Los motores lineales están proliferando. Proporcionan a las máquinas la máxima precisión y rendimiento dinámico.

Los motores lineales son muy rápidos y precisos para el posicionamiento, pero también son capaces de alcanzar una velocidad de recorrido lenta y constante para cabezales y correderas de máquinas, así como para sistemas de manipulación de piezas y herramientas. Una variedad de aplicaciones (cirugía láser, inspección visual y manejo de botellas y equipaje) utilizan motores lineales porque son extremadamente confiables, requieren poco mantenimiento y mejoran los ciclos de producción.

Mayor velocidad y fuerza.

Los motores lineales están acoplados directamente a su carga, lo que elimina una gran cantidad de componentes de acoplamiento: acoplamientos mecánicos, poleas, correas de distribución, husillos de bolas, transmisiones por cadena y piñones y cremallera, por nombrar algunos. Esto, a su vez, reduce los costes e incluso las reacciones negativas. Los motores lineales también permiten un movimiento constante, un posicionamiento preciso durante cientos de millones de ciclos y velocidades más altas.

Las velocidades típicas que se pueden alcanzar con motores lineales varían: Máquinas de recogida y colocación (que realizan muchos movimientos cortos) y uso de equipos de inspección.pasos linealescon velocidades de hasta 60 pulg./seg; aplicaciones de cizalla volante y máquinas de recogida y colocación que realizan movimientos más largos.sin escobillas y sin engranajesmotores lineales para velocidades de hasta 200 pulg./seg; montañas rusas, lanzadores de vehículos y transportadores de personas utilizaninducción de camotores para alcanzar velocidades de hasta 2.000 pulg./seg.

Otro factor que determina qué tecnología de motor lineal es mejor: la fuerza requerida 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 diferentes desafíos; sin embargo, en general, los sistemas de transferencia parcial utilizan motores paso a paso lineales con fuerzas de hasta 220 N o 50 lb; los semiconductores, el corte por láser, el corte por chorro de agua y la robótica utilizan motores sin escobillas y sin dientes de 2500 N; los sistemas transportadores utilizan motores de inducción lineales de CA de 2200 N; y las líneas de transferencia y las máquinas herramienta utilizan motores sin escobillas con núcleo de hierro de 14 000 N. Tenga en cuenta que cada aplicación es diferente y los ingenieros de aplicaciones del fabricante generalmente brindan asistencia en este paso de especificación.

Existen otros factores además de la velocidad y la fuerza. Por ejemplo, los sistemas transportadores utilizan motores de inducción lineales de CA debido a su largo recorrido y las ventajas de tener un secundario pasivo sin imanes permanentes. Aplicaciones como la cirugía ocular con láser y la fabricación de semiconductores utilizan engranajes sin escobillas para lograr precisión y suavidad en el desplazamiento.

Operación básica

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

Imagine cortar un motor rotativo y luego 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 torsión, la carga se conecta a un carro en movimiento plano para lograr movimiento y fuerza lineales. 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 paso a paso giratorio tradicional: conectado a un husillo de bolas con un paso de 5 revoluciones por pulgada, la precisión es de aproximadamente 0,004 a 0,008 pulgadas, o 0,1 a 0,2 mm. Un sistema giratorio accionado por un servomotor tiene una precisión de 0,001 a 0,0001 pulgadas.

Por el contrario, un motor lineal acoplado directamente a su carga proporciona una precisión que oscila entre 0,0007 y 0,000008 pulgadas. Tenga en cuenta que el acoplamiento y el juego del husillo de bolas no se incluyen en estas cifras, y estos degradan aún más la precisión de los sistemas rotativos.

La precisión relativa varía: el típico paso a paso giratorio que detallamos aquí aún puede posicionarse con precisión dentro del diámetro de un cabello humano. Dicho esto, los servos mejoran esto en un factor de hasta 80 veces, mientras que un motor lineal puede mejorarlo aún más, hasta 500 veces más pequeño que el diámetro del cabello humano.

