FAQ sobre sistemas lineales - Conceptos básicos para ingenieros de diseño

Sistema de guía de robot de pórtico de movimiento lineal CNC para agricultura.

En este artículo se explican los aspectos básicos del diseño de un sistema lineal, incluidos el sistema de soporte estructural, la tecnología de guiado, la tecnología de accionamiento y la estanquidad, la lubricación y los accesorios. En primer lugar, se analizarán los pros y los contras de las distintas tecnologías, como los accionamientos por husillo de rosca, los accionamientos por husillo de bolas, los accionamientos por correa, las guías de bolas, las guías deslizantes y las guías de ruedas. A continuación, el artículo analiza las ventajas e inconvenientes de diseñar y construir un sistema lineal propio frente a configurar un sistema a partir de componentes estándar. Por último, el artículo describirá un proceso web paso a paso para dimensionar y seleccionar un sistema lineal basado en componentes estándar económicos.

Los componentes básicos de un sistema lineal son el sistema de soporte estructural, el sistema de accionamiento, el sistema de guiado, la estanqueidad, la lubricación y los accesorios. El componente principal del sistema de soporte estructural suele ser una extrusión de aluminio disponible en longitudes de hasta 12 metros. La superficie de montaje de la base puede mecanizarse para aplicaciones que requieren un posicionamiento preciso. Las extrusiones de base para aplicaciones de transporte de menor precisión no suelen mecanizarse. Las bases utilizadas en aplicaciones de transporte están optimizadas para resistir la flexión bajo carga y la distorsión durante el proceso de extrusión, lo que permite apoyar el sistema sólo en los extremos.

Los principales tipos de guías son las guías de bolas, las guías de ruedas y las guías deslizantes o prismáticas. Las guías de bolas soportan grandes cargas útiles de hasta 38.000 Newtons (N) y grandes cargas de momento de hasta 27,60 Newton metros (Nm). Otras ventajas de las guías de bolas son su baja fricción y alta rigidez. Las guías de bolas están disponibles en configuraciones de uno o dos raíles. Los puntos débiles de las guías de bolas son su coste relativamente elevado y sus altos niveles de ruido. Una ventaja clave de las guías de rueda es su capacidad para funcionar a velocidades excepcionalmente altas, de hasta 10 metros por segundo (m/s). Las guías de rueda también ofrecen una baja fricción y una rigidez muy elevada. Por otro lado, las guías de rueda tienen una resistencia relativamente baja a las cargas de choque. Las guías de deslizamiento utilizan casquillos de polímero en forma de prisma que discurren directamente sobre la superficie del perfil para ofrecer un funcionamiento muy silencioso y soportar elevadas cargas de choque. Una ventaja clave de las guías de deslizamiento es su capacidad para funcionar en entornos contaminados. Las guías de deslizamiento tienen menor velocidad y capacidad de carga que las guías de bolas o de ruedas.

Las tecnologías de accionamiento más populares son los husillos de bolas, los husillos de avance y las correas. El accionamiento por husillo de bolas consiste en un husillo de bolas y una tuerca de bolas con rodamientos de bolas recirculantes. Los husillos de bolas rectificados y precargados proporcionan una precisión de posicionamiento excepcionalmente alta. La carga sobre el husillo de bolas se distribuye entre un gran número de rodamientos de bolas, de modo que cada bola está sometida a una carga relativamente baja. El resultado es una alta precisión absoluta de 0,005 mm, una elevada capacidad de empuje de hasta 40 KN y una gran rigidez. La precisión absoluta se define como el error máximo entre la posición prevista y la real. Los husillos a bolas suelen ofrecer un rendimiento mecánico del 90%, por lo que su mayor coste suele compensarse con una menor demanda de energía. La velocidad crítica de un husillo de bolas viene determinada por el diámetro de la raíz del husillo, la longitud sin soporte y la configuración del soporte final. Los soportes de husillos de bolas permiten utilizar unidades accionadas por husillo de hasta 12 metros de carrera y 3.000 rpm de velocidad de entrada. Los accionamientos de husillo no pueden igualar la precisión de posicionamiento absoluta de los accionamientos de husillo de bolas, pero proporcionan una excelente repetibilidad de 0,005 mm. La repetibilidad se define como la capacidad de un sistema de posicionamiento para volver a una posición durante el funcionamiento cuando se aproxima desde la misma dirección a la misma velocidad y tasa de deceleración. Los accionamientos de husillo se utilizan en aplicaciones de posicionamiento de ciclo de trabajo bajo a medio y funcionan con bajos niveles de ruido. Las transmisiones por correa se utilizan en aplicaciones de transporte de alta velocidad y alto rendimiento con velocidades de hasta 10 m/s y aceleraciones de hasta 40 m/s2 . Tanto el sistema de guiado como el de accionamiento suelen requerir lubricación. El fácil acceso a los racores de lubricación simplifica el mantenimiento preventivo. Un método eficaz es el uso de racores Zerk en el carro que alimentan una red a través de la cual se lubrican tanto el husillo de bolas como el sistema de rodamientos lineales durante la instalación y en intervalos de mantenimiento periódicos. El sistema de guía del prisma no requiere mantenimiento. Además de la lubricidad inherente al polímero, hay rascadores de fieltro lubricados que reponen lubricante en cada carrera. La tecnología de sellado es importante en muchas aplicaciones. Una junta de banda magnética consiste en una banda magnética de acero inoxidable accionada por resorte para mantener la tensión. Los dos extremos se fijan a las placas extremas del sistema y la banda de cubierta o banda de sellado se conduce a través de una cavidad en el carro. A medida que los carros recorren la longitud del sistema, la banda se levanta de los imanes para permitir el paso del carro.

