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5 consideraciones mecánicas para los ingenieros eléctricos
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Intentar dimensionar y espaciar los componentes eléctricos antes de definir la mecánica puede llevar a una pérdida de tiempo y a un nuevo trabajo.
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Los sistemas mecatrónicos de alto rendimiento requieren una compleja interacción de sistemas eléctricos y mecánicos para realizar tareas cada vez más exigentes. ¿El problema? Los ingenieros mecánicos y los ingenieros eléctricos son a menudo educados dentro de su propia área de especialización y simplemente no comunican tanto como deberían al diseñar sistemas electromecánicos, una supervisión que puede conducir a costos más altos y un rendimiento menos confiable.
La mayoría de los ingenieros que participan en el dimensionamiento, selección y puesta en marcha de sistemas mecatrónicos encontrarán estos problemas tanto durante la fase de diseño como en el campo. Para ayudar a cerrar la brecha entre los ingenieros eléctricos y mecánicos, aquí hay cinco cosas importantes que los ingenieros eléctricos deben considerar en el diseño de los sistemas mecatrónicos.
Consideración #1: El costo total de propiedad lo es todo
No hace falta decir que los sistemas mecatrónicos deben ser diseñados para lograr el mejor rendimiento posible con el menor coste posible a largo plazo. Sin embargo, la necesidad de documentar el ahorro de costes anualmente (en lugar de durante la vida útil del sistema) puede ser una poderosa motivación para que los ingenieros busquen componentes menos costosos para mantener bajo el coste inicial del sistema mecatrónico.
De hecho, los componentes aparentemente simples que pueden parecer decisiones sencillas en ese momento pueden causar dolor de cabeza más tarde. Por ejemplo, el uso de acoplamientos de fuelle menos costosos entre el motor o la caja de engranajes y el eje de entrada del actuador son una opción perfectamente apropiada en muchas aplicaciones accionadas por motor paso a paso. De hecho, un acoplamiento ligeramente más esponjoso puede proporcionar una cierta cantidad de amortiguación en aplicaciones de recogida y colocación que mueven cargas más pesadas. El sacrificio, por supuesto, es la precisión, y en muchos sistemas mecatrónicos, que son típicamente impulsados por servomotores, es mejor usar acoplamientos tipo elastómero más rígidos.
El uso de acoplamientos menos costosos puede ahorrar dinero a corto plazo, pero si no se consigue la rigidez necesaria, rediseñar y reequipar el sistema de montaje del motor puede costar fácilmente tres o más veces el dinero que se ahorró inicialmente con el acoplamiento económico. Además, tendrá el costo adicional del tiempo de inactividad y la pérdida de producción, lo que no es una buena compensación. El Costo Total de Propiedad (TCO) es realmente la consideración más importante en el diseño de cualquier sistema mecatrónico, y los cuatro puntos restantes también contribuirán, en última instancia, a reducir el TCO.
Consideración #2: Siempre mire primero a los mecánicos
Es muy importante que los ingenieros eléctricos se involucren, o al menos entiendan, el diseño mecánico de un sistema mecatrónico antes de seguir adelante con el diseño eléctrico y los controles. Intentar dimensionar y especificar los componentes eléctricos antes de definir la mecánica puede llevar a la pérdida de tiempo y a la repetición del trabajo, ya que parámetros como la inercia y el par están muy influenciados por la elección de los componentes mecánicos.
Los ingenieros de Bosch Rexroth utilizan un sistema llamado LOSTPED para ayudarles a dimensionar y seleccionar los componentes mecánicos que mejor se adaptan a los requisitos de rendimiento de la aplicación. LOSTPED es simplemente un acrónimo que significa Carga, Orientación, Velocidad, Recorrido, Precisión, Medio Ambiente y Ciclo de Trabajo. En resumen, se trata de una revisión sistemática de todos los atributos de rendimiento y diseño que hay que tener en cuenta, siendo el objetivo final el diseño óptimo del sistema para cada aplicación.
No seguir este proceso puede resultar en sistemas mecánicos más grandes o más caros de lo necesario. Por ejemplo, si el OEM o el usuario final fuerza el diseño para acomodar un motor específico sin tener en cuenta los criterios de PERDIDA, es posible que se necesiten componentes mecánicos más grandes para manejar el par o la inercia del motor que los que realmente se necesitan para la aplicación. Lo mismo ocurre con los sistemas de control. Si un actuador accionado por husillo a bolas puede alcanzar una repetibilidad de 0,01 mm, es necesario asegurarse de que el encoder puede cumplir o superar esta especificación; de lo contrario, no se podrá aprovechar la precisión del husillo a bolas.
