Los motores lineales se están extendiendo rápidamente. Proporcionan a las máquinas la máxima precisión y un rendimiento dinámico excepcional.

Los motores lineales son muy rápidos y precisos para el posicionamiento, pero también permiten una velocidad de desplazamiento lenta y constante para cabezales y guías de máquinas, así como para sistemas de manipulación de herramientas y piezas. Diversas aplicaciones —cirugía láser, inspección visual y manipulación de botellas y equipaje— utilizan motores lineales debido a su extrema fiabilidad, su escaso mantenimiento y su capacidad para optimizar los ciclos de producción.

Mayor velocidad y fuerza

Los motores lineales se acoplan directamente a su carga, lo que elimina numerosos componentes de acoplamiento: acoplamientos mecánicos, poleas, correas de distribución, husillos de bolas, transmisiones por cadena y cremalleras y piñones, entre otros. Esto, a su vez, reduce los costes e incluso la holgura. Los motores lineales también permiten un movimiento constante, un posicionamiento preciso durante cientos de millones de ciclos y velocidades más elevadas.

Las velocidades típicas que se pueden alcanzar con motores lineales varían: las máquinas de recogida y colocación (que realizan muchos movimientos cortos) y los equipos de inspección los utilizan.motores paso a paso linealescon velocidades de hasta 60 pulgadas/seg; las aplicaciones de cizalla volante y las máquinas de recogida y colocación que realizan movimientos más largos utilizansin escobillas y sin engranajesMotores lineales para velocidades de hasta 200 pulgadas/seg; las montañas rusas, los lanzadores de vehículos y los sistemas de transporte de personas utilizan motores lineales.inducción de CAmotores para alcanzar velocidades de hasta 2000 pulgadas/seg.

Otro factor que determina qué tecnología de motor lineal es la mejor: la fuerza necesaria para mover la carga de la aplicación. La carga o masa, junto con el perfil de aceleración de la aplicación, determinan en última instancia esta fuerza.

Cada aplicación presenta desafíos distintos; sin embargo, en general, los sistemas de transferencia de piezas utilizan motores paso a paso lineales con fuerzas de hasta 220 N o 50 lb; los sistemas de semiconductores, corte por láser, corte por chorro de agua y robótica utilizan motores sin escobillas y sin engranajes de hasta 2500 N; los sistemas de transporte utilizan motores de inducción de CA lineales de hasta 2200 N; y las líneas de transferencia y las máquinas herramienta utilizan motores sin escobillas con núcleo de hierro de hasta 14 000 N. Tenga en cuenta que cada aplicación es diferente y que los ingenieros de aplicaciones del fabricante suelen brindar asistencia en esta etapa de especificación.

Además de la velocidad y la fuerza, existen otros factores. Por ejemplo, los sistemas de transporte utilizan motores de inducción lineales de CA debido a su gran longitud de recorrido y a las ventajas de contar con un secundario pasivo sin imanes permanentes. Aplicaciones como la cirugía ocular láser y la fabricación de semiconductores emplean motores sin escobillas ni engranajes para lograr precisión y suavidad de desplazamiento.

Operación básica

Los motores lineales funcionan mediante la interacción de dos fuerzas electromagnéticas, la misma interacción básica que produce el par motor en un motor rotativo.

Imagina cortar un motor rotativo y aplanarlo: esto da una idea aproximada de la geometría de un motor lineal. En lugar de acoplar la carga a un eje giratorio para generar par, la carga se conecta a una superficie plana móvil para generar movimiento lineal y fuerza. En resumen, el par es la expresión del trabajo que proporciona un motor rotativo, mientras que la fuerza es la expresión del trabajo de un motor lineal.

Exactitud

Consideremos primero un sistema rotativo paso a paso tradicional: conectado a un husillo de bolas con un paso de 5 revoluciones por pulgada, su precisión es de aproximadamente 0,004 a 0,008 pulgadas, o de 0,1 a 0,2 mm. Un sistema rotativo accionado por un servomotor tiene una precisión de 0,001 a 0,0001 pulgadas.

En cambio, un motor lineal acoplado directamente a su carga ofrece una precisión que oscila entre 0,0007 y 0,000008 pulgadas. Nótese que en estas cifras no se incluyen el juego del acoplamiento ni el juego del husillo de bolas, factores que degradan aún más la precisión de los sistemas rotativos.

La precisión relativa varía: el motor paso a paso rotativo típico que describimos aquí aún puede posicionarse con una precisión del tamaño del diámetro de un cabello humano. Dicho esto, los servomotores mejoran esta precisión hasta 80 veces, mientras que un motor lineal puede mejorarla aún más, hasta 500 veces menos que el diámetro de un cabello humano.

