Los motores lineales han redefinido las posibilidades del control de movimiento, ofreciendo un rendimiento más rápido, preciso y fiable en comparación con los actuadores lineales tradicionales accionados por motores rotativos. La característica única de un motor lineal es que la carga se mueve sin componentes mecánicos de transmisión de potencia. En cambio, la fuerza lineal generada por el campo magnético de la bobina del motor se acopla directamente a la carga. Esto elimina los dispositivos mecánicos que convierten el movimiento rotatorio en lineal, mejorando así la vida útil, la precisión, la velocidad y el rendimiento general del sistema.
A medida que crece la demanda de mayor productividad, mayor calidad del producto, menor tiempo de desarrollo y menores costos de ingeniería, la adopción de la tecnología de motores lineales se populariza gracias a sus diseños modulares. Se utilizan en metrología, sistemas de corte de precisión, equipos de fabricación de semiconductores y electrónica, manipulación de obleas, litografía, sistemas de inspección visual, equipos y dispositivos médicos, sistemas de prueba, industria aeroespacial y de defensa, automatización de líneas de ensamblaje, aplicaciones de impresión y empaquetado, y muchas otras aplicaciones que requieren un movimiento lineal de alto rendimiento y alta precisión.
Los componentes de un motor lineal deben mecanizarse y ensamblarse con alta precisión y procesos repetibles. La correcta alineación de estas piezas es crucial y requiere un alto nivel de detalle en el diseño y una gran habilidad de ensamblaje.
Hoy en día, la nueva generación de motores lineales modulares ha revolucionado el mercado. Los motores lineales modulares llave en mano se integran fácilmente en un sistema y están listos para funcionar de inmediato, lo que reduce significativamente el tiempo de ingeniería. Los ingenieros ahora pueden aprovechar las potentes ventajas de la tecnología de motores lineales modulares en sus diseños de máquinas en tan solo días, en lugar de meses o incluso años.
Nueve componentes principales comprenden los sistemas de motores lineales:
- Una placa base
- Una bobina de motor
- Una pista magnética permanente (normalmente imanes de neodimio)
- Un carro que conecta la bobina del motor a la carga.
- Carriles de cojinetes lineales sobre los que se guía el carro y que se conectan a la base
- Un codificador lineal para retroalimentación de posición
- Topes finales
- Una vía de cable
- Fuelle opcional para proteger la pista magnética, el codificador y los rieles lineales de la contaminación ambiental.
BUCLE DE CONTROL
Los componentes de un motor lineal deben mecanizarse y ensamblarse con alta precisión y procesos repetibles. La correcta alineación de estas piezas es crucial y requiere un diseño detallado y gran habilidad de ensamblaje. Por ejemplo, la pista magnética y la bobina móvil del motor deben ser planas, paralelas y estar montadas con un espacio de aire específico entre ellas. La bobina móvil se desplaza sobre un carro conectado a rieles de rodamiento lineales de precisión paralelos sobre la pista magnética. El codificador de posición, con escala lineal y cabezal de lectura, es otra pieza crucial de un motor lineal que exige procedimientos de alineación adecuados y un diseño de montaje robusto para soportar aceleraciones de hasta 5 G. Con los motores lineales modulares, estos detalles ya están considerados y prediseñados de fábrica.
Los sistemas modulares de motores lineales, como el mostrado, se utilizan cuando se requiere un movimiento lineal preciso, de alta velocidad y repetible. El sistema es una alternativa a los actuadores de husillo de bolas, correa y piñón y cremallera.
Se utilizan controladores de movimiento y servoaccionamientos sofisticados para controlar el movimiento del motor lineal. Los motores lineales ofrecen una clara ventaja en cuanto a rigidez y respuesta en frecuencia. En ciertos rangos de frecuencia, presentan una rigidez que supera considerablemente la de los husillos de bolas tradicionales por un notable factor de 10 o más. Gracias a esta característica, los motores lineales pueden gestionar anchos de banda de posición y bucle de velocidad elevados con una precisión impresionante, incluso con perturbaciones externas. A diferencia de los husillos de bolas, que suelen alcanzar frecuencias de resonancia entre 10 y 100 Hz, los motores lineales operan a frecuencias más altas, situando sus resonancias muy por encima del ancho de banda del bucle de posición.
