Una guía de selección de sistemas lineales

Accionadas por correa, por husillo de bolas, por cremallera y piñón, por motor lineal, por sistemas neumáticos.

Atrás quedaron los días en que los diseñadores y constructores de máquinas tenían que elegir entre construir su propio sistema lineal desde cero o conformarse con una gama limitada de sistemas premontados que, en la mayoría de los casos, se ajustaban imperfectamente a su aplicación. Hoy en día, los fabricantes ofrecen sistemas basados en una gama de mecanismos de accionamiento - tornillos de bolas, correas, cremalleras y piñones, motores lineales y neumáticos - con opciones de guía y alojamiento para adaptarse prácticamente a cualquier aplicación, entorno o limitación de espacio. El dilema para los ingenieros ahora no es tanto encontrar un sistema que funcione para su aplicación, sino más bien elegir la mejor solución entre la amplia gama de configuraciones disponibles.

Se han creado muchos asistentes para ayudar en este proceso de selección. Éstos suelen adoptar la forma de una tabla que muestra los parámetros clave de la aplicación en función del tipo de sistema, con símbolos para valorar la idoneidad de cada sistema para cada parámetro. Si bien esta disposición proporciona una referencia rápida y visual, pasa por alto algunos de los puntos más finos de las capacidades y debilidades de cada sistema. En un intento por profundizar un poco más, el siguiente esquema examina las fortalezas y limitaciones específicas de los tipos más comunes de sistemas lineales preensamblados.

Sistemas impulsados por correas

Los sistemas de transmisión por correa son probablemente más reconocidos por su capacidad de viajar a grandes distancias. También son capaces de alcanzar altas velocidades, ya que los mecanismos de transmisión por correa no utilizan elementos de recirculación. Cuando se combinan con guías no recirculantes, como rodillos de leva o ruedas, las correas pueden alcanzar típicamente velocidades de hasta 10 m/s. Los sistemas de transmisión por correa también son muy adecuados para entornos difíciles, ya que no hay elementos rodantes que puedan ser dañados por los desechos, y el material de la correa de poliuretano puede soportar los tipos más comunes de contaminación química.

El principal inconveniente de los sistemas accionados por correas es que las correas se estiran. Incluso las correas reforzadas con acero, que son usadas por la mayoría de los fabricantes de sistemas, eventualmente experimentarán algún estiramiento, lo que degrada la repetibilidad y la precisión de desplazamiento. Los sistemas accionados por correa también tienen más resonancia que otros tipos de accionamientos, debido a la elasticidad de la correa. Si bien una adecuada puesta a punto de la transmisión puede compensar esto, las aplicaciones con altas tasas de aceleración y desaceleración y/o cargas pesadas pueden experimentar tiempos de asentamiento indeseables.

Sistemas de accionamiento por husillo de bolas

Para altas cargas de empuje y alta precisión de posicionamiento, los sistemas accionados por husillos de bolas son generalmente la primera opción. Y por una buena razón. Con las tuercas precargadas, los husillos de bolas proporcionan un movimiento sin holguras y pueden lograr una muy alta precisión de posicionamiento y repetibilidad. Los cables que van desde 2mm a 40+ mm, también permiten que los sistemas de husillos de bolas cumplan con una amplia gama de requisitos de velocidad y pueden evitar el retroceso en aplicaciones verticales.

La longitud del recorrido es la limitación fundamental de los sistemas accionados por husillos de bolas. A medida que la longitud del tornillo aumenta, la velocidad permitida disminuye, debido a la tendencia del tornillo a hundirse bajo su propio peso y experimentar el azote. Los soportes de los husillos de bolas pueden ayudar a contrarrestar este efecto, pero a expensas del espacio y del coste global del sistema.

Sistemas impulsados por cremallera y piñón

Los sistemas de cremallera y piñón producen altas fuerzas de empuje y pueden hacerlo con longitudes de viaje virtualmente ilimitadas. Su diseño también permite utilizar varios carros en el mismo sistema, lo que resulta útil para aplicaciones que requieren que los carros se muevan de forma independiente, como los grandes sistemas de pórtico en las industrias del embalaje y la automoción.

Aunque se dispone de sistemas de cremallera de alta calidad y bajo retroceso, en general, tienen una precisión de posicionamiento inferior a la de otras opciones de accionamiento. Y dependiendo del perfil de los dientes y la calidad del mecanizado, los sistemas accionados por cremallera y piñón pueden producir un alto nivel de ruido cuando se comparan con otros sistemas lineales.

Sistemas de accionamiento con motor lineal

Tradicionalmente considerados demasiado caros para la mayoría de las aplicaciones, los motores lineales se utilizan ahora para tareas de posicionamiento y manipulación en industrias como el envasado y el montaje. La reducción de los costos ha contribuido a esta tendencia, pero para los ingenieros, las características atractivas de los motores lineales son su capacidad de alta velocidad, su alta precisión de posicionamiento y sus bajos requisitos de mantenimiento. Los motores lineales también ofrecen la capacidad, como los sistemas de cremallera y piñón, de integrar múltiples carros independientes en un sistema.

Debido a que no tienen componentes mecánicos para evitar que la carga caiga en una condición de pérdida de potencia, los motores lineales generalmente no se aconsejan para su uso en aplicaciones verticales. Su diseño abierto, junto con la presencia de potentes imanes, también los hace susceptibles a la contaminación y a los desechos, especialmente las virutas y los residuos metálicos.

Sistemas de accionamiento neumático

Cuando la fuente de transmisión de energía preferida es el aire, los sistemas lineales neumáticos encajan en la cuenta. Para un movimiento simple, punto a punto, los sistemas neumáticos pueden ser la opción más económica y fácil de integrar. La mayoría de los sistemas lineales neumáticos están encerrados en una carcasa de aluminio, lo que permite incorporar amortiguadores finales y cubiertas protectoras.

Los sistemas neumáticos tienen la menor precisión y rigidez de los tipos discutidos aquí, pero su principal limitación es la incapacidad de detenerse en posiciones intermedias.

Independientemente de su aplicación, cuando considere las opciones entre los sistemas lineales premontados, comience con los cuatro parámetros principales de la aplicación: carrera, carga, velocidad y precisión. Una vez determinada la magnitud e importancia de estos criterios, otros parámetros, como el ruido, la rigidez y los factores ambientales, pueden ayudar a reducir el campo y hacer que el dimensionamiento y la selección finales lleven menos tiempo.