Este artículo explicará los fundamentos del diseño de un sistema lineal, incluyendo el sistema de soporte estructural, la tecnología de guiado, la tecnología de accionamiento, el sellado, la lubricación y los accesorios. Primero, se analizarán las ventajas y desventajas de las diferentes tecnologías, como los accionamientos por husillo, los accionamientos por husillo de bolas, las transmisiones por correa, las guías de bolas, las guías de deslizamiento y las guías de ruedas. A continuación, se analizarán las ventajas y desventajas de diseñar y construir un sistema lineal propio frente a la configuración de un sistema a partir de componentes estándar. Finalmente, se describirá un proceso web paso a paso para dimensionar y seleccionar un sistema lineal basado en componentes estándar económicos.

Los componentes básicos de un sistema lineal son el sistema de soporte estructural, el sistema de accionamiento, el sistema de guía, el sellado, la lubricación y los accesorios. El componente principal del sistema de soporte estructural suele ser una extrusión de aluminio disponible en longitudes de hasta 12 metros. La superficie de montaje de la base se puede mecanizar para aplicaciones que requieren un posicionamiento preciso. Las extrusiones de base para aplicaciones de transporte de menor precisión no suelen mecanizarse. Las bases utilizadas en aplicaciones de transporte están optimizadas para resistir la flexión bajo carga y la distorsión durante el proceso de extrusión, lo que permite que el sistema se apoye únicamente en los extremos.

Los principales tipos de guías son las de bolas, las de rueda y las de deslizamiento o prisma. Las guías de bolas soportan cargas útiles elevadas de hasta 38.000 Newtons (N) y momentos de hasta 27,60 Newton metros (Nm). Otras ventajas de las guías de bolas son su baja fricción y su alta rigidez. Están disponibles en configuraciones de raíl simple o doble. Las desventajas de las guías de bolas son su coste relativamente alto y sus altos niveles de ruido. Una ventaja clave de las guías de rueda es su capacidad para funcionar a velocidades excepcionalmente altas, de hasta 10 metros por segundo (m/s). Las guías de rueda también ofrecen baja fricción y una rigidez muy alta. Por otro lado, las guías de rueda tienen una resistencia relativamente baja a las cargas de impacto. Las guías de deslizamiento utilizan bujes de polímero con forma de prisma que se deslizan directamente sobre la superficie del perfil para ofrecer un funcionamiento muy silencioso y soportar altas cargas de impacto. Una ventaja clave de las guías de deslizamiento es su capacidad para funcionar en entornos contaminados. Las guías de deslizamiento tienen menor velocidad y capacidad de carga que las guías de bolas o ruedas.

Las tecnologías de accionamiento más populares son los husillos de bolas, los husillos de avance y las transmisiones por correa. El husillo de bolas consta de un husillo de bolas y una tuerca de bolas con rodamientos de bolas recirculantes. Los husillos de bolas rectificados y precargados proporcionan una precisión de posicionamiento excepcionalmente alta. La carga sobre el husillo de bolas se distribuye entre un gran número de rodamientos de bolas, de modo que cada bola está sometida a una carga relativamente baja. El resultado es una alta precisión absoluta de hasta 0,005 mm, una alta capacidad de empuje de hasta 40 kN y una alta rigidez. La precisión absoluta se define como el error máximo entre la posición esperada y la real. Los husillos de bolas suelen ofrecer una eficiencia mecánica del 90 %, por lo que su mayor coste suele compensarse con una menor demanda de energía. La velocidad crítica de un husillo de bolas viene determinada por el diámetro de la raíz del husillo, la longitud sin soporte y la configuración del soporte final. Los soportes de husillo de bolas permiten el uso de unidades accionadas por husillo de hasta 12 metros de carrera y una velocidad de entrada de 3000 rpm. Los husillos de avance no pueden igualar la precisión de posicionamiento absoluta de los husillos de bolas, pero ofrecen una excelente repetibilidad de 0,005 mm. La repetibilidad se define como la capacidad de un sistema de posicionamiento de regresar a una ubicación durante la operación cuando se aproxima desde la misma dirección a la misma velocidad y tasa de desaceleración. Los accionamientos de tornillo de avance se utilizan en aplicaciones de posicionamiento de ciclo de trabajo bajo a medio y funcionan con bajos niveles de ruido. Las transmisiones por correa se utilizan en aplicaciones de transporte de alta velocidad y alto rendimiento con velocidades de hasta 10 m/s y aceleraciones de hasta 40 m/s2. Tanto el sistema de guía como el sistema de accionamiento suelen requerir lubricación. El fácil acceso a los accesorios de lubricación simplifica el mantenimiento preventivo. Un enfoque eficaz es el uso de accesorios Zerk en el carro que alimentan una red a través de la cual se lubrican tanto el tornillo de bola como el sistema de cojinetes lineales durante la instalación y en intervalos de mantenimiento periódicos. El sistema de guía de prisma no necesita mantenimiento. Además de la lubricidad inherente del polímero, hay limpiadores de fieltro lubricados que reponen el lubricante en cada carrera. La tecnología de sellado es importante en muchas aplicaciones. Un sello de banda magnética consiste en una banda magnética de acero inoxidable que está accionada por resorte para mantener la tensión. Los dos extremos se fijan a las placas terminales del sistema y la banda de cubierta o tira de sellado se introduce a través de una cavidad en el carro. A medida que los carros recorren el sistema, la tira se separa de los imanes para permitir el paso del carro.