Sin embargo, la eliminación de la transmisión mecánica conlleva una desventaja. Los componentes mecánicos, como los husillos de bolas, ayudan a reducir las perturbaciones causadas por las fuerzas de la máquina, las frecuencias de resonancia naturales o las vibraciones transversales. Su eliminación expone directamente a los motores lineales a dichas perturbaciones. Por consiguiente, la compensación de estas perturbaciones recae en el controlador de movimiento y la electrónica de accionamiento, que deben abordarlas directamente, actuando directamente sobre el servoeje. Aquí es donde entran en juego los sofisticados algoritmos de movimiento de bucle cerrado actuales para eliminar las resonancias y proporcionar un control excepcional del bucle de posición.
En el ámbito de los actuadores lineales, los motores lineales ofrecen una excepcional capacidad técnica. Su capacidad para exhibir una rigidez superior y operar a frecuencias más altas los distingue de las alternativas tradicionales. Al desafiar las frecuencias de resonancia y mantener una alta precisión incluso ante perturbaciones externas, los motores lineales ofrecen una solución convincente.
Sin embargo, la ausencia de transmisión mecánica requiere estrategias de compensación robustas para contrarrestar las perturbaciones, garantizando así el rendimiento y la fiabilidad continuos del sistema. Las frecuencias de muestreo de los controladores de movimiento para los bucles de velocidad y posición suelen comenzar en 5 kHz. Un eje de motor lineal puede tener un ancho de banda de bucle de posición de cinco a diez veces mayor que el de un eje accionado por motor rotatorio convencional, donde las frecuencias de 1 o 2 kHz son aceptables. Algunos controladores de movimiento actuales pueden alcanzar frecuencias de muestreo de 20 kHz o superiores, lo que permite un control de retroalimentación de altísima velocidad y un control de trayectoria ultrapreciso.
Dado que la mayoría de los fabricantes de motores lineales modulares también son expertos en control de movimiento y servo, también se han considerado en profundidad muchos desafíos del bucle de control y las preocupaciones por resonancia mecánica, y se proporcionan soluciones y herramientas para mitigar estos desafíos.
APLICACIÓN DE MOTOR LINEAL
Hace años adquirí una valiosa experiencia con motores lineales, junto con un equipo de ingenieros que se embarcaba en un proyecto revolucionario: crear la primera máquina de corte láser basada en motores lineales del mundo. El uso de motores lineales fue la solución perfecta para revolucionar la industria, ya que las tecnologías tradicionales de actuadores lineales accionadas por servomotores rotativos no ofrecían el alto rendimiento que se logra con estos motores.
Implementar la tecnología no fue tarea fácil. A medida que profundizábamos en el proyecto, nos dimos cuenta de que nuestra aplicación requería especificaciones de rendimiento para motores lineales que no estaban disponibles comercialmente. Sin desanimarnos, decidimos diseñar motores lineales específicamente para nuestra aplicación.
Nos enfrentamos a numerosos desafíos, ya que necesitábamos mover un sistema de pórtico de 454 kg a una velocidad rápida de 2,5 m/s con una aceleración de 1,5 G, lo que implicaba diseñar un motor lineal capaz de producir fuerzas extremas. Nuestro equipo perseveró, dedicando incontables horas a la investigación y el desarrollo hasta que finalmente diseñamos un motor lineal que pudiera satisfacer las demandas de nuestra máquina de corte láser. Fue un momento de orgullo cuando finalmente vimos nuestros motores lineales en acción 14 meses después, impulsando el sistema de pórtico con increíble velocidad, facilidad y precisión. El rendimiento alcanzado fue sin precedentes. Es sorprendente la rapidez con la que se podría haber completado nuestro concepto de máquina si hubiéramos contado con motores lineales modulares listos para usar.
La tecnología de motores lineales ha evolucionado enormemente desde que nos embarcamos en el diseño de motores lineales en los años 90. Con la introducción de nuevos diseños modulares, el potencial de innovación y progreso en el diseño de movimiento y los motores lineales es mayor que nunca. Los motores lineales modulares están redefiniendo lo posible, con capacidades de control de movimiento más rápidas, precisas y fiables que pueden implementarse rápidamente para beneficiar a una amplia gama de aplicaciones en diversas industrias.
Hora de publicación: 14 de agosto de 2023