{{{sourceTextContent.title}}}

Sistemas de accionamiento lineal: Producción de piezas de precisión en el sector aeroespacial a la máquina herramienta

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Hay muchas diferencias entre los accionamientos gemelos de cremallera tradicionales, los diseños basados en el piñón partido y los sistemas de piñón rodado.

{{{sourceTextContent.description}}}

Desde la industria aeroespacial hasta la máquina herramienta, pasando por el corte de vidrio y la medicina, los procesos de fabricación dependen de un control de movimiento fiable. Los sistemas de accionamiento lineal servocontrolados proporcionan la velocidad y la precisión necesarias para estas aplicaciones.

Una configuración común combina los servocontroles con un piñón y una cremallera tradicionales. Este último puede requerir una holgura entre la cremallera y los dientes del engranaje para evitar atascos y un desgaste excesivo, o bien los cambios ambientales (como un cambio de temperatura de 10°) pueden bloquear el sistema al expandirse los dientes del engranaje. Por otra parte, la holgura da lugar a un juego, que equivale a un error.

Problemas de holgura en piñones dobles y divididos

En las aplicaciones de precisión, una solución típica a los problemas de holgura es añadir un segundo piñón que tire en la otra dirección, en contra del primer sistema, para que actúe como control.

Una iteración de esta idea es utilizar un piñón partido. En este caso, el piñón se corta por la mitad lateralmente, con un muelle colocado entre las dos mitades. Cuando el piñón dividido se mueve a lo largo de una cremallera, la primera mitad del piñón empuja en un lado de un diente de la cremallera y la otra mitad en el siguiente diente de la cremallera. De este modo, la configuración del piñón partido elimina el juego y el error.

En este caso, dado que sólo la mitad del piñón realiza el trabajo, mientras que la otra mitad actúa como control, la capacidad de par es limitada. Además, como la dinámica del accionamiento debe superar la fuerza del muelle, se producen pérdidas de movimiento, lo que disminuye la eficiencia global. Mientras se mueve bajo aceleración, el muelle también puede ceder ligeramente, degradando la precisión del movimiento. Por último, cuando el piñón se detiene para realizar una operación, como la perforación, el sistema de muelles del piñón puede flexionarse ligeramente, en lugar de permanecer rígido.

Otra solución de holgura consiste en un sistema de piñón doble. En esta disposición, dos piñones separados se mueven a lo largo de la misma cremallera. Los piñones actúan en forma de maestro/esclavo, con el piñón principal (maestro) realizando el posicionamiento, y el segundo (esclavo) contrarrestando el juego. Por lo general, los piñones se controlan electrónicamente, por lo que se mantiene la precisión y los ajustes de control se pueden ajustar para compensar el desgaste del sistema.

¿Cuál es el problema? Los sistemas de doble piñón pueden ser costosos, ya que los diseñadores suelen tener que comprar un segundo motor, un piñón y una caja de cambios. También hay que aumentar el espacio de diseño: Un segundo motor requiere más longitud para ejecutar el accionamiento. Por ejemplo, si un usuario necesita que el sistema de control de movimiento se desplace hacia adelante y hacia atrás un metro, se necesita una longitud de cremallera de 1,2 o 1,3 m para acomodar el segundo piñón, que va de 200 a 300 mm detrás del primero. Por último, el coste de alimentar dos motores es considerable a lo largo de un ciclo de vida de diseño típico de cinco a diez años.

El funcionamiento sin holgura de los accionamientos de piñón de rodillo es adecuado para aplicaciones de carrera larga, como esta máquina de fresado.

Otra opción: Piñones de rodillos

La tecnología de piñón de rodillos incluye un piñón compuesto por rodillos apoyados en rodamientos que se acoplan a una cremallera con un perfil de dientes personalizado. Dos o más rodillos se conectan con los dientes de la cremallera en oposición en todo momento, para ofrecer una mayor precisión que los sistemas de accionamiento de piñón dividido y piñones: En resumen, cada rodillo se aproxima a cada cara del diente en una trayectoria tangente, y luego rueda hacia abajo de la cara para un funcionamiento de baja fricción con más del 99% de eficiencia en la conversión de movimiento rotativo a lineal.

El piñón de rodillos se compone de rodillos apoyados en rodamientos que engranan un perfil de diente personalizado.

El diseño no tiene ningún muelle que pueda colapsar y degradar la precisión, y no se pierde eficiencia al superar la fuerza de un muelle. Además, la acción de los rodillos no requiere ninguna holgura, por lo que se eliminan las holguras y los errores. Por el contrario, en un sistema tradicional de cremallera, un diente de piñón debe empujar un lado del diente de la cremallera y pasar instantáneamente al siguiente lado del diente.

Un piñón de rodillos flanquea diferentes dientes simultáneamente, situándose a caballo entre un lado de un diente y otro. No se necesita un segundo piñón para contrarrestar el primero; un piñón transmite con precisión la capacidad de par necesaria.

Los diseños basados en piñones de rodillos también prolongan la vida útil y reducen el mantenimiento. En aplicaciones más lentas, el sistema puede funcionar sin lubricación. Las cremalleras tradicionales se desgastan con el tiempo y requieren una compensación de la precisión posicional y del par, pero los piñones de rodillos mantienen la precisión. Los piñones de ambos diseños requieren una sustitución periódica, pero al menos en comparación con los piñones gemelos, los costes generales de sustitución de un piñón de rodillos son menores.

Ejemplos de aplicación

Consideremos la producción de grandes paneles de fuselaje de aviones. Esta aplicación puede requerir una gran longitud de recorrido y una alta precisión en máquinas de tipo pórtico. Los accionamientos de piñón de rodillo proporcionan un posicionamiento lineal preciso en estas largas distancias.

Por el contrario, la precisión posicional de los piñones y cremalleras tradicionales puede ser insuficiente debido a los requisitos de holgura; una holgura mínima mantiene la precisión en longitudes de recorrido cortas, pero el diseño puede ser caro de fabricar e instalar en distancias largas. También puede implementarse un sistema de doble piñón (con dos piñones precargados uno contra otro), pero es costoso y normalmente tampoco permite la holgura variable que se produce en las distancias largas.

Otro uso común de un sistema de doble piñón es el posicionamiento de un cabezal de corte en una fresadora de fibra de vidrio. Aunque el accionamiento de doble piñón puede funcionar bien inicialmente en esta aplicación, la combinación de polvo de fibra de vidrio y la constante fricción de deslizamiento creada por el piñón opuesto puede causar un desgaste prematuro. Al utilizar un sistema de piñón de rodillo, que utiliza la rodadura en lugar del deslizamiento, la esperanza de vida puede aumentar en un 300% o más.

También se puede utilizar una versión rotativa del sistema de rodillo-piñón para realizar un posicionamiento multieje. En este caso, varios piñones (que se mueven de forma independiente) se montan en un engranaje. El diseño utiliza menos espacio que los accionamientos de doble piñón que a veces se utilizan en estas aplicaciones.