Un motor lineal puede considerarse como un servomotor rotativo desplegado y colocado horizontalmente para producir un movimiento fundamentalmente lineal. Un actuador lineal tradicional es un elemento mecánico que convierte el movimiento de giro de un servomotor rotativo en movimiento rectilíneo. Ambos ofrecen movimiento lineal, pero con características de rendimiento y ventajas/desventajas muy diferentes. No existe una tecnología superior o inferior; la elección de cuál usar depende de la aplicación. Analicemos esto con más detalle.
Por lo general, los motores lineales destacan en aplicaciones que requieren alta aceleración, alta velocidad o alta precisión. En metrología de semiconductores, por ejemplo, donde la resolución y el rendimiento son cruciales e incluso una hora de inactividad puede costar decenas de miles de dólares, los motores lineales ofrecen la solución ideal. Pero, ¿qué ocurre en situaciones menos exigentes?
Uno de los primeros problemas de los motores lineales fue su competitividad en costes. Estos motores requieren imanes de tierras raras, que constituyen uno de los factores limitantes de la longitud de carrera. Si bien, en teoría, los imanes pueden alinearse prácticamente sin límite, en la práctica, además del reto de garantizar una rigidez suficiente en una carrera larga, los costes se disparan, sobre todo en los diseños con canal en U.
Los motores con núcleo de hierro pueden generar la misma fuerza con imanes más pequeños que los diseños equivalentes sin núcleo de hierro. Por lo tanto, si la fuerza es el requisito principal y las especificaciones de rendimiento son lo suficientemente flexibles como para tolerar cierta perturbación en la fuerza de retención que provoque errores dinámicos de posición o velocidad, un motor con núcleo de hierro podría ser la mejor opción. Si los requisitos de rendimiento son aún menos estrictos, del orden de micras en lugar de nanómetros, quizás la combinación con actuador lineal ofrezca la solución más adecuada: por ejemplo, se puede elegir un actuador lineal para el envasado de fármacos, pero un motor lineal para la secuenciación de ADN en el descubrimiento de fármacos.
Duración del viaje
Aunque existen numerosas excepciones, la longitud de carrera óptima para los motores lineales oscila entre un par de milímetros y varios metros. Para longitudes menores, una alternativa como un mecanismo flexible podría ser más eficaz; para longitudes mayores, las transmisiones por correa y, posteriormente, los sistemas de cremallera y piñón son probablemente mejores opciones.
La longitud de carrera de los motores lineales está limitada no solo por el costo y la estabilidad de montaje, sino también por la gestión del cableado. Para generar movimiento, el actuador debe energizarse, lo que implica que los cables de alimentación deben recorrer toda su longitud. Los cables de alta flexibilidad y sus correspondientes guías son costosos, y el hecho de que el cableado sea el principal punto de fallo en el control de movimiento en general complica aún más la situación.
Por supuesto, la propia naturaleza de los motores lineales puede ofrecer una solución ingeniosa a ese problema. En esos casos, montaremos el actuador en la base fija y moveremos la pista magnética. De esta forma, todos los cables se conectan al actuador fijo. Se obtiene una aceleración ligeramente menor de un motor determinado porque no se acelera una bobina, sino una pista magnética, que es más pesada. Si se utilizara para fuerzas G elevadas, esto no sería recomendable. Sin embargo, si no se trata de una aplicación con altas fuerzas G, este diseño podría ser muy bueno.
Profeta menciona los servomotores lineales Aerotech con fuerzas máximas que oscilan entre 28 y 900 libras, pero, una vez más, el diseño fundamental de los motores lineales se presta a soluciones únicas que ofrecen mucho más. Tenemos clientes que toman nuestros motores lineales más grandes, los combinan en seis y generan casi 6000 libras de fuerza. Se pueden colocar varios actuadores en diferentes rieles, fijarlos mecánicamente y luego conmutarlos para que actúen como un solo motor; o se pueden colocar varios actuadores en el mismo riel magnético y montarlos en el carro que sostiene la carga, tratándolos como un solo motor.
Dado que vivimos en el mundo real y es imposible que la conmutación coincida exactamente, este enfoque conlleva una penalización en la eficiencia de unos pocos puntos porcentuales, pero aun así puede ofrecer la mejor solución integral para una aplicación determinada.
Cara a cara
Desde el punto de vista de la fuerza, ¿cómo se comparan los motores lineales con las combinaciones de motor rotativo y actuador lineal? Existe una importante diferencia de fuerza. Comparamos un motor lineal sin ranuras de ocho polos y 4 pulgadas de ancho con un producto accionado por tornillo de la misma longitud. Nuestro motor lineal de ocho polos tiene una fuerza máxima de 40 lb (180 N) y una fuerza continua de 11 lb (50 N). En este mismo perfil, con un servomotor NEMA 23 y nuestro producto accionado por tornillo, la carga axial máxima es de 200 lb, por lo que, visto de esta manera, se produce una reducción de aproximadamente 20 veces en la fuerza continua.
