Los sistemas de movimiento lineal se encuentran en innumerables máquinas, incluyendo sistemas de corte láser de precisión, equipos de automatización de laboratorio, máquinas de fabricación de semiconductores, máquinas CNC, automatización de fábricas y muchos otros, incontables. Abarcan desde los relativamente simples, como un actuador de asiento económico en un vehículo de pasajeros, hasta complejos sistemas de coordenadas multieje con electrónica de control y accionamiento para posicionamiento en bucle cerrado. Independientemente de la simplicidad o complejidad del sistema de movimiento lineal, en su nivel más básico, todos tienen una característica en común: mover una carga a lo largo de una distancia lineal en un tiempo específico.

Una de las preguntas más frecuentes al diseñar un sistema de movimiento lineal se centra en la tecnología del motor. Una vez elegida la tecnología, el motor debe dimensionarse para satisfacer las demandas de aceleración de la carga, superar la fricción en el sistema y contrarrestar el efecto de la gravedad, manteniendo al mismo tiempo una temperatura máxima de funcionamiento segura. El par, la velocidad, la potencia y la capacidad de posicionamiento del motor dependen de su diseño, junto con el accionamiento y el control.

¿CON QUÉ MOTOR DEBO EMPEZAR?

Hay muchas cuestiones de aplicación que considerar al diseñar un sistema de movimiento lineal con una tecnología de motor específica. Una explicación exhaustiva de todo el proceso queda fuera del alcance de este artículo. El objetivo es que reflexione sobre cómo plantearse las preguntas correctas al hablar con un proveedor de motores.

No existe el mejor motor para cada aplicación, sino el mejor motor para una aplicación específica. En la gran mayoría de las aplicaciones de movimiento incremental, la elección será un motor paso a paso, un motor de CC con escobillas o un motor de CC sin escobillas. Los sistemas de movimiento más complejos pueden utilizar motores lineales acoplados directamente a la carga, lo que evita la necesidad de conversión de potencia mecánica; no hay necesidad de traslación mediante un husillo de bolas, una caja de engranajes ni un sistema de poleas. Si bien se puede lograr la máxima precisión, repetibilidad y resolución de posicionamiento con servosistemas lineales de accionamiento directo sin núcleo, estos presentan el mayor costo y complejidad en comparación con los motores rotativos. Una arquitectura que utiliza motores rotativos es mucho menos costosa y cumple con la mayoría de las aplicaciones de movimiento lineal; sin embargo, se necesita algún medio de conversión "rotativo a lineal" (y, como resultado, conversión de potencia) para accionar la carga.

Los motores paso a paso, con escobillas y sin escobillas se consideran motores de CC; sin embargo, existen sutilezas que pueden llevar a un ingeniero a preferir un tipo sobre los otros dos en una aplicación específica. Cabe destacar que esta elección depende en gran medida de los requisitos de diseño del sistema, no solo en términos de velocidad y par, sino también de la precisión de posicionamiento, la repetibilidad y la resolución. No existe un motor perfecto para cada aplicación, y todas las decisiones requerirán concesiones en el diseño. En el nivel más básico, todos los motores, ya sean de CA o CC, con escobillas, sin escobillas o cualquier otro motor eléctrico, funcionan bajo el mismo principio físico para generar par: la interacción de campos magnéticos. Sin embargo, existen diferencias significativas en la forma en que estas diversas tecnologías de motores responden en aplicaciones específicas. El rendimiento general del motor, la respuesta y la generación de par dependen del método de excitación del campo y la geometría del circuito magnético inherentes al diseño físico del motor, el control de la tensión y la corriente de entrada por parte del controlador/variador, y el método de retroalimentación de velocidad o posición, si la aplicación lo requiere.

Las tecnologías de motores paso a paso de CC, servomotores con escobillas y servomotores sin escobillas utilizan una fuente de CC para su alimentación. En aplicaciones de movimiento lineal, esto no significa que se pueda aplicar una fuente fija de CC directamente a los devanados del motor; se requiere electrónica para controlar la corriente del devanado (relacionada con el par de salida) y la tensión del devanado (relacionada con la velocidad de salida). A continuación, se presenta un resumen de las ventajas y desventajas de las tres tecnologías.

El diseño de un sistema lineal comienza con la masa de la carga y la velocidad a la que esta debe desplazarse del punto A al punto B. El tipo, tamaño y diseño mecánico del motor comienzan con la potencia (vatios) necesaria para mover la carga. El análisis, que comienza con la carga y continúa con todos los componentes hasta la fuente de alimentación del variador, consiste en una serie de pasos para comprender la conversión de potencia de una parte del sistema a otra, considerando las diferentes eficiencias de los componentes intermedios. Los vatios en forma de voltaje y corriente que entran en el variador se traducirán en vatios de salida mecánica para mover una carga determinada en un tiempo específico.

