velocitat de funcionament, la precisió requerida i les condicions d’instal·lació. Això permet adaptar la secció del perfil, el mètode de connexió i la disposició dels suports a l’aplicació real i evitar modificacions costoses del bastidor en una fase posterior.