Repase cinco eslabones en la cadena de elementos de diseño que son cruciales para un funcionamiento preciso.

Un sistema de movimiento lineal es tan resistente como sus componentes mecánicos y electromecánicos más vulnerables. Comprender cada componente y característica (y su impacto en el diseño) mejora la toma de decisiones y aumenta las probabilidades de que el diseño final cumpla plenamente con los requisitos de la aplicación. Al fin y al cabo, la holgura, la precisión y otros aspectos del rendimiento del sistema se deben a elementos del diseño y la fabricación del husillo, la tuerca antirretroceso, los acoplamientos, el motor y la estrategia de control.

Colaborar con proveedores de sistemas de movimiento lineal que dominen todas las etapas de un diseño es la mejor manera de obtener un rendimiento óptimo. En definitiva, los sistemas de control de movimiento optimizados son como un coche deportivo de alto rendimiento con todos sus elementos perfectamente equilibrados… donde el motor adecuado, la transmisión correcta, los neumáticos idóneos y excelentes sistemas de control (como frenos ABS y control de tracción) se combinan para lograr un rendimiento excepcional.

Consideremos algunos ejemplos de diseños que requieren un rendimiento superior. En ciertos tipos de impresión 3D, la resolución de las capas se está reduciendo hasta los 10 µm. En los dispositivos médicos, las unidades de dispensación deben suministrar medicamentos vitales y controlar las dosis con precisión de microlitros. Este mismo nivel de precisión se observa en equipos ópticos y de escaneo, en equipos de procesamiento de chips y obleas en la industria de semiconductores y en la automatización de laboratorios.

Solo los diseños de movimiento lineal concebidos con un enfoque integral para la selección e integración de componentes pueden satisfacer estas exigencias de rendimiento cada vez mayores. A menudo, la solución más adecuada para estos sistemas es un tornillo y tuerca motorizados con una arquitectura de control apropiada. Analicemos, pues, las consideraciones clave y las características de rendimiento de cada eslabón en este tipo de ensamblaje lineal.

Enlace uno: Calidad del husillo y la tuerca

Los husillos de bolas existen desde hace décadas en diversas formas, con una amplia gama de diseños de tuercas y materiales. Durante gran parte de ese tiempo, las máquinas utilizadas para fabricar husillos de bolas se ajustaban manualmente, lo que limitaba la calidad a la capacidad de la máquina y la habilidad del operario. La mayoría de los fabricantes actuales todavía utilizan este tipo de equipo, pero los modernos procesos automatizados están llevando la calidad de los husillos de bolas a un nivel superior.

Por ejemplo, estas operaciones utilizan un sistema de alimentación, ajuste de inclinación y control de presión controlados por CNC para el proceso de roscado por laminación, con el fin de obtener roscas de husillo de la máxima uniformidad. El acabado superficial de estos husillos es siempre liso y libre de abrasiones que puedan dañar las tuercas de polímero, lo que garantiza una precisión y una vida útil del sistema sin precedentes.

Al mismo tiempo, las técnicas avanzadas de metrología e inspección que rastrean la forma y el perfil de las roscas de los husillos muestran una precisión de avance punto a punto hasta tres veces superior a la de los métodos manuales tradicionales. Esto permite mantener una precisión de avance constante de hasta 0,003 pulg./pie a lo largo de todo el husillo.

Para aplicaciones de transporte que implican el desplazamiento de un objeto de un punto a otro a lo largo de un eje, el método tradicional de verificar la precisión del paso cada 300 mm (seis pulgadas) es suficiente. Sin embargo, para aplicaciones de máxima precisión, la exactitud de cada rosca del eje es crucial. La desviación de la geometría adecuada de la rosca se conoce como deformación de la rosca.

Los nuevos equipos, procesos y métodos de inspección detallados de fabricación CNC automatizados permiten un control y una calidad más rigurosos, de modo que los puntos más altos y más bajos dentro de cada rosca presentan una precisión subrotativa muy superior; es decir, se reduce considerablemente la desviación. Esto, a su vez, ayuda a que los husillos mantengan una repetibilidad de posicionamiento de 1 µm en una sola rotación. Este es un parámetro de rendimiento especialmente crítico en aplicaciones como el procesamiento de obleas y chips costosos para la industria de semiconductores y la dosificación precisa de medicamentos en una bomba de jeringa.