A veces, el mantenimiento y el coste (durante la vida útil del equipo) son consideraciones más importantes que la precisión. Los motores lineales también destacan en este aspecto: los costes de mantenimiento generalmente disminuyen con su uso, ya que las piezas sin contacto mejoran el funcionamiento de la máquina y aumentan el tiempo medio entre fallos. Además, la ausencia de holgura en los motores lineales elimina los impactos, lo que prolonga aún más la vida útil de la máquina. Otras ventajas: se puede aumentar el tiempo entre los ciclos de mantenimiento, lo que permite una mayor fluidez operativa. Un menor mantenimiento y una menor necesidad de personal mejoran la rentabilidad y reducen el coste total de propiedad durante la vida útil del equipo.

Comparación de beneficios

Las aplicaciones requieren movimiento lineal. Si se utiliza un motor rotativo, es necesario un mecanismo de conversión mecánica para transformar el movimiento rotativo en lineal. En este caso, los diseñadores seleccionan el mecanismo de conversión más adecuado para la aplicación, minimizando las limitaciones.

• Motor lineal versus correa y polea:Para obtener movimiento lineal de un motor rotativo, un método común es utilizar una correa y una polea. Normalmente, la fuerza de empuje está limitada por la resistencia a la tracción de la correa; los arranques y paradas bruscas pueden provocar estiramiento de la correa y, por lo tanto, resonancia, lo que aumenta el tiempo de estabilización. La torsión mecánica, el juego y el estiramiento de la correa también reducen la repetibilidad, la precisión y el rendimiento de la máquina. Dado que la velocidad y la repetibilidad son fundamentales en el servomotor, esta no es la mejor opción. Mientras que un sistema de correa y polea puede alcanzar los 3 m/s, un motor lineal puede llegar a los 10 m/s. Sin juego ni torsión, los motores lineales de accionamiento directo mejoran aún más la repetibilidad y la precisión.
• Motor lineal versus cremallera y piñón:Los sistemas de cremallera y piñón ofrecen mayor empuje y rigidez mecánica que los de correa y polea. Sin embargo, el desgaste bidireccional con el tiempo genera imprecisiones y una repetibilidad cuestionable, sus principales inconvenientes. La holgura impide que la retroalimentación del motor detecte la posición real de la carga, lo que provoca inestabilidad y obliga a utilizar ganancias menores y un rendimiento general más lento. En cambio, las máquinas accionadas por motores lineales son más rápidas y ofrecen un posicionamiento más preciso.
• Motor lineal versus husillo de bolas:El método más común para convertir el movimiento rotatorio en lineal es utilizar un husillo de bolas o de bolas. Estos son económicos, pero menos eficientes: los husillos de bolas suelen tener una eficiencia del 50 % o menos, y los de bolas, de alrededor del 90 %. La alta fricción genera calor, y el desgaste a largo plazo reduce la precisión. La distancia de recorrido está limitada mecánicamente. Además, los límites de velocidad lineal solo pueden extenderse aumentando el paso, pero esto degrada la resolución posicional; una velocidad de rotación excesivamente alta también puede provocar oscilaciones en los husillos, lo que resulta en vibraciones. Los motores lineales ofrecen un recorrido largo e ilimitado. Con un codificador en la carga, la precisión a largo plazo suele ser de ±5 µm/300 mm.

Tipos básicos de motores lineales

Así como existen diferentes tecnologías para motores rotativos, también existen varios tipos de motores lineales: paso a paso, sin escobillas y de inducción lineal de CA, entre otros. Cabe destacar que la tecnología lineal utiliza variadores (amplificadores), posicionadores (controladores de movimiento) y dispositivos de retroalimentación (como sensores Hall y codificadores) comunes en la industria.

Muchos diseños se benefician de motores lineales personalizados, pero los diseños estándar suelen ser adecuados.

motores lineales sin escobillas con núcleo de hierroSe caracterizan por la laminación de acero en el rotor móvil para canalizar el flujo magnético. Este tipo de motor tiene mayor potencia y es más eficiente, pero pesa entre tres y cinco veces más que los motores sin engranajes de tamaño similar. La platina fija consta de imanes permanentes multipolares de polaridad alterna unidos a una placa de acero laminado en frío con níquel. Sin embargo, las laminaciones de acero del rotor móvil interactúan con los imanes de la platina fija, generando una fuerza de atracción y una ligera ondulación o fluctuación de velocidad cuando el motor se desplaza de un campo magnético a otro.

Estos motores desarrollan una gran cantidad de fuerza máxima, tienen una mayor masa térmica y una constante de tiempo térmica larga; por lo tanto, son adecuados para aplicaciones de alta fuerza y ​​ciclo de trabajo intermitente que mueven cargas muy pesadas, como en líneas de transferencia y máquinas herramienta; están diseñados para un recorrido ilimitado y pueden incluir múltiples platinas móviles con trayectorias superpuestas.

Motores sin escobillas y sin engranajesEl actuador móvil cuenta con un conjunto de bobina sin láminas de acero. La bobina está compuesta de alambre, epoxi y una estructura de soporte no magnética. Esta unidad es mucho más ligera. El diseño básico produce una fuerza menor, por lo que se insertan imanes adicionales en la pista fija (para aumentarla) y la pista tiene forma de U con imanes a cada lado. El actuador se inserta en el centro de la U.