Una tecnología de sellado alternativa, las bandas de cubierta de plástico utilizan una tira de goma flexible que se entrelaza con la extrusión de la base, actuando de forma similar a una bolsa Ziploc. Los perfiles machihembrados de acoplamiento crean un sello laberíntico extremadamente eficaz para prevenir la entrada de partículas. Los soportes de motor flexibles simplifican la integración de sistemas lineales en ensamblajes automatizados. Los usuarios pueden simplemente solicitar un soporte de motor NEMA estándar, proporcionar información de montaje específica para su motor o indicar el nombre y el número de pieza del fabricante. La carcasa y el acoplamiento se mecanizan a partir de piezas comunes para adaptarse a las características clave del motor del cliente: tamaño y diámetro del círculo de pernos en la brida del motor; diámetro del piloto del motor; y diámetro y longitud del eje del motor. Esto permite que las guías se monten fácilmente, horizontal, vertical, inclinadas o invertidas, en prácticamente cualquier motor, con alineación garantizada.

No todas las combinaciones de tipos de accionamiento y guía son lógicas. Los siete grupos tecnológicos que se utilizan en aplicaciones prácticas incluyen accionamiento por husillo y guía de bolas, accionamiento por husillo y guía deslizante, accionamiento por husillo de bolas y guía de bolas, accionamiento por husillo de bolas y guía deslizante, accionamiento por correa y guía de bolas, accionamiento por correa y guía deslizante, y accionamiento por correa y guía de ruedas. Los diagramas de araña representan las fortalezas y debilidades relativas de cada una de estas tecnologías. La tecnología de accionamiento por husillo de bolas y guía de bolas ofrece alta repetibilidad, alta rigidez y capacidad para manejar fuerzas y momentos elevados. Se utiliza en aplicaciones de posicionamiento de precisión con cargas elevadas y ciclos de trabajo elevados, como el sistema lineal utilizado para cargar y descargar piezas brutas de engranajes en una máquina herramienta. Las unidades accionadas por correa y guiadas por bolas están diseñadas para aplicaciones de alta velocidad y aceleración con cargas útiles pesadas y cargas de momento elevadas. Este grupo tecnológico es adecuado para aplicaciones que abarcan un espacio y se apoyan en los extremos o de forma intermitente. Una aplicación típica es la paletización de latas. Los sistemas lineales accionados por correa y guiados por deslizadores proporcionan una capacidad de velocidad y aceleración moderadas. Las guías deslizantes pueden soportar cargas de impacto, pero sus velocidades lineales son algo limitadas. Esta combinación proporciona una solución rentable y silenciosa que requiere poco mantenimiento. La incorporación de una banda de cubierta magnética la hace ideal para entornos con alto contenido de partículas y requisitos de lavado, como en aplicaciones de tratamiento por pulverización de chapa metálica. Las unidades accionadas por correa y guiadas por ruedas ofrecen alta velocidad lineal y capacidad de aceleración, además de un coste moderado, bajo nivel de ruido y requisitos de mantenimiento relativamente bajos. Una aplicación típica es la máquina envasadora y llenadora.

¿Fabricar o comprar? Al considerar fabricar o comprar un sistema lineal, es importante considerar el tiempo de ingeniería y la experiencia necesarios para diseñarlo. El diseño de un sistema incluye cálculos de ingeniería como la vida útil de los rodamientos lineales y radiales, la vida útil del husillo de bolas, la velocidad crítica del husillo de bolas, la deflexión del perfil de soporte, la selección de la lubricación, el diseño de la cubierta, etc. El enfoque de sobredimensionar el sistema lineal para reducir el tiempo de diseño tiene la desventaja de que aumenta el costo y la capacidad, y aún se requiere ingeniería básica para garantizar que no se haya omitido ningún aspecto básico. Al comprar sistemas lineales, habrá ocasiones en que los productos estándar del catálogo no cumplan con los requisitos de la aplicación. En este caso, realizar modificaciones significativas a los productos estándar o diseños de hoja blanca son alternativas viables. Un socio con una amplia gama de productos y capacidades de ingeniería puede trabajar con usted para resolver su problema, ahorrándole tiempo y dinero, y acelerando el ciclo de desarrollo.