Los sistemas de movimiento lineal se encuentran dentro de innumerables máquinas, incluidos sistemas de corte láser de precisión, equipos de automatización de laboratorio, máquinas de fabricación de semiconductores, máquinas CNC, automatización de fábricas y muchos otros demasiado numerosos para enumerar. Van desde el relativamente simple, como un actuador de asiento económico en un vehículo de pasajeros, hasta un sistema de coordenadas complejo de múltiples eje completo con electronia de control y accionamiento para el posicionamiento de circuito cerrado. No importa cuán simple o complejo sea el sistema de movimiento lineal, en el nivel más básico, todos tienen una cosa en común: mover una carga a través de una distancia lineal en un tiempo específico.

Una de las preguntas más comunes al diseñar un sistema de movimiento lineal se centra en la tecnología de motor. Una vez que se elige la tecnología, el motor debe ser dimensionado para satisfacer las demandas de aceleración de carga, superar la fricción en el sistema y superar el efecto de la gravedad, todo mientras se mantiene una temperatura de funcionamiento máxima segura. El par, la velocidad, la potencia y la capacidad de posicionamiento del motor son una función del diseño del motor, junto con la unidad y el control.

¿Con qué motor debo comenzar?

Hay muchas preguntas de aplicación a considerar al diseñar un sistema de movimiento lineal que utiliza una tecnología de motor particular. Una explicación exhaustiva de todo el proceso está más allá del alcance de este artículo. La intención es hacer que piense en hacer las preguntas correctas cuando hable con un proveedor de autocompresores.

No existe el mejor motor para cada aplicación, sino el mejor motor para una aplicación en particular. En la gran mayoría de las aplicaciones de movimiento incremental, la elección será un motor paso a paso, un motor de CC de cepillo o un motor de CC sin escobillas. Los sistemas de movimiento más complejos pueden usar motores lineales acoplados directamente a la carga, evitando la necesidad de una conversión de potencia mecánica; No hay necesidad de traducción a través de un tornillo de plomo/tornillo de bola, caja de cambios o sistema de polea. Aunque la máxima precisión, repetibilidad y resolución de posicionamiento se puede lograr con los servomotores lineales de tracción directa sin núcleo, son el mayor costo y complejidad en comparación con los motores rotativos. Una arquitectura que utiliza motores rotativos es mucho menos costosa y cumplirá con la mayoría de las aplicaciones de movimiento lineal; Sin embargo, se necesitan algunos medios de conversión de "rotación a lineal" (y como resultado, la conversión de potencia) para conducir la carga.

Los motores paso a paso, pincel y sin escobillas se consideran motores DC; Sin embargo, existen sutilezas que harán que un ingeniero favorezca un tipo sobre los otros dos en una aplicación particular. Debe enfatizarse 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 los requisitos de resolución. No hay un motor perfecto para cada aplicación, y todas las decisiones requerirán compensaciones de diseño. En el nivel más básico, todos los motores, ya sean llamados AC o CC, cepillo, sin escobillas o cualquier otro motor eléctrico, funcionan bajo el mismo principio de física para generar torque: la interacción de los campos magnéticos. Sin embargo, existen diferencias dramáticas en la forma en que estas diversas tecnologías motoras responden en aplicaciones particulares. El rendimiento general del motor, la respuesta y la generación de torque dependen del método de excitación de campo y geometría del circuito magnético inherente al diseño del motor físico, el control del voltaje de entrada y la corriente por el controlador/accionamiento, y el método de velocidad o retroalimentación de posición, si la aplicación requiere.

Las tecnologías DC Stepper, Servo y Servo Motor sin escobillas utilizan un suministro de CC para alimentarlas. Para aplicaciones de movimiento lineal, esto no significa que una fuente fija de CC se pueda aplicar directamente a los devanados del motor; Se necesitan electrónica para controlar la corriente de devanado (relacionada con el par de salida) y el voltaje de devanado (relacionado con la velocidad de salida). A continuación se enumera un resumen de las fortalezas y debilidades de las 3 tecnologías.

El diseño del sistema lineal comienza con la masa de carga y qué tan rápido debe recorrer la masa del punto A al punto B. El tipo de motor, el tamaño y el diseño mecánico comienzan con la potencia (vatios) requerida para mover la carga. Comenzando con la carga y, en última instancia, al trabajar a través de todos los componentes de la fuente de alimentación de la unidad, el análisis es una serie de pasos para comprender la conversión de potencia de una parte del sistema a la otra mientras se considera las diversas eficiencias de los componentes intermedios. Los vatios en forma de voltaje y corriente en la unidad se traducirán en última instancia en vatios mecánicos de salida que mueven una carga dada en un período de tiempo específico.

