Los sistemas de movimiento lineal se encuentran dentro de innumerables máquinas, incluidos sistemas de corte por láser de precisión, equipos de automatización de laboratorio, máquinas de fabricación de semiconductores, máquinas CNC, automatización de fábricas y muchas otras, demasiado numerosas para enumerarlas. Van desde algo relativamente simple, como un actuador de asiento económico en un vehículo de pasajeros, hasta un complejo sistema de coordenadas multieje completo con electrónica de control y accionamiento para posicionamiento en 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 período de tiempo específico.

Una de las preguntas más habituales a la hora de 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 en el sistema y superar el efecto de la gravedad, todo ello manteniendo una temperatura operativa máxima segura. El par, la velocidad, la potencia y la capacidad de posicionamiento del motor son función del diseño del motor, junto con el accionamiento y el control.

¿CON QUÉ MOTOR DEBO EMPEZAR?

Hay muchas preguntas de aplicación que se deben considerar al diseñar un sistema de movimiento lineal utilizando una tecnología de motor particular. Una explicación exhaustiva de todo el proceso está fuera del alcance de este artículo. La intención es hacerle pensar en hacer las preguntas correctas cuando hable con un proveedor de motores.

No existe el mejor motor para cada aplicación, sino el mejor motor para una aplicación en particular. En la gran mayoría de 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 hay necesidad de traslación a través de un husillo de avance/husillo de bolas, una caja de cambios o un sistema de poleas. Aunque se puede lograr la máxima precisión, repetibilidad y resolución de posicionamiento con servosistemas lineales de accionamiento directo sin núcleo, son los de 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 necesita algún medio de conversión “rotativo a lineal” (y, como resultado, conversión de potencia) para impulsar la carga.

Los motores paso a paso, con escobillas y sin escobillas se consideran motores de CC; sin embargo, existen sutilezas que harán que un ingeniero prefiera un tipo sobre los otros dos en una aplicación particular. Cabe destacar que esta elección depende en gran medida de los requisitos de diseño del sistema, no sólo en términos de velocidad y par, sino también de los requisitos de precisión de posicionamiento, repetibilidad y resolución. No existe un motor perfecto para cada aplicación y todas las decisiones requerirán compensaciones en el diseño. En el nivel más básico, todos los motores, ya sean llamados AC o DC, con escobillas, sin escobillas o cualquier otro motor eléctrico, operan bajo el mismo principio de la física para generar torque: la interacción de campos magnéticos. Sin embargo, existen diferencias dramáticas 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 de la geometría del circuito magnético inherente al diseño físico del motor, el control del voltaje y la corriente de entrada por parte del controlador/variador y el método de retroalimentación de velocidad o posición, si el la aplicación requiere.

Las tecnologías de motor paso a paso de CC, servo con escobillas y servomotor sin escobillas utilizan una fuente de alimentación de CC para alimentarlas. Para aplicaciones de movimiento lineal, esto no significa que se pueda aplicar una fuente fija de CC directamente a los devanados del motor; Se necesita electrónica para controlar la corriente del devanado (relacionada con el par de salida) y el voltaje del 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 la carga y la rapidez con la que la masa debe atravesar desde el punto A al punto B. El tipo, tamaño y diseño mecánico del motor comienzan con la potencia (vatios) necesaria para mover la carga. Comenzando con la carga y, finalmente, pasando por todos los componentes hasta la fuente de alimentación del variador, el análisis consta de una serie de pasos para comprender la conversión de energía de una parte del sistema a la otra, considerando al mismo tiempo las diversas eficiencias de los componentes intermedios. Los vatios en forma de voltaje y corriente que ingresan al variador se traducirán en última instancia en vatios de salida mecánica que mueven una carga determinada en un período de tiempo específico.

Para obtener una indicación de la potencia de salida necesaria en la carga, un simple cálculo de potencia ayudará a estimar un motor. Después de comprender la potencia de salida promedio necesaria, termine de analizar los requisitos de potencia volviendo al motor y pasando por los distintos elementos de conversión de potencia. Conviene 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. 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 nuevamente 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 media 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 potencia requerida en el eje del motor será algo mayor y dependerá de los demás componentes utilizados en el sistema, como la caja de cambios y el tornillo de avance.

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 desaceleración, la potencia instantánea durante el perfil de movimiento será algo mayor; 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 alrededor de 37 W de potencia máxima para realizar el trabajo. Esta información, junto con otras especificaciones de aplicaciones, ahora le ayudará a elegir la tecnología de motor más adecuada.

¿QUÉ TECNOLOGÍA DE MOTOR DEBO CONSIDERAR?

Una excelente capacidad de posicionamiento y controles relativamente simples llevarían a un diseñador a considerar primero la posibilidad de utilizar un motor paso a paso. Sin embargo, un motor paso a paso no cumpliría con el requisito de una huella mecánica pequeña y al mismo tiempo cumpliría con 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, los requisitos de potencia del perfil de movimiento exceden la capacidad de todos los motores paso a paso, excepto los más grandes.

Un servomotor de CC con escobillas cumpliría con los requisitos de carga, ocuparía un espacio mecánico pequeño y tendría una rotación muy suave a bajas velocidades; sin embargo, debido a los estrictos requisitos de EMC, probablemente sea mejor evitar el motor del cepillo 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 los estrictos requisitos de EMC.

El motor de CC sin escobillas que utiliza un sistema de accionamiento sinusoidal sería la primera opción para cumplir con todos los requisitos de la aplicación, incluido el perfil de carga y movimiento (alta densidad de potencia); movimiento suave y sin engranajes a bajas velocidades; y una pequeña huella mecánica. En este caso, todavía existirá la posibilidad de que se produzca una firma EMI debido a la conmutación de alta frecuencia de la electrónica del variador; sin embargo, esto se puede mitigar utilizando filtrado en línea debido a una banda de frecuencia más estrecha. Un motor de CC con escobillas exhibe una firma EMI de banda más amplia, lo que hace que su filtrado sea más difícil.

EL TAMAÑO DEL MOTOR ES SÓLO EL COMIENZO

Este artículo fue una breve discusión para presentarle al diseñador varias consideraciones al elegir una tecnología de motor para una aplicación de movimiento lineal relativamente simple. Aunque los principios son idénticos para un sistema más complejo como una mesa XY o un mecanismo de recogida y colocación de precisión de múltiples ejes, será necesario analizar la carga de cada eje de forma independiente. Otra consideración fuera del alcance de este artículo es cómo elegir un factor de seguridad apropiado para cumplir con la vida útil deseada del sistema (número de ciclos). La vida útil del sistema no es sólo una función del tamaño del motor, sino también de otros elementos mecánicos del sistema, como la caja de cambios y el conjunto del tornillo guía. Otros factores, como la precisión del 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.