Para obtener una indicación de la potencia de salida necesaria con la carga, un cálculo de potencia simple ayudará a estimar el motor. Tras comprender la potencia de salida promedio necesaria, finalice el análisis de los requisitos de potencia retrocediendo hasta el motor y pasando por los diversos elementos de conversión de potencia. Se deben consultar los datos del fabricante para tener en cuenta la eficiencia de los distintos componentes, ya que esto determinará en última instancia el tamaño del motor y la fuente de alimentación. Las unidades con las que trabajar dependen de la preferencia personal, pero se recomiendan encarecidamente las unidades del SI. Trabajar con unidades del SI evita tener que recordar múltiples constantes de conversión, y el resultado final siempre se puede convertir a unidades inglesas.

¿CUÁNTA POTENCIA SE NECESITA PARA MOVER LA CARGA EN EL TIEMPO REQUERIDO?

Una masa de 9 kg levantada contra la gravedad requerirá una fuerza de aproximadamente 88 N. Calcular los vatios necesarios para mover la carga proporcionará un punto de partida para determinar los componentes del resto del sistema. Esta es la potencia promedio necesaria para mover una masa de 9 kg verticalmente del punto A al punto B en 1 segundo. No se incluyen las pérdidas del sistema, como la fricción. La potencia requerida en el eje del motor será algo mayor y dependerá de los demás componentes del sistema, como la caja de engranajes y el husillo.

P = (F × S) / t

P = (88 N × 0,2 m) / 1,0 s = 17,64 w

Esto difiere de la potencia máxima que requerirá el sistema. Una vez considerada la aceleración y la desaceleración, la potencia instantánea durante el movimiento será ligeramente mayor; sin embargo, la potencia de salida promedio necesaria con la carga es de aproximadamente 18 vatios. Tras un análisis exhaustivo de todos los componentes, un sistema como este requerirá aproximadamente 37 W de potencia máxima para realizar la función. Esta información, junto con las demás especificaciones de la aplicación, ayudará a elegir la tecnología de motor más adecuada.

¿QUÉ TECNOLOGÍA DE MOTOR DEBO CONSIDERAR?

Una excelente capacidad de posicionamiento y controles relativamente sencillos llevarían a un diseñador a considerar primero la posibilidad de usar un motor paso a paso. Sin embargo, un motor paso a paso no cumpliría con el requisito de un tamaño mecánico reducido y, al mismo tiempo, con las demandas de carga. Un requisito de potencia máxima de 37 vatios requeriría un motor paso a paso muy grande. Si bien los motores paso a paso poseen un par muy alto a bajas velocidades, la velocidad máxima y, por lo tanto, el requisito de potencia del perfil de movimiento superan la capacidad de todos los motores paso a paso, excepto los de mayor tamaño.

Un servomotor de CC con escobillas cumpliría con los requisitos de carga, ocuparía poco espacio y ofrecería una rotación muy suave a bajas velocidades; sin embargo, debido a los estrictos requisitos de EMC, probablemente sea mejor evitar el motor con escobillas para esta aplicación específica. Esta sería una alternativa más económica que un sistema sin escobillas, pero podría presentar dificultades para cumplir con los estrictos requisitos de EMC.

El motor de CC sin escobillas con un sistema de accionamiento sinusoidal sería la primera opción para satisfacer todos los requisitos de la aplicación, incluyendo el perfil de carga y movimiento (alta densidad de potencia); movimiento suave y sin engranajes a bajas velocidades; y un tamaño mecánico reducido. En este caso, aún existirá la posibilidad de una señal EMI debido a la conmutación de alta frecuencia de la electrónica del accionamiento; sin embargo, esto se puede mitigar mediante filtrado en línea gracias a una banda de frecuencia más estrecha. Un motor de CC con escobillas presenta una señal EMI de banda más amplia, lo que dificulta su filtrado.

EL DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR ES SOLO EL COMIENZO

Este artículo fue una breve introducción al diseñador sobre diversas consideraciones a la hora de elegir una tecnología de motor para una aplicación de movimiento lineal relativamente simple. Si bien los principios son idénticos para un sistema más complejo, como una mesa XY o un mecanismo de selección y colocación de precisión multieje, cada eje deberá analizarse para la carga de forma independiente. Otra consideración fuera del alcance de este artículo es cómo elegir un factor de seguridad adecuado para alcanzar la vida útil deseada del sistema (número de ciclos). La vida útil del sistema no solo depende del tamaño del motor, sino también de otros elementos mecánicos, como la caja de engranajes y el conjunto de husillo. Otros factores, como la precisión de posicionamiento, la resolución, la repetibilidad, el balanceo, el cabeceo y la guiñada máximos, son importantes para garantizar que el sistema de movimiento lineal cumpla o supere los objetivos de la aplicación.