Es de naturaleza humana querer utilizar componentes que están en stock o con los que el usuario está familiarizado, como motores, accionamientos y controles que se han utilizado en otras máquinas, pero cada sistema merece su propia revisión para garantizar que los componentes y el sistema en general estén optimizados en cuanto a coste y rendimiento. De lo contrario, puede dejar dinero sobre la mesa o no obtener el rendimiento del sistema que necesita.
Consideración #3: No trate de meter una clavija cuadrada en un agujero redondo
El último ejemplo es lo suficientemente común como para que valga la pena enfatizarlo como una consideración importante por sí mismo: No trate de meter una clavija cuadrada en un agujero redondo. Muchos ingenieros eléctricos están familiarizados con determinados motores y accionamientos, o se ven presionados para ahorrar dinero utilizando componentes que ya tienen. Sin embargo, el uso de un motor físicamente demasiado grande puede causar problemas de montaje. Podría suministrar demasiado par para que el módulo lineal lo maneje (causando fallas mecánicas o roturas), o podría causar inercia y problemas de asentamiento.
Los asentamientos impredecibles pueden ser un problema particular en aplicaciones de precisión, como la dispensación, la inserción de pasadores o el montaje de precisión en aplicaciones médicas y de semiconductores. Si el motor está sobredimensionado y tiene demasiada inercia, el actuador puede tener dificultades para alcanzar la posición deseada, lo que resulta en tiempos de ciclo totales más largos de lo necesario.
Especialmente en aplicaciones de precisión, se debe intentar dimensionar los componentes mecánicos y eléctricos para conseguir una inercia lo más cercana posible a una inercia de 1 a 1. Mantener el consumo de energía al mínimo requerido para la aplicación también es importante para los clientes que buscan reducir su impacto ambiental y hacer que sus operaciones de fabricación sean más ecológicas.
Consideración #4: No te olvides del "imbécil"
"Jerk" es la velocidad de cambio de aceleración, o la acumulación de la aceleración del eje. Piensa en la sensación que sientes al despegar de la siguiente colina en una montaña rusa. Es la limitación del parámetro jerk (qué tan rápido estás acelerando) lo que te permite experimentar la aceleración de la montaña rusa sin desarrollar un latigazo cervical.
La aceleración es importante en las aplicaciones mecatrónicas para conseguir el movimiento deseado en el tiempo requerido, pero si el tirón (la velocidad a la que acelera el sistema) es demasiado alto, pueden producirse vibraciones y provocar una pérdida de posición o un desgaste prematuro de los componentes. Por otro lado, si los diseñadores del sistema eléctrico no consideran la magnitud de la sacudida requerida para la aplicación, el motor puede ser de tamaño insuficiente y no permitir el logro del rendimiento requerido.
Consideración #5: Los cables deben ser administrados
La gestión de cables es uno de los atributos que con más frecuencia se pasa por alto en los sistemas mecatrónicos. No cometa este error, puede ser costoso. Los cables y los rieles para cables requieren espacio físico, y el movimiento rápido y multieje a menudo requiere cables que puedan manejar curvas cerradas y altos ciclos de trabajo.
Particularmente cuando se diseña el sistema de gestión de cables, los requisitos teóricos de operación y espacio pueden ser muy diferentes de los que se requieren en el mundo real. Una vez instalado en la máquina o fábrica, el entorno activo del sistema puede incluir maquinaria adyacente, paredes de fábrica, postes o vigas y otras piezas o herramientas que causen interferencias con el sistema de gestión de cables. El alivio de tensión apropiado para los cables también es crítico porque los cables que están doblados y retorcidos más allá de sus especificaciones representan un peligro para la seguridad en forma de incendio o cortocircuitos.
Todo esto se traduce en un coste total de propiedad
El objetivo final en el diseño de cualquier sistema electromecánico debe ser lograr el rendimiento óptimo, mecánica y eléctricamente, para realizar el trabajo con el menor costo total. En el mundo real, muchos de estos sistemas son diseñados por equipos de ingenieros de ambas disciplinas, trabajando en tándem.
Este es el modelo ideal, pero con la disciplina de la mecatrónica siendo relativamente joven, los problemas aquí descritos ocurren con demasiada frecuencia, porque pocos ingenieros mecánicos o eléctricos tienen la experiencia o la comprensión de sus homólogos en la otra disciplina. Los cinco consejos anteriores tienen como objetivo ayudar a cerrar esta brecha y evitar sorpresas costosas, desagradables y que consumen mucho tiempo. ¿Y miles de dólares en ahorros a largo plazo al reducir el costo total de propiedad? ¿Quién puede oponerse a eso?