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Revolucionando el control de movimiento con motores lineales

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los sistemas de motor lineal constan de 9 componentes principales.

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Etapa XYZ Módulo de motor lineal Robot de pórtico

Los motores lineales han redefinido lo que es posible en el control de movimiento con un rendimiento más rápido, más preciso y más fiable en comparación con los actuadores lineales tradicionales accionados por motores rotativos. La propiedad única de un motor lineal es que la carga se mueve sin componentes mecánicos de transmisión de potencia. En su lugar, la fuerza lineal generada por el campo magnético de la bobina del motor se acopla directamente a la carga. Esto elimina los dispositivos mecánicos que convierten el movimiento rotativo en lineal, mejorando así la vida útil, la precisión, la velocidad y el rendimiento general del sistema.

A medida que crece la demanda de mayor productividad, mayor calidad del producto, rapidez en el tiempo de desarrollo y menores costes de ingeniería, la adopción de la tecnología de motores lineales es cada vez más popular aprovechando los diseños de motores lineales modulares. Se encuentran en metrología, sistemas de corte de precisión, equipos de fabricación de semiconductores y electrónica, manipulación de obleas, litografía, sistemas de inspección por visión, equipos y dispositivos médicos, sistemas de pruebas, aeroespacial y defensa, automatización de líneas de montaje, aplicaciones de impresión y embalaje, y muchas otras aplicaciones que requieren un alto rendimiento y un movimiento lineal de gran precisión.

Los componentes del diseño de un motor lineal deben mecanizarse y ensamblarse con procesos de alta precisión y repetibilidad. La alineación correcta de estas piezas es fundamental y requiere un diseño detallado y una gran habilidad de montaje.

Hoy en día, la nueva generación de motores lineales modulares ha cambiado las reglas del juego. Los motores lineales modulares llave en mano pueden atornillarse fácilmente a un sistema y están listos para funcionar inmediatamente, lo que reduce considerablemente el tiempo de ingeniería. Ahora, los ingenieros pueden aprovechar las potentes ventajas de la tecnología de motores lineales modulares en el diseño de sus máquinas en cuestión de días, en lugar de meses o incluso años.

Los sistemas de motor lineal constan de nueve componentes principales:

1. Una placa base

2. Una bobina de motor

3. Una pista magnética permanente (normalmente imanes de neodimio)

4. Un carro que conecta la bobina del motor a la carga

5. Carriles de rodamientos lineales por los que se guía el carro y que conectan con la base

6. Un codificador lineal para retroalimentación de posición

7. Topes finales

8. Una cadena portacables

9. Fuelles opcionales para proteger la pista magnética, el codificador y las guías lineales de la contaminación ambiental.

BUCLE DE CONTROL

Los componentes del diseño de un motor lineal deben mecanizarse y ensamblarse con procesos de alta precisión y repetibilidad. La alineación correcta de estas piezas es fundamental y requiere un diseño detallado y una gran habilidad de montaje. Por ejemplo, la pista magnética y la bobina móvil del motor deben estar planas, paralelas y montadas con un determinado espacio de aire entre ellas. La bobina móvil se desplaza sobre un carro conectado a raíles de rodamientos lineales de precisión paralelos por encima de la pista magnética. El encóder de posición con escala lineal y cabezal de lectura es otra parte crítica de un motor lineal que exige procedimientos de alineación adecuados y un diseño de montaje robusto para soportar aceleraciones de hasta 5 Gs. Con los motores lineales modulares, estos detalles ya se tienen en cuenta y están prediseñados de fábrica.

Los sistemas de motores lineales modulares como el que se muestra se utilizan cuando se necesita un movimiento lineal preciso, de alta velocidad y repetible. El sistema es una alternativa a los husillos de bolas, las correas y los actuadores de piñón y cremallera.

Para controlar el movimiento del motor lineal se utilizan sofisticados controladores de movimiento y servoaccionamientos. Los motores lineales presentan una clara ventaja en cuanto a rigidez y respuesta en frecuencia. En determinados rangos de frecuencia, presentan una rigidez que supera a la de los husillos de bolas tradicionales en un notable factor de 10 o más. Con este atributo, los motores lineales pueden gestionar anchos de banda de lazo de velocidad y posición elevados con una precisión impresionante, incluso con perturbaciones externas. A diferencia de los husillos de bolas, que suelen encontrar frecuencias de resonancia entre 10 y 100 Hz, los motores lineales funcionan a frecuencias más altas, situando sus resonancias mucho más allá del ancho de banda del bucle de posición.