Para obtener una indicación de la potencia de salida necesaria en la carga, un cálculo de potencia simple ayudará a un motor. Después de comprender la potencia de salida promedio necesaria, finalice el análisis de los requisitos de energía trabajando hacia el motor y conduzca a través de los diversos elementos de conversión de potencia. Se debe hacer referencia a los datos de los fabricantes para tener en cuenta la eficiencia de los diversos componentes, ya que esto determinará en última instancia el tamaño del motor y la fuente de alimentación. Es una preferencia personal con respecto a con qué unidades trabajar, pero las unidades SI son muy recomendables. Trabajar en unidades SI evita la necesidad de recordar múltiples constantes de conversión, y el resultado final siempre se puede convertir en unidades de inglés.

¿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 88n. Calcular los vatios necesarios para mover la carga proporcionará un punto de partida para determinar los componentes en el 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. Las pérdidas del sistema, como la fricción, no están incluidas. La alimentación del eje del motor requerida será algo más alta y depende de los otros componentes utilizados en el sistema, como la caja de cambios y el tornillo de plomo.

P = (F × S) / T

P = (88N × 0.2M) / 1.0s = 17.64W

Esto es diferente a la potencia máxima que se requerirá del sistema. Una vez que se tienen en cuenta la aceleración y la desaceleración, el poder instantáneo durante el perfil de movimiento será algo más alto; Sin embargo, la potencia de salida promedio necesaria en la carga es de aproximadamente 18 vatios. Después de un análisis exhaustivo de todos los componentes, un sistema como este requerirá aproximadamente 37W Peak Power para lograr el trabajo. Esta información, junto con las otras especificaciones de aplicaciones, ahora ayudará a elegir la tecnología motor más adecuada.

¿Qué tecnología motora debo considerar?

Excelente capacidad de posicionamiento y controles relativamente simples llevarían a un diseñador a ver primero la posibilidad de usar un motor paso a paso. Sin embargo, un motor paso a paso no cumpliría con el requisito de una pequeña huella mecánica mientras satisface las demandas de carga. Un requisito de potencia máxima de 37 vatios requeriría un motor paso a paso muy grande. Aunque 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 excede la capacidad de todos los motores paso a paso más grandes.

Un servomotor de cepillo DC cumpliría con los requisitos de carga, una pequeña huella mecánica y tendría una rotación muy suave a bajas velocidades; Sin embargo, debido a los estrictos requisitos de EMC, probablemente sea mejor evitar el motor de cepillo para esta aplicación en particular. Esta sería una alternativa menos costosa en comparación con un sistema sin escobillas, pero podría presentar dificultades para pasar cualquier estricto requisito de EMC.

El motor de CC sin escobillas que usa un sistema de accionamiento sinusoidal sería la primera opción para cumplir con todos los requisitos de aplicación, incluidos el perfil de carga y movimiento (alta densidad de potencia); movimiento suave y sin dedo a bajas velocidades; y una pequeña huella mecánica. En este caso, todavía habrá el potencial de una firma EMI debido a la alta frecuencia de conmutación de la electrónica de accionamiento; Sin embargo, esto se puede mitigar el filtrado en línea debido a una banda de frecuencia más estrecha. Un motor de cepillo DC exhibe una firma EMI de banda más amplia, lo que hace que sea más difícil filtrar.

El tamaño del motor es solo el comienzo

Este artículo fue una breve discusión para presentar a un diseñador varias consideraciones al elegir una tecnología motora para una aplicación de movimiento lineal relativamente simple. Aunque los principios son idénticos para un sistema más complejo, como una tabla XY o un mecanismo de selección de precisión de múltiples eje, 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 apropiado para cumplir con la vida deseada del sistema (número de ciclos). La vida útil del sistema no es solo una función del tamaño del motor, sino también de los otros elementos mecánicos en el sistema, como la caja de cambios y el conjunto del tornillo de plomo. Otros factores, como la precisión del posicionamiento, la resolución, la repetibilidad, el rollo máximo, el tono y la guiñada, etc. son consideraciones importantes para garantizar que el sistema de movimiento lineal cumpla o exceda los objetivos de la aplicación.