Revise cinco eslabones de la cadena de elementos de diseño tan críticos para la operación de precisión.

Un sistema de movimiento lineal es tan robusto como lo son los eslabones más vulnerables de su cadena de elementos mecánicos y electromecánicos. Comprender cada componente y característica (y su impacto en el resultado del diseño) mejora las decisiones y la probabilidad de que el diseño final satisfaga plenamente las exigencias de la aplicación. Al fin y al cabo, el juego, la precisión y otros aspectos del rendimiento del sistema se deben a elementos del diseño y la fabricación del husillo, la tuerca antijuego, los acoplamientos, el motor y la estrategia de control.

Trabajar con proveedores de movimiento lineal con experiencia en todos los aspectos del diseño es la mejor manera de obtener el máximo rendimiento. En definitiva, los sistemas de control de movimiento optimizados son como un deportivo de alto rendimiento con todos sus elementos bien equilibrados… para lo cual, el motor del tamaño adecuado + la transmisión adecuada + los neumáticos adecuados + excelentes funciones de control (como frenos antibloqueo y control de tracción) = un rendimiento excepcional.

Consideremos algunos ejemplos de diseños que requieren un rendimiento superior. En algunos tipos de impresión 3D, las resoluciones de capa se reducen a tan solo 10 µm por capa. En dispositivos médicos, las unidades dispensadoras deben dispensar medicamentos esenciales y controlar dosis con precisión de microlitros. Este mismo tipo de precisión se observa en equipos ópticos y de escaneo, equipos de procesamiento de chips y obleas en la industria de semiconductores y en el ámbito de la automatización de laboratorios.

Solo los diseños de movimiento lineal, diseñados con un enfoque holístico en la selección e integración de componentes, pueden satisfacer estos requisitos de rendimiento cada vez más exigentes. A menudo, la solución más adecuada para estas construcciones es un husillo y una tuerca accionados por motor con una arquitectura de control adecuada. Por lo tanto, analicemos 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 han existido durante décadas en diversas formas, con una amplia gama de diseños y materiales de tuerca. 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 operador. La mayoría de los fabricantes actuales aún utilizan este tipo de equipo, pero los procesos automatizados modernos están elevando la calidad de los husillos a un nivel superior.

Por ejemplo, estas operaciones utilizan una alimentación controlada por CNC, ajuste de inclinación y controles de presión para el proceso de roscado por laminación, lo que permite obtener roscas de husillo con la forma más uniforme. 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 rastrean la forma de las roscas de los husillos muestran resultados con precisiones de paso punto a punto hasta tres veces superiores a las de los métodos manuales tradicionales. Esto mantiene consistentemente precisiones de paso de hasta 0,003 pulg./pie a lo largo del tornillo.

Para aplicaciones de transporte que mueven un objeto punto a punto a lo largo de un eje, el método tradicional de verificar la precisión del paso cada 300 mm (seis pulgadas) es adecuado. Sin embargo, para aplicaciones de máxima precisión, la precisión de cada rosca del eje es relevante. La desviación de la geometría de la rosca se conoce como embriaguez de la rosca.

Los nuevos equipos, procesos y métodos de inspección detallados de fabricación CNC automatizada ofrecen un control y una calidad más rigurosos, de modo que los puntos alto y bajo de cada rosca muestran una precisión de subrotación considerablemente mejorada; en otras palabras, una menor embriaguez. Esto, a su vez, ayuda a los husillos a mantener 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 laminado de roscas, los proveedores de tornillos avanzados enderezan los ejes de los tornillos con un sistema automatizado para minimizar los errores y el descentramiento que pueden causar vibración, ruido y desgaste prematuro. La rectitud del eje del tornillo es fundamental, ya que cualquier error se acentúa al ensamblarlo con el motor. Por el contrario, los métodos tradicionales (manuales) de enderezado de tornillos pueden producir un efecto de cono de nieve en la geometría del eje del tornillo, en forma de uno o varios arcos que se arquean alrededor del eje longitudinal. Además, el enderezado y la inspección automatizados eliminan estos errores, lo que resulta 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 buen rendimiento del sistema. La aplicación irregular de PTFE (debido a un entorno o equipo de recubrimiento deficiente) puede provocar picaduras, fisuras, burbujas, descamación o rugosidad superficial que provocan un desgaste prematuro de la tuerca y acortan la vida útil del conjunto.

Enlace dos: Interacción de la tuerca y el tornillo

Las tuercas antijuego 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 los dedos y controlar el ajuste entre el tornillo y la tuerca.

Los problemas que contribuyen a las fallas en estos diseños son la fuerza esporádica y variable del resorte, el deslizamiento de la pinza sobre la tuerca y la presión fluctuante a medida que se desgasta el material de la tuerca. Por el contrario, 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 en dirección radial, la dirección necesaria para controlar la holgura entre la tuerca y el tornillo.

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

En contraste, ciertas tuercas de husillo con antijuego 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 constante durante la vida útil del eje. El material de la tuerca es autolubricante con PTFE para una mayor lubricidad y eficiencia.