Sin embargo, la supresión de la transmisión mecánica tiene su contrapartida. Los componentes mecánicos, como los husillos de bolas, ayudan a reducir las perturbaciones de las fuerzas de la máquina, las frecuencias de resonancia naturales o las vibraciones entre ejes. Su eliminación deja a los motores lineales directamente expuestos a tales perturbaciones. En consecuencia, la compensación de estas perturbaciones pasa a ser responsabilidad del controlador de movimiento y la electrónica de accionamiento, que deben abordarlas de frente, actuando directamente sobre el servoeje. Aquí es donde entran en juego los sofisticados algoritmos de movimiento en bucle cerrado de hoy en día para eliminar las resonancias y proporcionar un control del bucle de posición extraordinario.

En el ámbito de los actuadores lineales, los motores lineales ofrecen una destreza técnica excepcional. La capacidad de los motores para exhibir una rigidez superior y funcionar a frecuencias más altas los diferencia de las alternativas tradicionales. Al desafiar las frecuencias de resonancia y mantener una alta precisión incluso en presencia de perturbaciones externas, los motores lineales ofrecen una solución convincente.

No obstante, la ausencia de transmisión mecánica requiere estrategias de compensación sólidas para contrarrestar las perturbaciones y garantizar el rendimiento y la fiabilidad continuos del sistema. Las frecuencias de muestreo del controlador de movimiento para los bucles de velocidad y posición suelen comenzar en 5 kHz. Un eje de motor lineal puede tener un ancho de banda de bucle de posición entre cinco y diez veces superior al de un eje de motor rotativo convencional, en el que son aceptables frecuencias de 1 ó 2 kHz. Algunos controladores de movimiento actuales pueden alcanzar frecuencias de muestreo de 20 kHz o superiores, lo que permite un control de realimentación de velocidad ultrarrápida y un control de trayectoria ultrapreciso.

Dado que la mayoría de los fabricantes de motores lineales modulares también son expertos en servo y control de movimiento, también se han tenido muy en cuenta muchos de los retos que plantean los bucles de control y las resonancias mecánicas, y se ofrecen soluciones y herramientas para mitigarlos.

APLICACIÓN DEL MOTOR LINEAL

Hace años adquirí una valiosa experiencia en el uso de motores lineales con un equipo de ingenieros que se embarcaron en un proyecto revolucionario: crear la primera máquina de corte por láser del mundo basada en motores lineales. El uso de motores lineales era la solución perfecta para revolucionar el sector, ya que las tecnologías tradicionales de actuadores lineales accionados por servomotores rotativos no podían ofrecer las altas prestaciones de los motores lineales.

Implementar la tecnología no fue tarea fácil. A medida que nos adentrábamos en el proyecto, nos dimos cuenta de que nuestra aplicación requería unas especificaciones de rendimiento de los motores lineales que no estaban disponibles en el mercado. Sin desanimarnos, decidimos diseñar motores lineales específicos para nuestra aplicación.

Nos enfrentamos a numerosos retos, ya que necesitábamos mover un sistema de pórtico de 1.000 libras a una velocidad rápida de 2,5 m/s con una aceleración de 1,5 G, lo que significaba que teníamos que diseñar un motor lineal que pudiera producir fuerzas extremas. Nuestro equipo perseveró, dedicando incontables horas a la investigación y el desarrollo hasta que finalmente ideamos un motor lineal que pudiera satisfacer las exigencias de nuestra máquina de corte por láser. Fue un momento de orgullo cuando por fin vimos nuestros motores lineales en acción 14 meses después, impulsando el sistema de pórtico con una velocidad, facilidad y precisión increíbles. El rendimiento alcanzado no tenía precedentes. Es sorprendente pensar cuánto más rápido se podría haber completado nuestro concepto de máquina si entonces hubiéramos dispuesto de motores lineales modulares llave en mano".

La tecnología de los motores lineales ha evolucionado enormemente desde que nos embarcamos en el diseño de motores lineales en los años 90. Con la introducción de nuevos diseños modulares, el potencial de innovación y progreso en el diseño de movimiento y motores lineales es mayor que nunca. Los motores lineales modulares están redefiniendo lo que es posible, con capacidades de control de movimiento más rápidas, precisas y fiables que pueden desplegarse rápidamente para beneficiar a una amplia gama de aplicaciones en muchas industrias.