Los clientes exigen equipos más pequeños y con menor mantenimiento, así como una mayor rapidez en la producción y la puesta en marcha de las máquinas. Para satisfacer estas necesidades, los fabricantes de equipos están optando por el movimiento servocontrolado en lugar de los componentes mecánicos.

El control de movimiento define las capacidades y limitaciones de una máquina. Por lo tanto, para maximizar su rendimiento y flexibilidad, y reducir el mantenimiento, a menudo es necesario actualizar el sistema de control de movimiento de la máquina. La mayoría de las razones para migrar de diseños y dispositivos de control tradicionales a servocontrol se deben a la obtención de uno o más de los siguientes beneficios:

• Aumentar el rendimiento. Los servomotores producen altas tasas de aceleración y velocidades.
• Aumentar la precisión. Los servomotores pueden ofrecer la alta precisión necesaria para procesar una pieza que se mueve rápidamente.
• Mayor flexibilidad. Los servomotores ofrecen versiones electrónicas de componentes tradicionalmente mecánicos. Por ejemplo, los perfiles de leva electrónicos se pueden modificar casi instantáneamente. Los perfiles de movimiento programables se adaptan a diferentes tamaños y configuraciones de producto. Las relaciones de transmisión electrónicas se pueden ajustar para adaptarse a distintas velocidades de máquina. Además, gracias al engranaje electrónico, los motores se pueden colocar en cualquier lugar que resulte conveniente para la aplicación, ya que eliminan la necesidad de ejes, engranajes y correas largas.

Además, un único eje de transmisión eléctrico puede conectarse a un número prácticamente ilimitado de ejes. En máquinas con múltiples configuraciones, esto significa que los ejes de movimiento adicionales no requieren conexiones mecánicas adicionales.

Los servomotores también aportan flexibilidad gracias a la mayor información disponible. Por ejemplo, muchos controladores de servomotores almacenan un historial de fallos y errores que facilita la resolución de problemas. La mayoría de los sistemas de servomotores también pueden mostrar diagramas tipo osciloscopio para el análisis del rendimiento. • Reducen el mantenimiento. Los servomotores ayudan a reducir el número de piezas mecánicas en una máquina. Los engranajes electrónicos sustituyen a las correas. Las levas electrónicas no se ven afectadas por el desgaste. Los interruptores de límite electrónicos no necesitan reajustes ni sustituciones periódicas.

Los servos requieren cierto estudio y experiencia. Si eres nuevo en el control de servos, prepárate para dedicar tiempo a seleccionar y configurar tu primer sistema. (Nota sobre la terminología de servos: la palabra controlador tiene varios usos. El sistema omovimientoEl controlador normalmente ejecuta el programa que controla el movimiento; elmotorEl controlador controla unomotorPara evitar confusiones, nos referiremos a los controladores de motor como variadores.

dimensionamiento y selección de aplicaciones

Seleccionar y dimensionar componentes servo puede parecer complejo debido a la cantidad de componentes: motores, variadores, controlador y la posibilidad de un PC industrial o un PLC. Si tiene experiencia en mecánica, esto puede resultar intimidante. Afortunadamente, existen empresas —proveedoras de componentes e integradoras de sistemas de control— que ofrecen paquetes con estos componentes y asistencia para su aplicación. Tanto si decide hacerlo usted mismo como si compra un paquete, el proceso básico es el siguiente:

Primero, seleccione el motorPara seleccionar un motor, comience eligiendo su forma. Los motores con una relación de aspecto grande (largos y de diámetro pequeño) son los más comunes. Pueden ser cuadrados o redondos y ofrecen una excelente relación calidad-precio. Los motores de disco (cortos y de diámetro grande) se adaptan a espacios reducidos y proporcionan una alta aceleración gracias a sus rotores de baja inercia. Ambos tipos de motores están disponibles en versiones selladas y no selladas.

Los motores sin carcasa o integrales separan el rotor del estátor para su integración en la máquina. Estos motores permiten un diseño compacto y mejoran el funcionamiento de accionamiento directo al aumentar la precisión y reducir las vibraciones.

Los motores lineales, que sustituyen a los motores rotativos convencionales y a los mecanismos de accionamiento asociados, generan movimiento lineal directamente. Pueden aumentar simultáneamente el rendimiento y la precisión varias veces.

