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 industrial y muchas otras. Abarcan desde sistemas relativamente simples, como un actuador de asiento económico en un vehículo, hasta complejos sistemas de coordenadas multieje con electrónica de control y accionamiento para posicionamiento en bucle cerrado. Sin importar la simplicidad o complejidad del sistema de movimiento lineal, en su nivel más básico, todos tienen algo en común: mover 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 que cumpla con las exigencias de aceleración de la carga, supere la fricción del sistema y 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 escapa al alcance de este artículo. El objetivo es que usted reflexione sobre cómo formular las preguntas adecuadas al hablar con un proveedor de motores.

No existe un motor ideal para todas las aplicaciones, sino más bien el motor óptimo 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, evitando la necesidad de conversión de potencia mecánica; no se requiere traslación a través de un husillo de bolas, una caja de engranajes o un sistema de poleas. Si bien se puede lograr la máxima precisión, repetibilidad y resolución de posicionamiento con sistemas servo lineales de accionamiento directo sin núcleo, estos son los más costosos y complejos 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 medio 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 sutilezas que pueden llevar a un ingeniero a preferir un tipo sobre los otros dos en una aplicación particular. Es importante 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 implican concesiones de 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 notables en la forma en que estas diversas tecnologías de motores responden en aplicaciones particulares. 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 inherente al diseño físico del motor, el control de la tensión 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 de los devanados (relacionada con el par de salida) y la tensión de los devanados (relacionada con la velocidad de salida). A continuación, se presenta un resumen de 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 del punto A al punto B. El tipo, tamaño y diseño mecánico del motor se basan en la potencia (vatios) necesaria para mover la carga. Partiendo de la carga y analizando todos los componentes hasta llegar a la fuente de alimentación, 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. La potencia (en vatios), tanto en forma de voltaje como de corriente, que llega al variador se traduce finalmente en potencia mecánica de salida, moviendo una carga determinada en un tiempo específico.

Para obtener una indicación de la potencia de salida necesaria en la carga, un cálculo de potencia sencillo ayudará a estimar el tamaño del motor. Tras comprender la potencia de salida promedio requerida, complete el análisis de los requisitos de potencia retrocediendo hasta el motor y repasando los distintos elementos de conversión de potencia. Se deben consultar los datos del fabricante para tener en cuenta la eficiencia de los diferentes componentes, ya que esto determinará en última instancia el tamaño del motor y la fuente de alimentación. La elección de las unidades de medida es una cuestión de preferencia personal, pero se recomienda encarecidamente el Sistema Internacional de Unidades (SI). Trabajar con unidades del SI evita tener que recordar múltiples constantes de conversión, y el resultado final siempre se puede convertir de nuevo 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 necesaria para mover la carga servirá como 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. Si se consideran 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 W para realizar la tarea. Esta información, junto con las demás especificaciones de la aplicación, ayudará a elegir la tecnología de motor más adecuada.

¿QUÉ TECNOLOGÍA DE MOTORES 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 compacto y, al mismo tiempo, con las exigencias de carga. Una potencia máxima requerida de 37 vatios exigiría un motor paso a paso de gran tamaño. Si bien los motores paso a paso poseen un par motor muy elevado a bajas velocidades, la velocidad máxima y, por lo tanto, la potencia requerida para el perfil de movimiento, supera 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 las estrictas normas de compatibilidad electromagnética (CEM), probablemente sea mejor evitar un motor con escobillas para esta aplicación en particular. Esta sería una alternativa menos costosa en comparación con un sistema sin escobillas, pero podría presentar dificultades para cumplir con las estrictas normas de CEM.

El motor de CC sin escobillas con sistema de accionamiento sinusoidal sería la mejor 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 compacto. En este caso, aún existe la posibilidad de interferencia electromagnética (EMI) debido a la conmutación de alta frecuencia de la electrónica de 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 banda de EMI más amplia, lo que dificulta su filtrado.

EL DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR ES SOLO EL COMIENZO

Este artículo ofrece una breve introducción a las diversas consideraciones para la selección de una tecnología de motor en una aplicación de movimiento lineal relativamente sencilla. Si bien los principios son idénticos para sistemas más complejos, como una mesa XY o un mecanismo de recogida y colocación de precisión multieje, cada eje deberá analizarse de forma independiente en cuanto a su carga. Otro aspecto que queda fuera del alcance de este artículo es cómo elegir un factor de seguridad adecuado para garantizar 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 engranajes y el husillo. Otros factores, como la precisión de posicionamiento, la resolución, la repetibilidad, el balanceo, el cabeceo y la guiñada máximos, etc., son fundamentales para asegurar que el sistema de movimiento lineal cumpla o supere los objetivos de la aplicación.