A veces el mantenimiento y el costo (durante la vida útil del equipo) son consideraciones más importantes que la precisión. Los motores lineales también destacan aquí: los costos de mantenimiento generalmente disminuyen con el uso de motores lineales, ya que las piezas sin contacto mejoran el funcionamiento de la máquina y aumentan el tiempo medio entre fallas. Además, el juego cero de los motores lineales elimina los golpes, lo que prolonga aún más la vida útil de la máquina. Otros beneficios: se puede aumentar el tiempo entre ciclos de mantenimiento, lo que permite un mayor flujo operativo. Menos mantenimiento y personal involucrado mejoran el resultado final (beneficios) y reducen el costo de propiedad durante la vida útil del equipo.

Beneficios comparados

Las aplicaciones requieren movimiento lineal. Si se utiliza un motor giratorio, entonces es necesario un mecanismo de conversión mecánica para convertir el movimiento giratorio en lineal. Aquí, 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 rápidos pueden causar que la correa se estire y, por lo tanto, resonancia, lo que resulta en un mayor tiempo de asentamiento. El enrollado mecánico, el juego y el estiramiento de la correa también reducen la repetibilidad, la precisión y el rendimiento de la máquina. Debido a que la velocidad y la repetibilidad son el nombre del juego en el servo movimiento, esta no es la mejor opción. Mientras que un diseño de correa-polea puede alcanzar los 3 m/s, el lineal puede alcanzar los 10 m/s. Sin contragolpe ni cuerda, los motores lineales de accionamiento directo aumentan aún más la repetibilidad y la precisión.
• Motor lineal versus piñón y cremallera:Las cremalleras y los piñones proporcionan más empuje y rigidez mecánica que los diseños de correas y poleas. Sin embargo, el desgaste bidireccional con el tiempo conduce a repeticiones e imprecisiones cuestionables: los principales inconvenientes de este mecanismo. La reacción impide que la retroalimentación del motor detecte la posición real de la carga, lo que genera inestabilidad y provoca menores ganancias y un rendimiento general más lento. Por el contrario, las máquinas impulsadas por motores lineales son más rápidas y se posicionan con mayor precisión.
• Motor lineal versus husillo de bolas:El método más común para convertir el movimiento giratorio en lineal es utilizar un tornillo de avance o de bolas. Estos son económicos pero menos eficientes: los husillos de avance suelen ser del 50% o menos, y los husillos de bolas, alrededor del 90%. La alta fricción produce calor y el desgaste prolongado reduce la precisión. La distancia recorrida está limitada mecánicamente. Además, los límites de velocidad lineal sólo pueden ampliarse aumentando el paso, pero esto degrada la resolución posicional; Una velocidad de rotación demasiado alta también puede hacer que los tornillos se latiguen, lo que genera 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 de motores lineales básicos

Así como existen diferentes tecnologías de motores rotativos, también existen varios tipos de motores lineales: paso a paso, sin escobillas y de inducción lineal de CA, entre otros. Tenga en cuenta que la tecnología lineal utiliza unidades (amplificadores), además de posicionadores (controladores de movimiento) y dispositivos de retroalimentación (como sensores Hall y codificadores) comúnmente disponibles en la industria.

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

Motores lineales con núcleo de hierro sin escobillasSe caracterizan por la laminación de acero en la fuerza móvil para canalizar el flujo magnético. Este tipo de motor tiene índices de fuerza más altos y es más eficiente, pero pesa de tres a cinco veces más que los motores sin engranajes de tamaño comparable. La placa estacionaria consta de imanes permanentes multipolares de polaridad alterna unidos sobre una placa de acero laminado en frío de níquel. Sin embargo, las laminaciones de acero de la fuerza móvil reaccionan con los imanes de la placa estacionaria, que desarrollan una fuerza "atractiva" y exhiben una pequeña cantidad de engranajes u ondulaciones a medida que el motor se mueve de un campo magnético a otro, lo que genera variaciones de velocidad.

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

Motores sin escobillas y sin engranajestener un conjunto de bobina en la fuerza móvil sin laminaciones de acero. La bobina consta de alambre, epoxi y una estructura de soporte no magnética. Esta unidad es mucho más ligera. El diseño básico produce una menor cantidad de fuerza, por lo que se insertan imanes adicionales en la pista estacionaria (ayuda para aumentar la fuerza) y la pista tiene forma de U con imanes a cada lado de esta U. El forzador se inserta en el medio de la U. .

