Analicemos cinco eslabones de la cadena de elementos de diseño tan cruciales para un funcionamiento preciso.

La robustez de un sistema de movimiento lineal depende de la integridad de sus componentes mecánicos y electromecánicos. Comprender cada componente y característica (y su impacto en el resultado del diseño) facilita 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 remontan a elementos del diseño y la fabricación del husillo, la tuerca antibalanceo, los acoplamientos, el motor y la estrategia de control.

Trabajar con proveedores de sistemas de movimiento lineal que dominen todos los aspectos del diseño es la mejor manera de lograr 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: un motor del tamaño adecuado, una transmisión precisa, neumáticos óptimos y excelentes sistemas de control (como frenos antibloqueo y control de tracción) dan como resultado un rendimiento excepcional.

Consideremos algunos ejemplos de diseños que requieren un rendimiento óptimo. En algunos tipos de impresión 3D, la resolución de las capas se reduce hasta 10 µm por capa. En dispositivos médicos, las unidades de dispensación deben administrar medicamentos vitales y controlar las dosis con precisión de microlitros. El mismo nivel de precisión se observa en equipos ópticos y de escaneo, 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 estos requisitos de rendimiento cada vez mayores. A menudo, la solución más adecuada para estos sistemas es un husillo y una tuerca motorizados con la 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 avance 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 fabricarlos se ajustaban manualmente, lo que limitaba la calidad a la capacidad de la máquina y la habilidad del operario. La mayoría de los fabricantes aún utilizan este tipo de equipo, pero los procesos automatizados modernos están llevando la calidad de los husillos de avance 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, lo que permite obtener roscas de husillo de avance de máxima uniformidad. El acabado superficial de estos husillos es uniformemente 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 registran la forma y el contorno de las roscas de los husillos ofrecen precisiones de avance punto a punto hasta tres veces superiores a las de los métodos manuales tradicionales. Esto permite mantener consistentemente precisiones de avance de tan solo 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 comprobar la precisión del avance cada 300 mm o 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 de rosca adecuada se conoce como desviación de la rosca.

Los nuevos equipos, procesos e inspecciones detalladas de fabricación CNC automatizada permiten un control y una calidad más rigurosos, de modo que los puntos máximo y mínimo dentro de cada rosca muestran una precisión de subrotación notablemente mejorada; en otras palabras, menor desviación. Esto, a su vez, ayuda a que los husillos mantengan una repetibilidad de posicionamiento de 1 µm en una sola rotación. Esta es una métrica de rendimiento especialmente crítica 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 roscado, los proveedores de tornillos de última generación enderezan los ejes mediante un proceso automatizado para minimizar los errores y la excentricidad que pueden provocar vibraciones, ruido y desgaste prematuro. La rectitud del eje es fundamental, ya que cualquier error se acentúa al ensamblarlo con el motor. En cambio, los métodos tradicionales (manuales) de enderezamiento de tornillos pueden producir un efecto de cono de nieve en la geometría del eje, en forma de uno o varios arcos que se curvan alrededor del eje longitudinal. El enderezamiento y la inspección automatizados eliminan estos errores, lo que resulta en un rendimiento estable del tornillo.

El último paso en la fabricación 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 irregular del PTFE (debido a un entorno o equipo de recubrimiento inadecuado) puede provocar picaduras, fisuras, burbujas, descamación o rugosidad superficial, lo que causa un desgaste prematuro de la tuerca y reduce la vida útil del conjunto.

Enlace dos: Interacción de la tuerca y el tornillo

Las tuercas antibalanceo tradicionales utilizan un diseño de varias piezas que requiere un resorte helicoidal para mover una pinza linealmente a lo largo de la tuerca, cerrando así los dedos y controlando el ajuste entre el tornillo y la tuerca.

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

Consideremos el diseño convencional de resorte helicoidal y pinza para una tuerca de husillo antibalanceo. 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 varía drásticamente en los primeros 1000 ciclos.