Una tecnología de sellado alternativa, las bandas de cobertura de plástico utilizan una banda de goma que se encaja con la extrusión de base, actuando de forma muy similar a una bolsa Ziploc. Los perfiles machihembrados crean una junta laberíntica muy eficaz para evitar la entrada de partículas. Los soportes de motor flexibles simplifican la integración de los sistemas lineales en conjuntos automatizados. Los usuarios sólo tienen que solicitar un soporte de motor NEMA estándar o proporcionar información de montaje específica para su motor o facilitar el nombre y el número de pieza del fabricante del motor. La carcasa y el acoplamiento se mecanizan a partir de piezas en bruto comunes para que coincidan con las características clave del motor del cliente: tamaño del perno y diámetro del círculo de pernos en la brida del motor; diámetro del piloto del motor; y diámetro y longitud del eje del motor. Esto permite montar fácilmente las guías, en horizontal, vertical, inclinada o invertida, en casi cualquier motor, con alineación garantizada.

No todas las combinaciones de tipo de accionamiento y tipo de guía tienen sentido. Los siete grupos tecnológicos que se utilizan en aplicaciones prácticas son: accionamiento por husillo y guía de bolas, accionamiento por husillo y guía de deslizamiento, accionamiento por husillo y guía de bolas, accionamiento por husillo y guía de deslizamiento, accionamiento por correa y guía de bolas, accionamiento por correa y guía de deslizamiento, y accionamiento por correa y guía de ruedas. Los diagramas de araña muestran los puntos fuertes y débiles de cada una de estas tecnologías. La tecnología de accionamiento por husillo y guía de bolas ofrece alta repetibilidad, gran rigidez y capacidad para manejar fuerzas y momentos elevados. Se utiliza en aplicaciones de posicionamiento de precisión con cargas y ciclos de trabajo elevados, como el sistema lineal utilizado para cargar y descargar piezas brutas de engranajes en una máquina herramienta. Las unidades accionadas por correa y guiadas por bolas están diseñadas para aplicaciones de alta velocidad y aceleración con cargas pesadas y elevados momentos de carga. Este grupo tecnológico es adecuado para aplicaciones que abarcan un espacio y se apoyan en los extremos o de forma intermitente. Una aplicación típica es la paletización de latas. Los sistemas lineales accionados por correa y guiados por guías proporcionan una velocidad y una capacidad de aceleración moderadas. Las guías deslizantes pueden gestionar cargas de impacto, pero están algo limitadas en sus velocidades lineales. Esta combinación proporciona una solución rentable y silenciosa que requiere poco mantenimiento. La adición de una banda de recubrimiento magnética hace que esta solución sea ideal para entornos con un alto contenido de partículas y requisitos de lavado, como una aplicación de tratamiento por pulverización de chapas metálicas. Las unidades accionadas por correas y guiadas por ruedas proporcionan una alta velocidad lineal y capacidad de aceleración junto con un coste moderado, un bajo nivel de ruido y unos requisitos de mantenimiento relativamente bajos. Una aplicación típica son las máquinas de envasado y llenado.

¿Fabricar o comprar? A la hora de decidir si fabricar o comprar un sistema lineal, es importante tener en cuenta el tiempo y los conocimientos técnicos necesarios para diseñar un sistema lineal. El diseño de un sistema incluye cálculos de ingeniería como la vida útil de los rodamientos lineales y radiales, la vida útil del husillo de bolas, la velocidad crítica del husillo de bolas, la deflexión del perfil de soporte, la selección de la lubricación, el diseño de la cubierta, etc. El planteamiento de sobredimensionar el sistema lineal para reducir el tiempo de diseño tiene el inconveniente de que el coste y la envolvente aumentan y sigue siendo necesaria una ingeniería básica para asegurarse de que no se ha pasado por alto nada básico. Al comprar sistemas lineales, habrá ocasiones en las que los productos de catálogo estándar no cumplan los requisitos de la aplicación. En este caso, las modificaciones significativas de los productos estándar o los diseños de hoja en blanco son alternativas viables. Un socio con una amplia gama de productos y capacidades de ingeniería puede trabajar con usted para resolver su problema ahorrando tiempo y dinero y acelerando el ciclo de desarrollo.