Estos motores son adecuados para aplicaciones que requieren un funcionamiento suave sin engranajes magnéticos, como equipos de escaneo o inspección. Sus aceleraciones más altas son útiles para recoger y colocar semiconductores, clasificar chips y dispensar soldadura y adhesivo. Estos motores están diseñados para viajes ilimitados.

Pasos linealeshan estado disponibles durante mucho tiempo; La fuerza móvil consta de núcleos de acero laminado ranurados con precisión con dientes, un único imán permanente y bobinas insertadas en el núcleo laminado. (Tenga en cuenta que dos bobinas dan como resultado un paso a paso de dos fases). Este conjunto está encapsulado en una carcasa de aluminio.

La placa estacionaria consta de dientes grabados fotoquímicamente sobre una barra de acero, rectificados y niquelados. Esto se puede apilar de un extremo a otro para una longitud ilimitada. El motor viene completo con forzador, rodamientos y platina. La fuerza de atracción del imán se utiliza como precarga para los rodamientos; también permite que la unidad funcione en posición invertida para una variedad de aplicaciones.

Motores de inducción de CAConsisten en un forzador que es un conjunto de bobina compuesto por laminaciones de acero y devanados de fase. Los devanados pueden ser monofásicos o trifásicos. Esto permite el control directo en línea o el control a través de un inversor o variador vectorial. La placa estacionaria (llamada placa de reacción) generalmente consiste en una fina capa de aluminio o cobre adherida a acero laminado en frío.

Una vez que se energiza la bobina de fuerza, interactúa con la placa de reacción y se mueve. Velocidades más altas y longitudes de recorrido ilimitadas son los puntos fuertes de este diseño; se utilizan para manipulación de materiales, transporte de personas, transportadores y puertas corredizas.

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. Aquí, la fuerza 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 proporciona movimiento en el eje Y. También son posibles múltiples fuerzas con trayectorias superpuestas.

En estos motores de dos planos, la plataforma estacionaria (o plato) utiliza una nueva construcción compuesta para mayor resistencia. También se mejora la rigidez, por lo que la deflexión se reduce entre un 60 y un 80% en comparación con los modelos de producción anteriores. La planitud de la platina supera las 14 micras por 300 mm para un movimiento preciso. Finalmente: debido a que los motores paso a paso tienen una fuerza de atracción natural, este concepto permite montar la platina boca arriba o invertida, brindando así versatilidad y flexibilidad para las aplicaciones.

Otra innovación de ingeniería, la refrigeración por agua, amplía la capacidad de fuerza de los motores de inducción lineales de CA en un 25%. Con esta ampliación de capacidad, así como el beneficio de una longitud de recorrido ilimitada, los motores de inducción de CA brindan el máximo rendimiento para muchas aplicaciones: atracciones, manejo de equipaje y transporte de personas. La velocidad es variable (de 6 a 2000 pulgadas/seg) a través de variadores de velocidad ajustable disponibles actualmente en la industria.

Otro motor más incluye una carcasa cilíndrica estacionaria con una parte móvil lineal para proporcionar movimiento. La parte móvil puede ser una varilla de acero revestido de cobre, una bobina móvil o un imán móvil, como un pistón dentro de un cilindro.

Estos diseños brindan los beneficios del motor lineal y además funcionan de manera similar a un actuador lineal. Las aplicaciones incluyen colonoscopias biomédicas, cámaras con actuadores de obturador largo, telescopios que requieren amortiguación de vibraciones, motores de enfoque de litografía, interruptores de generadores que activan interruptores para poner los generadores en línea y prensado de alimentos, como cuando se aplastan tortillas.

Los paquetes o etapas completos de motores lineales son adecuados para posicionar cargas útiles. Estos constan de motor, codificador de realimentación, finales de carrera y portacables. Es posible apilar etapas para movimiento multieje.

Una ventaja de las etapas lineales es su perfil más bajo, lo que les permite caber en espacios más pequeños en comparación con los posicionadores convencionales. Menos componentes aumentan la confiabilidad. Aquí el motor está conectado a accionamientos normales. En un funcionamiento en bucle cerrado, el bucle de posición se cierra con un controlador de movimiento.

Una vez más, además de los productos en stock, abundan los diseños personalizados y especiales. Al final, es mejor revisar las necesidades del equipo con un ingeniero de aplicaciones para determinar el producto lineal óptimo adecuado para las necesidades de la aplicación.