Tras el laminado de roscas, los proveedores de tornillos de alta gama enderezan los ejes de los tornillos mediante un proceso automatizado para minimizar los errores y la excentricidad que pueden causar vibraciones, ruido y desgaste prematuro. La rectitud del eje del tornillo es fundamental, ya que cualquier error se acentúa al ensamblarlo con el motor. En cambio, los métodos tradicionales (manuales) de enderezado de tornillos pueden producir un efecto de cono de nieve en la geometría del eje, en forma de un único arco o varios arcos que se curvan alrededor del eje longitudinal. De nuevo, el enderezado y la inspección automatizados eliminan estos errores, lo que se traduce en un rendimiento estable del tornillo.

El paso final en la producción de husillos es la aplicación de un recubrimiento de PTFE. Solo un acabado liso y uniforme garantiza una larga vida útil y un rendimiento óptimo del sistema. Una aplicación inconsistente del PTFE (debido a un entorno o equipo de recubrimiento deficiente) puede provocar picaduras, fisuras, burbujas, descamación o rugosidad superficial, lo que causa un desgaste prematuro en la tuerca y reduce la vida útil del conjunto.

Segundo enlace: Interacción de la tuerca y el tornillo

Las tuercas antirretroceso tradicionales utilizan un diseño de varias piezas que requiere un resorte helicoidal para mover una pinza linealmente a lo largo de la tuerca para cerrar las lengüetas y controlar el ajuste entre el tornillo y la tuerca.

Los problemas que contribuyen al fallo de estos diseños son la fuerza esporádica y variable del resorte, el deslizamiento irregular de la pinza sobre la tuerca y la presión fluctuante a medida que se desgasta el material de la tuerca. En cambio, una tuerca alternativa diseñada para proporcionar una fuerza constante incluye un diseño simplificado de dos piezas que aplica presión a las lengüetas de la tuerca de forma radial, que es la dirección necesaria para controlar la holgura o juego entre la tuerca y el tornillo.

Consideremos el diseño convencional de resorte helicoidal y casquillo para una tuerca de husillo antirretroceso. En este caso, un resorte helicoidal de fuerza variable genera una fuerza axial que se convierte en fuerza radial mediante interferencia mecánica. El diseño se basa en componentes moldeados por inyección para aplicar la fuerza de manera uniforme a los dedos. Las pruebas de referencia confirman que la precarga cambia drásticamente en los primeros 1000 ciclos.

En cambio, ciertas tuercas de husillo de bolas antirretroceso de fuerza constante ofrecen un rendimiento de dos a cuatro veces superior al de los diseños convencionales, según lo validado por las pruebas de la FDA realizadas por un cliente de automatización de laboratorio. Un diseño de resorte de fuerza constante garantiza una precarga uniforme durante toda la vida útil del eje. El material de la tuerca es autolubricante e incorpora PTFE para una mayor lubricidad y eficiencia.

Una de las mayores ventajas de las tuercas de husillo antirretroceso de fuerza constante es su capacidad de ajuste a la aplicación mediante la modificación del resorte y otros parámetros. Este ajuste permite optimizar la precarga, el juego, la fuerza de arrastre y la holgura de funcionamiento para cumplir con las especificaciones requeridas. Cada combinación de husillo y tuerca, así como cada conjunto completo de motor y husillo, se puede probar para cada una de estas características de rendimiento durante la validación y la inspección final.

Tercer enlace: Conexión acoplada o directa a la unidad

El siguiente paso es cómo se fija el tornillo al motor. Existen tres maneras básicas de lograrlo.

El primer método, el más tradicional, consiste en introducir un acoplamiento en el conjunto como componente entre el tornillo y un motor con un eje extensible. Este diseño requiere más espacio para el acoplamiento y su alojamiento, y puede generar problemas de alineación. Debido al mayor número de componentes, resulta más difícil mantenerlos centrados. Si uno o más componentes están deformados o fuera de línea, se puede producir un efecto de leva que afecta considerablemente al rendimiento y la vida útil del sistema.

El segundo método consiste en insertar el tornillo en un orificio cónico para fijarlo mecánicamente (desde la parte posterior) con un perno. Este tipo de montaje es común en motores que requieren mantenimiento frecuente y un método rápido de desmontaje y montaje. El inconveniente es que la alineación es difícil de mantener y puede generar un efecto de cono de nieve que amplifica las imprecisiones a lo largo del tornillo. Además, esta oscilación en forma de cono de nieve crea puntos de desgaste que pueden provocar la necesidad de mantenimiento y fallos prematuros del sistema.