Dimensionamiento del motorEl tamaño del motor se basa principalmente en el par: máximo y continuo. Dimensionar motores puede ser complejo y los errores pueden no detectarse hasta las últimas etapas del desarrollo. Dado que aumentar el tamaño del motor en ese punto puede resultar difícil, es recomendable incluir un margen de seguridad en los cálculos. Si no tiene experiencia en este proceso, lo más conveniente es consultar con los ingenieros de aplicaciones de las empresas fabricantes de motores.

Seleccione la retroalimentaciónLos dispositivos de retroalimentación más comunes son los encoders y los resolvers. Los encoders son dispositivos ópticos que generan una secuencia de pulsos. El número de pulsos es proporcional al desplazamiento angular. Ofrecen una alta precisión, especialmente a altas resoluciones. Los resolvers son dispositivos electromecánicos que detectan la posición absoluta dentro de una revolución del motor y se caracterizan por su robustez. Elija el que mejor se adapte a su aplicación.

Tras seleccionar el tipo de sensor de retroalimentación, deberá elegir su resolución. Generalmente, un codificador de 1000 líneas o, equivalentemente, un resolver de 12 bits, proporcionarán la resolución suficiente. Ambos generan aproximadamente 4000 posiciones diferentes por revolución, lo que equivale a una resolución de unos 0,1 grados. Sin embargo, si su aplicación requiere una mayor resolución, deberá seleccionar el sensor adecuado. Precaución: es importante diferenciar entre resolución y precisión. Muchos servomotores ofrecen resolución seleccionable para la retroalimentación del resolver; sin embargo, la precisión (normalmente entre 10 y 40 minutos de arco) puede no verse afectada.

Seleccione la unidadConsidere si prefiere una fuente de alimentación modular (independiente) o integrada en el variador. Con tres o más variadores de la misma familia en proximidad, las fuentes de alimentación modulares funcionan bien. Con un solo eje, las fuentes de alimentación integradas suelen ser la mejor opción. Con dos ejes, ambas soluciones son prácticamente iguales.

Si piensa alojar la unidad en una carcasa, tenga en cuenta que los tamaños de las unidades varían considerablemente y pueden afectar al tamaño total del equipo. Dependiendo del tamaño de la carcasa, también deberá considerar distintas opciones de refrigeración.

Conmutación sinusoidal frente a seis pasos

La forma de onda de potencia que llega al motor desde el variador suele presentarse de dos maneras: de seis pasos y sinusoidal. En la onda sinusoidal, la corriente generada por el variador se aproxima a una onda sinusoidal. Esto produce un par más uniforme y reduce el calentamiento. El método de seis pasos genera una onda cuadrada de seis segmentos mediante electrónica sencilla. Si bien es más económico, el método de seis pasos presenta un funcionamiento irregular a bajas velocidades.

Flexibilidad de ajusteEl ajuste, el proceso de seleccionar las ganancias en los bucles de realimentación, es esencial para un alto rendimiento y un funcionamiento estable. Antiguamente, el ajuste era más un arte que una ciencia. Ahora, los servomotores modernos ofrecen numerosas herramientas para ayudar a los diseñadores de máquinas. El autoajuste (o auto-ajuste), proceso mediante el cual el servomotor excita el sistema mecánico y genera un conjunto de ganancias de bucle, es prácticamente un estándar. La mayoría de los servomotores se ajustan con ganancias digitales, por lo que no necesitará un soldador ni un potenciómetro (un destornillador pequeño). Puede que solo necesite los métodos más complejos ocasionalmente, pero tenerlos disponibles le brinda más opciones.

Los variadores analógicos pueden ser más económicos, pero es posible que necesites ajustar los bucles de histéresis mediante potenciómetros o cambiando componentes pasivos. Sea cual sea tu elección, la puesta a punto forma parte del proceso de aprendizaje y requiere estudio y experimentación.

Comunicación de impulsoMuchos variadores utilizan una señal analógica para transmitir las órdenes de velocidad y par. Sin embargo, la comunicación digital está ganando popularidad, ya que reduce el cableado y aumenta la flexibilidad del sistema. Muchos variadores son compatibles con redes como DeviceNet, Profibus y una nueva red específica para el control de movimiento llamada Sercos.

