Los sistemas de movimiento lineal se encuentran en innumerables máquinas, como sistemas de corte láser de precisión, equipos de automatización de laboratorio, máquinas de fabricación de semiconductores, máquinas CNC, sistemas de automatización industrial y muchas otras. Su complejidad varía desde sistemas 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 su simplicidad o complejidad, en su nivel más básico, todos los sistemas de movimiento lineal tienen algo en común: desplazar una carga a lo largo de una distancia lineal en un tiempo determinado.

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, es necesario dimensionar el motor para satisfacer las demandas de aceleración de la carga, superar la fricción del 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?

Al diseñar un sistema de movimiento lineal con una tecnología de motor específica, es necesario considerar numerosas cuestiones de aplicación. Una explicación exhaustiva de todo el proceso excede el alcance de este artículo. El objetivo es que usted reflexione sobre las preguntas adecuadas al hablar con un proveedor de motores.

No existe el motor ideal para todas las aplicaciones, sino el motor ideal para una aplicación específica. En la gran mayoría de las aplicaciones de movimiento incremental, la elección será entre 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, evitando la necesidad de conversión mecánica de potencia; no se requiere traslación a través de un husillo de bolas o de bolas, caja de cambios o sistema de poleas. Si bien se puede lograr la máxima precisión, repetibilidad y resolución de posicionamiento con servomotores 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 satisface la mayoría de las aplicaciones de movimiento lineal; sin embargo, se necesita algún método de conversión de rotativo a lineal (y, por consiguiente, de potencia) para accionar la carga.

Los motores paso a paso, con escobillas y sin escobillas se consideran motores de CC; sin embargo, existen matices que pueden llevar a un ingeniero a preferir un tipo sobre los otros dos en una aplicación específica. Es fundamental 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 requeridas. No existe un motor perfecto para todas las aplicaciones, y todas las decisiones implican concesiones en el diseño. En su nivel más básico, todos los motores, ya sean de CA o CC, con escobillas, sin escobillas o cualquier otro tipo de 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 particulares. El rendimiento general del motor, su 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 del voltaje y la corriente de entrada por parte del controlador/accionamiento, 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 alimentación de CC. 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 (relacionada con el par de salida) y la tensión (relacionada con la velocidad de salida) de los devanados. A continuación, se resumen las ventajas y desventajas de estas tres tecnologías.

El diseño del sistema lineal comienza con la masa de la carga y la velocidad a la que debe desplazarse entre los puntos A y B. El tipo, el tamaño y el diseño mecánico del motor se determinan a partir de la potencia (vatios) necesaria para mover la carga. Partiendo de la carga y retrocediendo a través de todos los componentes hasta la fuente de alimentación del variador, el análisis consiste en una serie de pasos para comprender la conversión de potencia entre las distintas partes del sistema, considerando la eficiencia de los componentes intermedios. Los vatios, en forma de voltaje y corriente, que ingresan al variador se traducen finalmente en vatios de potencia mecánica para mover una carga determinada en un tiempo específico.

Para obtener una estimación de la potencia de salida necesaria en la carga, un cálculo sencillo ayudará a determinar las características de un motor. Tras comprender la potencia de salida promedio requerida, complete el análisis de los requisitos de potencia, partiendo del motor y analizando los distintos elementos de conversión de potencia. Es importante consultar los datos del fabricante para tener en cuenta la eficiencia de los componentes, ya que esto determinará el tamaño del motor y de la fuente de alimentación. Si bien la elección de las unidades es opcional, se recomienda encarecidamente el uso del Sistema Internacional (SI). Trabajar con unidades 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?

Para levantar una masa de 9 kg contra la gravedad se requiere una fuerza de aproximadamente 88 N. Calcular la potencia (en vatios) necesaria para mover la carga proporciona un punto de partida para determinar los componentes del resto del sistema. Esta es la potencia media 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 depende de los demás componentes del sistema, como la caja de cambios 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 consideradas la aceleración y la desaceleración, la potencia instantánea durante el movimiento será algo mayor; sin embargo, la potencia de salida promedio necesaria en la carga es de aproximadamente 18 vatios. Tras un análisis exhaustivo de todos los componentes, un sistema como este requerirá una potencia máxima de aproximadamente 37 vatios para realizar la tarea. Esta información, junto con las demás especificaciones de la aplicación, ayudará a seleccionar la tecnología de motor más adecuada.

¿QUÉ TECNOLOGÍA DE MOTOR DEBO CONSIDERAR?

Su excelente capacidad de posicionamiento y sus controles relativamente sencillos llevarían a un diseñador a considerar inicialmente la posibilidad de utilizar un motor paso a paso. Sin embargo, un motor paso a paso no cumpliría con el requisito de un tamaño mecánico reducido al tiempo que satisface las demandas de carga. Un consumo máximo de potencia de 37 vatios requeriría un motor paso a paso de gran tamaño. Si bien los motores paso a paso poseen un par muy elevado a bajas velocidades, la velocidad máxima y, por lo tanto, la potencia requerida para el 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 compatibilidad electromagnética (CEM), probablemente sea mejor evitarlo para esta aplicación en particular. Si bien sería una alternativa menos costosa que un sistema sin escobillas, podría presentar dificultades para cumplir con los rigurosos requisitos de CEM.

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

EL DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR ES SOLO EL PRINCIPIO

Este artículo presentó brevemente al diseñador las diversas consideraciones a tener en cuenta al 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 recogida y colocación de precisión multieje, será necesario analizar la carga de cada eje de forma independiente. Otra consideración, que no se aborda en 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 depende únicamente del tamaño del motor, sino también de otros elementos mecánicos, como la caja de cambios y el husillo. Otros factores, como la precisión de posicionamiento, la resolución, la repetibilidad, el balanceo, el cabeceo y la guiñada máximos, etc., son consideraciones importantes para garantizar que el sistema de movimiento lineal cumpla o supere los objetivos de la aplicación.