Cuando se trata de actuadores lineales, los dispositivos electromecánicos se están convirtiendo en la opción preferida frente a sus primos neumáticos debido a su velocidad, precisión y tamaño.

En los últimos años, las demandas de los gerentes de fábricas y empresas han aumentado para que se utilicen más actuadores eléctricos de varilla y menos actuadores neumáticos en los equipos de automatización de fábricas. Varios factores están impulsando esta conversión, pero los más importantes incluyen las crecientes necesidades de:

• Mejore el rendimiento de la máquina con actuadores electromecánicos capaces de alcanzar una mayor precisión.
• Reduzca el tamaño de los equipos con actuadores electromecánicos que requieren sólo aproximadamente una cuarta parte del espacio para generar el mismo empuje que los actuadores neumáticos.
• Utilice la energía de manera más eficiente, porque los actuadores electromecánicos no necesitan compresores de aire funcionando las 24 horas del día, los 7 días de la semana para mantener la presión.
• Reduzca el mantenimiento y el costo total de propiedad, porque los actuadores electromecánicos utilizan menos componentes, no requieren compresores y no sufren fugas de aire.

Una vez que se toma la decisión de reemplazar los actuadores neumáticos por tipos electromecánicos, el siguiente paso es seleccionar los actuadores electromecánicos adecuados entre las muchas marcas. Aunque las especificaciones de empuje fundamentales pueden ser similares, existen diferencias significativas en las áreas de rendimiento del ciclo de vida, mantenibilidad y resistencia ambiental.

En términos generales, cuanto mayor sea el diámetro del husillo de bolas, mayor será el potencial de empuje. Sin embargo, lograr esto requiere un acoplamiento adecuado del cojinete de empuje y todos los puntos de fijación, incluido el tubo de extensión, la tuerca de bola interior, la carcasa del cojinete y la carcasa del limpiaparabrisas. De lo contrario, cualquier aumento del empuje se produciría a expensas de la vida útil del sistema. Un componente demasiado débil para soportar su carga se desgastará mucho más rápido o incluso se dañará.

Se podrían tener dos actuadores, cada uno equipado con un husillo de bolas de 16 mm y que proporcione 750 N de empuje, y uno, por ejemplo, puede tener una vida útil de 2.000 km, mientras que el otro proporciona 8.000 km de recorrido. La diferencia radica en qué tan bien se acoplan entre sí el husillo de bolas y otros componentes.

Además, debido a los mayores diámetros de los husillos de bolas que se correlacionan con el costo y el espacio, el acoplamiento adecuado del husillo de bolas y otros componentes reduce ambos. Para cumplir con un requisito de aplicación de 3200 N de fuerza, un proveedor podría usar un husillo de bolas con un diámetro de 20 mm, mientras que otro proveedor, uno con componentes acoplados adecuadamente, podría lograr el mismo empuje con un tornillo de 12 mm de diámetro. Por lo tanto, este último husillo de bolas se puede reducir de tamaño sin sacrificar el rendimiento.

El acoplamiento correcto de los husillos de bolas con otros componentes afecta significativamente la vida útil del actuador y, cuando se combinan con el diseño del soporte, los dos factores tienen el mayor impacto en la precisión y la capacidad de carga. Otro objetivo del diseño del actuador es reducir el juego libre radial y lateral. Los factores que influyen en esto son el diámetro del cuerpo del soporte, la superficie de contacto y el uso de patas de apoyo. Un cuerpo portador más grande, por ejemplo, soporta cargas radiales externas más grandes al maximizar el área de superficie de contacto en situaciones de carga lateral. La capacidad de cargar actuadores eléctricos de forma lateral aumenta el rendimiento, la precisión y la compacidad a un nivel que no se puede alcanzar con actuadores neumáticos o hidráulicos.

Aunque maximizar las superficies mejora la capacidad de carga radial y lateral, no necesariamente ayuda a la estabilidad. Esto a menudo se soluciona bloqueando las patas elevadas en canales ranurados (tres en la imagen de arriba). Estas patas de apoyo reducen las vibraciones, que pueden añadir ruido y contribuir al desgaste. La mayoría de los diseños utilizan una o dos de estas crestas, lo que elimina algo de juego, pero puede generar sonidos de clic a medida que el sistema comienza a desgastarse con el tiempo. Sin embargo, el uso de cuatro patas en lugar de dos reduce el desgaste y el ruido, proporcionando una protección antirrotación más eficaz y duradera. Además, las patas adicionales garantizan un movimiento de retorno sin adherencias, lo que reduce aún más el juego debido al desgaste.

Además, curvar estas patas de soporte hacia afuera crea una precarga radial, lo que reduce el juego en el tubo de empuje. También centra el cuerpo del soporte y la tuerca de bolas, eliminando la necesidad de calzar el soporte en la extrusión y compensando el desgaste durante la vida útil del dispositivo. Mantener todo alineado reduce la cantidad de veces que se debe calibrar el actuador para lograr un par de inactividad constante.

Las tolerancias estrechas son fundamentales para reducir el desgaste y el ruido. Pero si no hay ningún espacio de aire, la presión aumenta cuando los actuadores funcionan a altas velocidades. Esto provoca un sobrecalentamiento, lo que contribuye a problemas de lubricación y otros problemas de durabilidad. Para solucionar este problema, haga que dos de las características clave masculinas de las patas del soporte sean más bajas que las dos restantes; ese es el enfoque que adopta Thomson con muchos de sus actuadores. Esto proporciona suficiente espacio para evitar que se acumule presión. Como se ve en la imagen de arriba, dos de las características clave masculinas situadas ortogonalmente en las patas del soporte son más bajas que las dos restantes.