Estos motores son ideales para aplicaciones que requieren un funcionamiento suave y sin oscilaciones magnéticas, como equipos de escaneo o inspección. Sus altas aceleraciones resultan útiles en la manipulación de semiconductores, la clasificación de chips y la dispensación de soldadura y adhesivo. Estos motores están diseñados para un recorrido ilimitado.

Pasos linealesEstos dispositivos llevan mucho tiempo en el mercado; el actuador móvil consta de núcleos de acero laminado con ranuras dentadas de precisión, un único imán permanente y bobinas insertadas en el núcleo laminado. (Cabe destacar que dos bobinas dan como resultado un motor paso a paso bifásico). Este conjunto está encapsulado en una carcasa de aluminio.

La platina fija consta de dientes grabados fotoquímicamente sobre una barra de acero, rectificada y niquelada. Se pueden apilar extremo con extremo para lograr una longitud ilimitada. El motor se suministra completo con actuador, cojinetes y platina. La fuerza de atracción del imán se utiliza como precarga para los cojinetes; además, permite que la unidad funcione en posición invertida para diversas aplicaciones.

Motores de inducción de CAConsta de un actuador formado por un conjunto de bobinas compuesto por láminas de acero y devanados de fase. Los devanados pueden ser monofásicos o trifásicos. Esto permite el control directo en línea o mediante un inversor o un variador de frecuencia. La placa fija (denominada placa de reacción) suele consistir en una fina capa de aluminio o cobre adherida a acero laminado en frío.

Una vez energizada, la bobina impulsora interactúa con la placa de reacción y se mueve. Las principales ventajas de este diseño son sus altas velocidades y recorridos ilimitados; se utiliza para la manipulación de materiales, el transporte de personas, cintas transportadoras y puertas correderas.

Nuevos conceptos de diseño

Algunas de las últimas mejoras de diseño se han implementado mediante reingeniería. Por ejemplo, algunos motores paso a paso lineales (originalmente diseñados para proporcionar movimiento en un plano) ahora se han rediseñado para proporcionar movimiento en dos planos, para el movimiento XY. En este caso, el actuador móvil consta de dos motores paso a paso lineales montados ortogonalmente a 90°, de modo que uno proporciona movimiento en el eje X y el otro en el eje Y. También es posible utilizar múltiples actuadores con trayectorias superpuestas.

En estos motores de dos planos, la plataforma estacionaria (o platina) emplea una nueva construcción compuesta que le confiere mayor resistencia. Su rigidez también se ha mejorado, reduciendo la deflexión entre un 60 % y un 80 % en comparación con los modelos de producción anteriores. La planitud de la platina supera los 14 micras por cada 300 mm, lo que garantiza un movimiento preciso. Por último, gracias a la fuerza de atracción inherente a los motores paso a paso, este diseño permite montar la platina tanto con la cara hacia arriba como invertida, lo que proporciona versatilidad y flexibilidad para diversas aplicaciones.

Otra innovación de ingeniería, la refrigeración por agua, aumenta la capacidad de fuerza de los motores de inducción lineales de CA en un 25 %. Gracias a este aumento de capacidad, así como a la ventaja de una longitud de recorrido ilimitada, los motores de inducción de CA ofrecen el máximo rendimiento para numerosas aplicaciones: atracciones, manejo de equipaje y sistemas de transporte de personas. La velocidad es variable (de 6 a 2000 pulg./seg) mediante variadores de velocidad disponibles actualmente en el mercado.

Otro tipo de motor incluye una carcasa cilíndrica fija con una parte móvil lineal que proporciona movimiento. La parte móvil puede ser una varilla de acero revestida de cobre, una bobina móvil o un imán móvil, como un pistón dentro de un cilindro.

Estos diseños ofrecen las ventajas de un motor lineal y un rendimiento similar al de un actuador lineal. Entre sus aplicaciones se incluyen colonoscopias biomédicas, cámaras con actuadores de obturador largo, telescopios que requieren amortiguación de vibraciones, motores de enfoque para litografía, interruptores para generadores que activan los disyuntores para ponerlos en marcha y prensado de alimentos, como en la elaboración de tortillas.

Los paquetes o etapas de motores lineales completos son idóneos para el posicionamiento de cargas útiles. Constan de motor, encoder de realimentación, interruptores de límite y portacables. Es posible apilar etapas para el movimiento multieje.

Una ventaja de las etapas lineales es su perfil más bajo, lo que les permite instalarse en espacios reducidos en comparación con los posicionadores convencionales. Un menor número de componentes aumenta la fiabilidad. En este caso, el motor está conectado a accionamientos convencionales. En una operación de lazo cerrado, el lazo de posición se cierra mediante un controlador de movimiento.

Además de los productos estándar, abundan los diseños personalizados y especializados. En definitiva, lo mejor es consultar con un ingeniero de aplicaciones para determinar el producto lineal óptimo que mejor se adapte a las necesidades de la aplicación.