Un servomotor con engranajes puede ser útil para la tecnología de movimiento rotatorio, pero existen desafíos y limitaciones que los usuarios deben tener en cuenta.
Por: Dakota Miller y Bryan Knight
Objetivos de aprendizaje
- Los sistemas servo rotativos reales no alcanzan el rendimiento ideal debido a limitaciones técnicas.
- Existen varios tipos de servomotores rotativos que pueden ofrecer ventajas a los usuarios, pero cada uno presenta un desafío o una limitación específica.
- Los servomotores rotativos de accionamiento directo ofrecen el mejor rendimiento, pero son más caros que los motorreductores.
Durante décadas, los servomotores con engranajes han sido una de las herramientas más comunes en la automatización industrial. Estos servomotores ofrecen aplicaciones de posicionamiento, igualación de velocidad, control electrónico de levas, bobinado, tensado y apriete, y adaptan eficientemente la potencia del servomotor a la carga. Esto plantea la siguiente pregunta: ¿es un servomotor con engranajes la mejor opción para la tecnología de movimiento rotatorio, o existe una solución mejor?
En un mundo ideal, un servomotor rotativo tendría valores de par y velocidad que se ajusten a la aplicación, de modo que el motor no sea ni demasiado grande ni demasiado pequeño. La combinación de motor, elementos de transmisión y carga debería tener una rigidez torsional infinita y juego cero. Desafortunadamente, los servomotores rotativos reales no alcanzan este ideal en mayor o menor medida.
En un sistema servo típico, el juego mecánico se define como la pérdida de movimiento entre el motor y la carga causada por las tolerancias mecánicas de los elementos de transmisión; esto incluye cualquier pérdida de movimiento en cajas de engranajes, correas, cadenas y acoplamientos. Cuando se enciende una máquina, la carga se encuentra dentro del rango de tolerancias mecánicas (Figura 1A).
Antes de que el motor pueda mover la carga, debe girar para eliminar la holgura de los elementos de transmisión (Figura 1B). Cuando el motor comienza a desacelerar al final del movimiento, la posición de la carga puede adelantarse a la del motor, ya que la inercia la desplaza más allá de esta última.
El motor debe compensar la holgura en sentido contrario antes de aplicar par a la carga para desacelerarla (Figura 1C). Esta pérdida de movimiento se denomina juego mecánico y se mide normalmente en minutos de arco, equivalentes a 1/60 de grado. Las cajas de engranajes diseñadas para su uso con servomotores en aplicaciones industriales suelen tener especificaciones de juego mecánico que oscilan entre 3 y 9 minutos de arco.
La rigidez torsional es la resistencia a la torsión del eje del motor, los elementos de transmisión y la carga ante la aplicación de un par motor. Un sistema infinitamente rígido transmitiría el par a la carga sin desviación angular alrededor del eje de rotación; sin embargo, incluso un eje de acero macizo se torsionará ligeramente bajo una carga pesada. La magnitud de la desviación varía según el par aplicado, el material de los elementos de transmisión y su forma; intuitivamente, las piezas largas y delgadas se torcerán más que las cortas y gruesas. Esta resistencia a la torsión es lo que permite el funcionamiento de los resortes helicoidales, ya que al comprimir el resorte, cada vuelta del alambre se tuerce ligeramente; un alambre más grueso produce un resorte más rígido. Cualquier rigidez torsional inferior al infinito provoca que el sistema actúe como un resorte, lo que significa que se almacenará energía potencial en el sistema a medida que la carga se resista a la rotación.
La rigidez torsional finita y el juego mecánico, combinados, pueden degradar significativamente el rendimiento de un servomotor. El juego mecánico introduce incertidumbre, ya que el codificador del motor indica la posición del eje, no el punto donde la carga se ha estabilizado. Además, genera problemas de ajuste, dado que la carga se acopla y desacopla brevemente del motor al invertir su dirección relativa. Por otro lado, la rigidez torsional finita almacena energía al convertir parte de la energía cinética del motor y la carga en energía potencial, liberándola posteriormente. Esta liberación retardada de energía provoca oscilaciones en la carga, induce resonancia, reduce las ganancias de ajuste máximas utilizables y afecta negativamente la capacidad de respuesta y el tiempo de estabilización del servomotor. En todos los casos, reducir el juego mecánico y aumentar la rigidez del sistema mejora el rendimiento del servomotor y simplifica su ajuste.
Configuraciones de servomotores de eje rotatorio
La configuración más común de un eje rotatorio consiste en un servomotor rotatorio con un codificador integrado para la retroalimentación de posición y una caja de engranajes que adapta el par y la velocidad disponibles del motor al par y la velocidad requeridos por la carga. La caja de engranajes es un dispositivo de potencia constante que constituye el análogo mecánico de un transformador para la adaptación de carga.
Una configuración de hardware mejorada utiliza un servomotor rotativo de accionamiento directo, que elimina los elementos de transmisión al acoplar directamente la carga al motor. Mientras que la configuración con motorreductor utiliza un acoplamiento a un eje de diámetro relativamente pequeño, el sistema de accionamiento directo atornilla la carga directamente a una brida de rotor mucho mayor. Esta configuración elimina la holgura y aumenta considerablemente la rigidez torsional. El mayor número de polos y los devanados de alto par de los motores de accionamiento directo igualan las características de par y velocidad de un motorreductor con una relación de 10:1 o superior.
Fecha de publicación: 12 de noviembre de 2021
