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. En primer lugar, se analizarán las ventajas y desventajas de las diferentes tecnologías, como los sistemas de husillo, husillo de bolas, transmisión por correa, guías de bolas, guías deslizantes y guías de rueda. A continuación, se examinarán las ventajas y desventajas de diseñar y construir un sistema lineal propio frente a configurar 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 guiado, 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 puede mecanizarse para aplicaciones que requieren un posicionamiento preciso. Las extrusiones de base para aplicaciones de transporte de menor precisión generalmente no se mecanizan. Las bases utilizadas en aplicaciones de transporte están optimizadas para resistir la flexión bajo carga y la deformación durante el proceso de extrusión, lo que permite que el sistema se apoye únicamente en los extremos.

Los principales tipos de guías son las guías de bolas, las guías de ruedas y las guías deslizantes o prismáticas. Las guías de bolas soportan cargas útiles elevadas de hasta 38 000 Newtons (N) y momentos de carga elevados de hasta 27,60 Newton metros (Nm). Otras ventajas de las guías de bolas incluyen baja fricción y alta rigidez. Las guías de bolas están disponibles en configuraciones de riel simple o doble. Las desventajas de las guías de bolas incluyen un costo relativamente alto y altos niveles de ruido. Una ventaja clave de las guías de ruedas es su capacidad para operar a velocidades excepcionalmente altas, de hasta 10 metros por segundo (m/s). Las guías de ruedas también ofrecen baja fricción y muy alta rigidez. Por otro lado, las guías de ruedas tienen una resistencia relativamente baja a las cargas de impacto. Las guías deslizantes utilizan bujes de polímero en forma de prisma que se deslizan directamente sobre la superficie del perfil para proporcionar un funcionamiento muy silencioso y soportar altas cargas de impacto. Una ventaja clave de las guías deslizantes es su capacidad para operar en entornos contaminados. Las guías deslizantes tienen menor velocidad y capacidad de carga que las guías de bolas o de ruedas.

Las tecnologías de accionamiento más populares son los husillos de bolas, los husillos de avance y las correas. El husillo de bolas consta de un husillo y una tuerca de bolas con rodamientos de bolas recirculantes. Los husillos de bolas rectificados y precargados ofrecen una precisión de posicionamiento excepcionalmente alta. La carga sobre el husillo se distribuye entre un gran número de rodamientos de bolas, de modo que cada bola soporta 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 se compensa a menudo 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 para husillos de bolas permiten el uso de unidades accionadas por husillo con una carrera de hasta 12 metros y una velocidad de entrada de 3000 rpm. Los husillos de avance no alcanzan 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 para regresar a una ubicación durante el funcionamiento cuando se aproxima desde la misma dirección a la misma velocidad y tasa de desaceleración. Los accionamientos de husillo se utilizan en aplicaciones de posicionamiento de ciclo de trabajo bajo a medio y operan con bajos niveles de ruido. Los accionamientos de 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 normalmente requieren lubricación. El fácil acceso a los puntos de lubricación simplifica el mantenimiento preventivo. Un enfoque eficaz es el uso de racores Zerk en el carro que alimentan una red a través de la cual tanto el husillo de bolas como el sistema de rodamientos lineales se lubrican durante la instalación y en intervalos de mantenimiento periódicos. El sistema de guía prismática no requiere mantenimiento. Además de la lubricidad inherente del polímero, hay rascadores de fieltro lubricados que reponen el lubricante en cada carrera. La tecnología de sellado es importante en muchas aplicaciones. Un sello de tira magnética consiste en una banda magnética de acero inoxidable que está cargada con resorte para mantener la tensión. Los dos extremos están fijados 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, funcionando de manera similar a una bolsa Ziploc. Los perfiles de "lengüeta y ranura" de acoplamiento crean un sello de laberinto extremadamente eficaz para evitar la entrada de partículas. Los soportes de motor flexibles simplifican la integración de sistemas lineales en conjuntos automatizados. Los usuarios pueden simplemente solicitar un soporte de motor NEMA estándar o proporcionar información de montaje específica para su motor, o bien facilitar el nombre y el número de pieza del fabricante del motor. La carcasa y el acoplamiento se mecanizan a partir de piezas en bruto 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 casi cualquier motor, con alineación garantizada.

No todas las combinaciones de tipos de accionamiento y guías son adecuadas. 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 muestran 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 altas fuerzas y momentos. Se utiliza en aplicaciones de posicionamiento de precisión con altas cargas y ciclos de trabajo elevados, como el sistema lineal utilizado para cargar y descargar piezas en bruto 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 pesadas y altas cargas de momento. Este grupo tecnológico es adecuado para aplicaciones que cubren 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 moderada. Las guías deslizantes pueden gestionar cargas de impacto, pero tienen ciertas limitaciones en sus velocidades lineales. Esta combinación ofrece una solución rentable y silenciosa que requiere poco mantenimiento. La adición de una banda magnética la hace ideal para entornos con alto contenido de partículas y que requieren lavado frecuente, como en aplicaciones de tratamiento por pulverización de chapa metálica. Las unidades con transmisión por correa y guiado por ruedas ofrecen alta velocidad lineal y capacidad de aceleración, además de un costo moderado, bajo nivel de ruido y requisitos de mantenimiento relativamente bajos. Una aplicación típica es la máquina de envasado y llenado.

¿Fabricar o comprar? Al considerar si fabricar o comprar un sistema lineal, es importante tener en cuenta el tiempo y la experiencia de ingeniería necesarios para su diseño. 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, 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 el alcance, y aún se requiere ingeniería básica para asegurar que no se haya omitido ningún detalle fundamental. Al comprar sistemas lineales, habrá ocasiones en que los productos estándar del catálogo no cumplan con los requisitos de la aplicación. En este caso, las modificaciones significativas a los productos estándar o los diseños de hojas de especificaciones técnicas son alternativas viables. Un socio con una amplia gama de productos y capacidades de ingeniería puede colaborar con usted para resolver su problema, ahorrando tiempo y dinero y acelerando el ciclo de desarrollo.