Una de las mayores ventajas de las tuercas de husillo con antijuego y fuerza constante es su capacidad de ajustarse a cada aplicación mediante ajustes 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 de motor y husillo en marcha completa, puede probarse para cada una de estas características de rendimiento durante la validación y la inspección final.

Enlace tres: Conexión acoplada o directa a la unidad

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

El primero es el método más tradicional, en el que se introduce un acoplador en el conjunto como componente entre el tornillo y un motor con eje de espárrago extensible. Este diseño requiere más espacio para la longitud del acoplador y cualquier alojamiento de fijación asociado, y también puede generar problemas de alineación. Debido al mayor número de componentes, es más difícil mantener todo alineado. Si uno o más componentes están desalineados o desalineados, se puede producir un efecto de leva que afecta considerablemente el rendimiento y la vida útil del sistema.

El segundo método inserta el tornillo en un orificio cónico para fijarlo mecánicamente (desde atrás) con un perno. Este tipo de montaje es común en motores que requieren mantenimiento frecuente y ofrece un método rápido de desmontaje y montaje. La desventaja 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 el tornillo crea puntos de desgaste que pueden requerir mantenimiento y provocar fallos prematuros del sistema.

El tercer método consiste en fijar el tornillo directamente a un eje hueco del motor mediante una soldadura láser en la parte trasera del motor. Este método garantiza el máximo encaje del tornillo con el motor, lo que resulta en una alineación de la máxima precisión. 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 montaje también proporciona la máxima precisión al minimizar el descentramiento del tornillo, lo que prolonga su vida útil y minimiza 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 distintos pasos y con un rango de cargas y velocidades. Los resultados demostraron que la vida útil del recorrido supera en 40 veces la vida útil estándar del rodamiento L10.

En otras palabras, las configuraciones tradicionales de motor y husillo incluyen múltiples componentes que requieren ensamblaje y son difíciles de alinear. Introducen holgura y acumulación de tolerancias que reducen la precisión y aumentan el riesgo de fallos. Un elevado número de componentes también incrementa el coste total de ensamblaje. Sin embargo, las configuraciones de actuadores lineales híbridos integrados incluyen un husillo alineado y fijado directamente al motor, lo que reduce el número de componentes. Esto proporciona mayor rigidez, precisión y fiabilidad, además de 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 un motor paso a paso de lazo abierto, una versión de lazo cerrado con control montado en placa o un motor paso a paso inteligente con carcasa industrial, y, por último, un motor de CC sin escobillas (BLDC). Cada uno tiene su propia propuesta de rendimiento en cuanto a velocidad y capacidad de carga, y también presenta sus propias ventajas y desventajas en cuanto a costo, integración, control y otros aspectos que abordaremos más adelante.

El mayor impacto en el rendimiento del movimiento lineal de un motor requiere una revisión exhaustiva de su diseño interno. Los motores de uso general típicos utilizan una arandela ondulada para sujetar los rodamientos y el conjunto en su lugar. Esto suele ser adecuado para aplicaciones rotativas y, a menudo, también puede aplicarse a aplicaciones lineales. Sin embargo, las arandelas onduladas proporcionan cierta flexibilidad dentro del motor que puede generar pequeñas holguras axiales o lineales que se traducen en imprecisiones en la posición lineal.

Para solucionar esto, se pueden modificar uno o ambos elementos del diseño. Se pueden insertar cojinetes más grandes para aumentar la capacidad de carga de empuje del conjunto, y se puede añadir una tuerca de ajuste a un par de apriete predeterminado para eliminar la holgura del sistema.

Enlace cinco: Elección de opciones de control

El eslabón final que une todos los elementos es cómo se dirigirá y controlará el movimiento lineal físico. Tradicionalmente, esto requeriría varias piezas independientes, incluyendo un amplificador y un controlador. Cada una requeriría un gabinete y el hardware, el cableado, el codificador y los sensores de retroalimentación asociados. Estas configuraciones pueden volverse complejas y engorrosas de instalar, solucionar y operar.

La aparición de soluciones de motores inteligentes disponibles comercialmente ha simplificado el cableado y reducido la cantidad de conectores y sensores necesarios para obtener el rendimiento y el control de los servomotores paso a paso. Esto permite ahorrar costos gracias a una menor cantidad de componentes, así como a la reducción del tiempo y la mano de obra necesarios para la instalación. Estos motores también se suministran en paquetes industrializados preensamblados que sellan y protegen la placa y el control contra el maltrato o la contaminación, con clasificaciones IP65 o IP67.

Cuando una aplicación requiere características personalizadas específicas, minimiza el espacio y el tamaño, o el bajo costo es un factor clave, un control de placa de motor IP20 personalizado sin encapsular es una opción útil. Esto es especialmente cierto para aplicaciones de gran volumen ubicadas en carcasas o equipos estilizados. Estos actuadores ofrecen las ventajas de los motores inteligentes (generalmente con un ahorro sustancial de costos) y el control se realiza directamente en el motor para una comunicación más fácil y rápida con el controlador maestro o el PLC.