Mantenibilidad

La facilidad de mantenimiento afecta el rendimiento del ciclo de vida y contribuye a los beneficios de productividad. Los actuadores electromecánicos se diferencian por la lubricación y el manejo del motor. La mayoría de los actuadores se retraen para exponer parcialmente las piezas entre un 60% y un 70% para su lubricación. Los técnicos quitan las tapas, localizan las piezas que necesitan lubricación, agregan grasa y es posible que deban repetir este proceso.

Sin embargo, un mejor enfoque es extender o retraer el tubo por completo, dejando al descubierto todos los componentes para una exposición máxima. Esto permite a las empresas utilizar la lubricación automatizada. Además, el uso de un engrasador eliminaría la necesidad de quitar el tapón, simplificando aún más el mantenimiento.

El mantenimiento también se puede acelerar si se elimina el tiempo necesario para acoplar el motor con el actuador mecánico. Tradicionalmente, montar el motor en una configuración paralela lleva de 20 a 25 minutos. Una vez que se está montando el motor, un técnico debe usar una variedad de herramientas para ajustarlo y lograr la tensión y alineación adecuadas de la correa. Esto requiere al menos 12 pasos.

Sin embargo, si el actuador viene con una solución paralela preensamblada, la correa se puede pretensar durante el ensamblaje, lo que elimina la necesidad de ajustes de tensión en varios pasos: el motor se puede atornillar y utilizar en solo tres pasos. Para el montaje en línea, los beneficios de una solución preensamblada son similares, aunque no tan espectaculares.

Además, el uso de rodamientos montados a horcajadas elimina el riesgo de desalineación. También protege el eje del motor de cargas radiales, lo que reduce el ruido y prolonga aún más la vida útil del actuador.

Resistencia ambiental

Los actuadores electromecánicos se diferencian por su capacidad para soportar condiciones adversas, el medio ambiente y frecuentes lavados a alta presión. Esto depende del perfil exterior, la elección del material y los métodos de sellado.

Los perfiles con superficies lisas son más limpios que las superficies ranuradas porque no acumulan polvo ni líquidos. Por lo tanto, son más apropiados para entornos hostiles cuando se requieren lavados frecuentes. Sin embargo, tener un exterior elegante podría tener una desventaja. Si se utiliza en aplicaciones que requieren accesorios de sensores, es posible que sea necesario un complemento de plástico adicional para conectar el sensor.

La resistencia ambiental también depende de la composición del material del tubo de extensión. La mayoría de los sistemas utilizan acero cromado, pero el acero inoxidable es una opción mucho mejor para entornos hostiles.

Un indicador clave de resistencia al medio ambiente es el Código de Protección de Ingreso (IP). Una clasificación IP de 65, por ejemplo, significa que el dispositivo es a prueba de polvo y está protegido contra chorros de agua a baja presión desde cualquier dirección, como podría encontrarse en una operación de lavado en la industria de alimentos y bebidas. Sólo unos pocos actuadores eléctricos cumplen con esta clasificación, pero en entornos corrosivos es fundamental. Una clasificación IP de 54 proporciona cierta protección contra salpicaduras de agua y menos del 100% de protección contra el polvo, lo que lo hace aceptable para algunas aplicaciones de lavado, pero no si hay presión involucrada. Una clasificación IP de 40, que es común entre los actuadores lineales, implica que no hay protección contra polvo o líquidos.

Las clasificaciones IP más altas dependen principalmente del uso de mejores sellos. Thomson, por ejemplo, sella todos los compartimentos, incluidos los soportes del motor, en sus actuadores electromecánicos. Todas las juntas también deben sellarse y extenderse hasta el motor en lugar de detenerse en la placa de montaje.

La próxima generación de control de movimiento

A medida que aumentan las demandas del mercado de mayor productividad, tiempos de cambio más cortos, mayor confiabilidad, mayores ahorros de energía y menores costos de mantenimiento y operación, cada vez más diseñadores y usuarios finales están cambiando a actuadores electromecánicos en lugar de neumáticos. Para maquinaria que requiere un control de movimiento sofisticado, los actuadores electromecánicos son prácticamente la única alternativa. Pero incluso para tareas simples de movimiento lineal, los diseñadores y usuarios de control de movimiento se inclinan hacia la actuación eléctrica debido a un mantenimiento menor o más sencillo, un mayor ahorro de energía y un funcionamiento más limpio.

Es posible obtener beneficios aún mayores comparando cuidadosamente diferentes marcas de actuadores eléctricos. Siempre interprete la “capacidad de carga” en el contexto de los requisitos de espacio y vida útil del sistema. Hay verdaderas compensaciones en estas áreas. El diseño del transportador afecta la precisión, así como las capacidades de carga lateral y giratoria, por lo que se debe prestar mucha atención a cómo se asegura el transportador en el canal y a la forma y tamaño de los mecanismos de guía.

Mecanismos y piezas mejorados, como patas de apoyo y diseños de patas, que pueden curvarse para un mejor agarre, mejorarán la precisión y el desgaste. Y el perfil exterior adecuado, la elección de materiales y la estrategia de sellado son factores clave para la resistencia ambiental. Los perfiles más lisos, los materiales de acero inoxidable y las clasificaciones de IP más altas tienden a ofrecer la mayor protección.