En contraste, ciertas tuercas de husillo de avance antibalanceo 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 laboratorios. 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, con PTFE para una mayor lubricación y eficiencia.

Una de las mayores ventajas de las tuercas de husillo de avance antibalanceo de fuerza constante es su capacidad de ajuste a la aplicación mediante modificaciones en el resorte y otros parámetros. Este ajuste permite optimizar la precarga, el balanceo, 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, puede someterse a pruebas para cada una de estas características de rendimiento durante la validación y la inspección final.

Enlace tres: Conexión acoplada o directa al accionamiento

El siguiente eslabón de la cadena es cómo se fija el tornillo al motor. Hay tres formas básicas de lograrlo.

El primer método, el más tradicional, consiste en incorporar un acoplador al conjunto, que actúa como elemento intermedio entre el tornillo y un motor con eje de espárrago extensible. Este diseño requiere más espacio para el acoplador y su carcasa de fijación, y puede generar problemas de alineación. Debido al mayor número de componentes, resulta más difícil mantenerlos centrados. Si uno o más componentes presentan deformaciones o falta de alineación, puede producirse 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 facilita el desmontaje y montaje. La desventaja es que resulta difícil mantener la alineación, lo que puede provocar un efecto de oscilación que amplifica las imprecisiones a lo largo del tornillo. Además, esta oscilación crea puntos de desgaste que pueden requerir mantenimiento y provocar fallos prematuros del sistema.

El tercer método consiste en el ajuste directo del tornillo a un eje hueco dentro del motor, fijándolo mediante soldadura láser en la parte posterior del mismo. Este método garantiza el máximo acoplamiento del tornillo con el motor, lo que resulta en la alineación de mayor precisión 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 excentricidad 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 husillo 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 reducen la precisión y aumentan la probabilidad de fallos. Un mayor número de componentes también incrementa el coste total de ensamblaje. Sin embargo, los sistemas integrados de actuadores lineales híbridos 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.

Enlace cuatro: Selección del tipo y diseño del motor.

Los actuadores lineales ofrecen diversas opciones de motor, 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 con encapsulado industrial, y el motor de CC sin escobillas (BLDC). Cada uno presenta un rendimiento, velocidades y capacidades de carga diferentes, así como ventajas e inconvenientes en cuanto a coste, integración, control y otros aspectos que analizaremos más adelante.

El factor que más influye en el rendimiento del movimiento lineal de un motor es su diseño interno. Los motores típicos de uso general utilizan arandelas onduladas para sujetar los cojinetes y el conjunto. Esto suele ser suficiente para aplicaciones rotativas y, a menudo, también se puede aplicar a movimientos lineales. Sin embargo, las arandelas onduladas proporcionan cierta flexibilidad dentro del motor que puede generar pequeñas holguras axiales o lineales, las cuales se traducen en imprecisiones en la posición lineal.

Para mitigar este problema, se puede modificar uno o ambos elementos del diseño. Se pueden insertar cojinetes más grandes 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.

Enlace cinco: Elección de opciones de control

El último eslabón que une todos los elementos es cómo se dirige y controla el movimiento lineal físico. Tradicionalmente, esto requeriría varias piezas separadas, incluyendo un amplificador y un controlador. Cada una 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 problemas y operar.

La aparición de soluciones de motores inteligentes listas para usar ha simplificado el cableado y reducido la cantidad de conectores y sensores necesarios para lograr un rendimiento y control similares a los de un servomotor paso a paso. Esto genera ahorros 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 vienen en paquetes industrializados preensamblados que sellan y protegen la placa y el control contra daños o contaminación, con clasificaciones IP65 o IP67.

Cuando una aplicación requiere características personalizadas específicas, se prioriza el espacio y el tamaño, o el bajo costo es un factor crítico, una placa de control personalizada sin encapsular IP20 montada en el motor resulta una opción útil. Esto es especialmente cierto para aplicaciones de gran volumen ubicadas en carcasas o equipos con un diseño particular. Dichos 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.