Los resultados reales variarán según el paso del tornillo, el diámetro del tornillo, las bobinas del motor y el diseño del motor, aclara rápidamente, y están limitados por los cojinetes axiales que soportan el tornillo. El motor lineal de núcleo de hierro de 13 pulgadas de ancho de la compañía puede generar 1600 libras de fuerza axial máxima en comparación con las 440 libras que proporciona un producto accionado por tornillo de 6 pulgadas de ancho, por ejemplo, pero el espacio que ocupa es considerable.
Parafraseando un eslogan político, lo importante es la aplicación, estúpido. Si la densidad de fuerza es la principal preocupación, entonces un actuador es probablemente la mejor opción. Si la aplicación requiere capacidad de respuesta, por ejemplo, en una aplicación de alta precisión y alta aceleración como la inspección de pantallas LCD, vale la pena sacrificar espacio por fuerza para obtener el rendimiento necesario.
Manteniéndolo limpio
La contaminación es un problema importante para el control de movimiento en entornos de fabricación, y los motores lineales no son una excepción. Un gran inconveniente del diseño estándar de motores lineales es la exposición a la contaminación, como partículas sólidas o humedad. Esto es cierto para los diseños de plataforma plana y menos problemático para los diseños de canal en U.
Es muy difícil sellar completamente la solución. No conviene trabajar en un ambiente con mucha humedad. Si se va a utilizar un motor lineal en una aplicación de corte por chorro de agua, es necesario aplicarle presión positiva y asegurarse de que esté bien protegido, ya que la electrónica del motor lineal se encuentra junto al mecanismo de accionamiento.
En el caso de los diseños de canal en U, invertir la U puede minimizar la posibilidad de que entren partículas en el canal, pero esto genera problemas de gestión térmica que pueden comprometer el rendimiento debido al desplazamiento de la masa del riel magnético en comparación con la masa del actuador. Nuevamente, se trata de una compensación y, una vez más, la aplicación determina su uso.
No solo el entorno puede afectar al motor lineal, sino que este también puede generar problemas en el entorno. A diferencia de los motores rotativos, los grandes imanes de las unidades lineales pueden causar estragos en entornos sensibles al magnetismo, como por ejemplo en las máquinas de resonancia magnética (RM). Incluso puede ser un problema en aplicaciones más comunes, como el corte de metales. Estos imanes de alta fuerza intentan atraer cada viruta metálica hacia la pista magnética, por lo que los motores lineales no funcionarán correctamente en este tipo de aplicaciones sin la protección adecuada.
Acerca de esas aplicaciones…
¿Dónde reside el punto óptimo de aplicación para los motores lineales? Para empezar, en metrología, en áreas como la fabricación de semiconductores, LED y LCD. La impresión digital de grandes letreros también es un mercado en crecimiento, al igual que el sector biomédico, e incluso en la fabricación de piezas pequeñas. Nuestros clientes utilizan pares de motores lineales en configuraciones de pórtico para tareas de ensamblaje. Se busca maximizar la productividad, por lo que la alta aceleración y velocidad que ofrecen estos motores resultan ventajosas. Últimamente, nos hemos dedicado a la fabricación de pilas de combustible y al corte con plantillas.
Eso responde a la pregunta de dónde, pero ¿qué hay de la pregunta de cuánto? La tecnología de motores lineales lleva décadas en desarrollo, así que ¿en qué punto se encuentra en términos de aceptación en el mercado? No nos topamos con ellos con frecuencia debido a su coste, pero en ciertas aplicaciones resultan muy útiles.
Lo atribuimos al ciclo de vida del consumidor. Están los innovadores, los primeros en adoptar la tecnología, la mayoría temprana, la mayoría tardía y los rezagados. Nos encontramos en una etapa en la que el uso de motores lineales se está volviendo más común. Estamos entrando en la etapa de la mayoría temprana.
El precio de los motores lineales está bajando a medida que optimizamos el proceso de fabricación y aumentan los volúmenes, por lo que los vemos en cada vez más aplicaciones. [Aerotech] también fabrica plataformas con husillos de bolas. Diría que en este momento vendemos tantas plataformas con motor lineal, o incluso más, que plataformas con husillo de bolas. Las estamos incorporando a un número cada vez mayor de aplicaciones. Hace diez años, la mayoría de las aplicaciones eran de tipo laboratorio, en entornos limpios. Ahora las estamos utilizando en operaciones mucho más industriales. Uno de los segmentos que atiendo es el automotriz, y hemos estado incorporando motores lineales en muchas más aplicaciones para automóviles.
Dependiendo de la configuración, puedes conseguir una solución con motor lineal por menos de lo que costaría una transmisión por correa. Tienes la ventaja de un motor lineal con accionamiento directo, un tiempo de respuesta rápido y sin la rigidez de la correa, todo por un precio muy similar. La desventaja es que no cuentas con la ventaja mecánica de la correa y la polea/caja de engranajes para obtener esa fuerza adicional.
Ventajas e inconvenientes: eso lo resume todo. Analice detenidamente su aplicación, comprenda sus requisitos y determine dónde reside su flexibilidad. Una vez que sepa cómo sopesar las ventajas y desventajas, podrá tomar una decisión informada sobre si un motor lineal o algún tipo de actuador lineal se ajusta mejor a sus necesidades.
Fecha de publicación: 12 de junio de 2023