El tercer método consiste en el ajuste directo del tornillo a un eje hueco dentro del motor y su fijación mediante soldadura láser en la parte posterior del motor. Este método garantiza un ajuste óptimo del tornillo al motor, lo que resulta en la máxima precisión de alineación posible. En algunos casos, la soldadura puede sustituirse por un adhesivo industrial que crea una unión permanente entre el tornillo y el motor. Este método de ensamblaje también proporciona la máxima precisión al minimizar la desviación del tornillo, lo que prolonga su vida útil y reduce al mínimo la necesidad de mantenimiento.

La optimización de la alineación del husillo, la tuerca y el acoplamiento prolonga la vida útil de todo el sistema. Como referencia para la comparación con otros elementos del sistema, se realizaron pruebas en diversas orientaciones con diferentes longitudes de avance y con un rango de cargas y velocidades. Los resultados mostraron una vida útil que supera en 40 veces la vida útil estándar del rodamiento L10.

En otras palabras, los sistemas tradicionales de motor y husillo incluyen múltiples componentes que requieren ensamblaje y son difíciles de alinear. Introducen holguras y acumulación de tolerancias que degradan la precisión y aumentan la posibilidad de fallos. Un elevado número de componentes también implica un mayor coste total de ensamblaje. Sin embargo, los sistemas de actuadores lineales híbridos integrados incluyen un husillo alineado y fijado directamente al motor, lo que reduce el número de componentes. Esto se traduce en mayor rigidez, precisión y fiabilidad, así como en un mayor valor de diseño general.

Cuarto enlace: Selección del tipo y diseño del motor

Los actuadores lineales ofrecen diversas opciones de motorización, siendo las más comunes el motor paso a paso de lazo abierto, la versión de lazo cerrado (con control integrado en placa o motor paso a paso inteligente encapsulado industrialmente) y el motor CC sin escobillas (BLDC). Cada uno presenta características de rendimiento, velocidades y capacidades de carga específicas, así como ventajas e inconvenientes en cuanto a coste, integración, control y otros aspectos que analizaremos más adelante.

Para comprender el mayor impacto en el rendimiento del movimiento lineal de un motor, es necesario analizar su diseño interno. Los motores de uso general suelen emplear arandelas onduladas para sujetar los cojinetes y el conjunto. Esto suele ser suficiente para aplicaciones rotativas y, a menudo, también se puede aplicar a las lineales. Sin embargo, las arandelas onduladas proporcionan cierta flexibilidad al motor, lo que puede generar pequeñas holguras axiales o lineales que se traducen en imprecisiones en la posición lineal.

Para paliar este problema, se puede modificar uno o ambos elementos del diseño. Se pueden insertar cojinetes de mayor tamaño para aumentar la capacidad de carga axial del conjunto, y se puede añadir una tuerca de apriete y ajustarla a un par de apriete predeterminado para eliminar la holgura del sistema.

Quinto enlace: Elección de opciones de control

El último eslabón que integra todos los elementos es cómo se dirige y controla el movimiento lineal físico. Tradicionalmente, esto requeriría varios componentes separados, incluyendo un amplificador y un controlador. Cada uno necesitaría una carcasa y el hardware, el cableado, el codificador y los sensores de retroalimentación correspondientes. Estas configuraciones pueden resultar complejas y engorrosas de instalar, solucionar y operar.

La aparición de soluciones de motores inteligentes listas para usar ha simplificado el cableado y reducido el número de conectores y sensores necesarios para lograr el rendimiento y control de un servomotor paso a paso. Esto supone un ahorro de costes gracias a un menor número de componentes, así como a una menor inversión de tiempo y mano de obra en la instalación. Estos motores también se presentan en paquetes industriales premontados que sellan y protegen la placa y el control contra daños o contaminación, con clasificaciones IP65 o IP67.

Cuando una aplicación requiere funciones personalizadas específicas, tiene limitaciones de espacio y tamaño, o el bajo costo es un factor crítico, un controlador de placa de motor IP20 sin encapsular resulta una opción útil. Esto es especialmente cierto para aplicaciones de gran volumen alojadas en carcasas o equipos con diseño estilizado. Estos actuadores ofrecen las ventajas de los motores inteligentes (generalmente con un ahorro de costos considerable) y el control se realiza directamente en el motor para una comunicación más fácil y rápida con el controlador maestro o PLC.