VoltajeTenga en cuenta que la alimentación de 110 V CA puede ser difícil de conseguir en la planta de producción. En Europa, es común utilizar 460 V CA; el uso de variadores de 230 V CA puede requerir un transformador en las máquinas destinadas al extranjero. Lamentablemente, los variadores de 460 V CA pueden ser costosos. Una alternativa es la fuente de alimentación universal, que utiliza semiconductores de potencia para convertir los niveles de voltaje. En sistemas con fuentes de alimentación modulares, una sola fuente de alimentación universal puede utilizar cualquier voltaje entre 230 y 480 V CA para alimentar varios ejes de 230 V CA.

Un último punto a considerar: al utilizar solo un pequeño número de familias de accionamientos en una máquina, se simplifica la lista de repuestos.

Seleccione el controlador

Al seleccionar el controlador, elija entre uno de un solo eje o de varios ejes. Los controladores de un solo eje integran en un solo paquete un controlador de movimiento, un variador y, a menudo, una fuente de alimentación. En sistemas de uno o dos ejes, estos controladores pueden reducir el coste, el tamaño, el cableado y la complejidad del sistema.

Los controladores multieje suelen ser más adecuados para sistemas complejos. En primer lugar, generalmente reducen los costes, sobre todo a medida que aumenta el número de ejes. En segundo lugar, simplifican el sistema, ya que un solo programa puede controlar todo el movimiento. Estos controladores también ofrecen mayor flexibilidad de sincronización, puesto que permiten que cualquier eje se conecte con cualquier otro y que dicha conexión se modifique durante la ejecución del programa.

Tras seleccionar el controlador, deberá elegir entre una configuración de «caja» o de «placa». La configuración de caja es un controlador encapsulado que puede funcionar de forma autónoma. Los controladores de placa se conectan a ordenadores industriales. Si la máquina ya dispone de un ordenador industrial, una placa compatible puede reducir costes y mejorar la integración del control y la máquina. Si no tiene previsto utilizar un ordenador industrial, el controlador en caja suele ser más fácil de instalar.

Evaluar el conjunto de características

Finalmente, evalúe las características del controlador. Considere las funciones analizadas hasta ahora: engranajes, levas, registro de alta velocidad e interruptores de límite programables. La mayoría de los controladores ofrecen estas características de alguna forma, pero es necesario comparar las especificaciones con las necesidades de su aplicación. ¿Necesita cambiar las relaciones de transmisión durante el funcionamiento? ¿Necesita modificar los perfiles de las levas sobre la marcha? ¿Qué precisión de registro requiere? ¿Requiere un cambio de velocidad o de posición objetivo durante el funcionamiento? ¿El controlador admite suficientes ejes para esta aplicación? ¿Será compatible con futuras versiones de su máquina?

Gestionar los costos

El coste de los servocomponentes suele ser superior al de los componentes mecánicos que sustituyen. Sin embargo, algunos factores importantes mitigan este coste más elevado. Por ejemplo, la eliminación de dispositivos mecánicos complejos puede reducir el coste total y el tamaño de la máquina, lo que puede aumentar el valor del sistema. El servocontrolador a menudo sustituye a un PLC; en este caso, se puede compensar el coste total de la conversión a servocontroladores. La mayor flexibilidad puede reducir el número de modelos de máquinas o procesos necesarios para producir una línea de producción, lo que disminuye los costes de fabricación.

Consideraciones generales

Más allá de las funciones de movimiento, hay otras preguntas que plantearse. ¿Es el lenguaje capaz de soportar sus procesos? ¿Es tan complejo que requerirá un tiempo excesivo para aprenderlo? ¿Admite el producto la multitarea? La multitarea, una técnica que permite escribir programas distintos para diferentes procesos, simplifica la programación de máquinas complejas.

Todas estas preguntas pueden ser difíciles de responder, sobre todo si no tiene experiencia en control electrónico de movimiento. La mayoría de las empresas que ofrecen controladores brindan un buen soporte. Durante el proceso de selección, haga muchas preguntas. Esto no solo le ayudará a evaluar el producto, sino también el soporte. Por último, tenga en cuenta las futuras actividades de desarrollo de su empresa. Elija proveedores que puedan ofrecer productos y soporte ahora y en los próximos años.