Los beneficios de integrar movimiento multieje de alta velocidad en un solo eje que a menudo se pasan por alto
Cuando los diseñadores de sistemas de movimiento necesitan un movimiento complejo, de alta velocidad y de múltiples ejes, es posible que primero piensen en brazos robóticos elaborados y preempaquetados. O bien, si solo necesitan unos pocos ejes, podrían pensar en configurar un perfil separado o un riel redondo para cada eje. Pero entre esas opciones se esconde la tecnología del estriado de bolas, sencilla y probada, aunque a menudo olvidada. Esta solución de movimiento multieje existe desde hace años y sigue siendo muy relevante para muchos de los esquemas de movimiento complejos actuales. Las estrías de bolas utilizan una arquitectura única que integra el movimiento rotatorio y lineal en un solo eje, lo que les otorga más flexibilidad para implementar esquemas de movimiento complejos en espacios más reducidos y proporciona una oferta 2 por 1 en control de movimiento. (Figura 1)
Figura 1. Los ejes estriados de Thomson, que permiten un movimiento lineal y giratorio sobre un eje simple, ofrecen alta confiabilidad y expectativas de vida útil en variadas condiciones de funcionamiento. (La imagen es cortesía de Thomson Industries, Inc.)
Integración de movimiento rotatorio y lineal
Las estrías de bolas permiten la traducción del movimiento tanto lineal como rotacional. Esto se logra mediante la implementación de un eje común para realizar dos movimientos independientes. (Figura 2) Al observarlo, el eje incluirá ranuras axiales rectificadas llamadas “estrías” a lo largo de su longitud. Esta disposición también incluirá una tuerca estriada que se desliza a lo largo de las ranuras axiales del suelo y bloquea el movimiento de rotación o las cargas de momento radial. Cada tuerca está sostenida por un cojinete y, generalmente, por un punto de anclaje común, como un tubo redondo que está fijado a un soporte sostenido por el mecanismo. Cada tuerca será accionada independientemente por un motor (normalmente accionado por correa) encargado de controlar su respectivo eje de movimiento.
Para impulsar la rotación axial, se gira la tuerca del eje estriado de bolas. Esta tuerca alberga una serie de bolas que permiten el libre movimiento a lo largo del eje (es decir, la tuerca puede deslizarse a lo largo del eje con una fricción mínima). Al girar, estas mismas bolas aplican una fuerza perpendicular al eje a través de las ranuras cortadas, y lo rotan.
Para impulsar el movimiento lineal, el eje estriado se mueve hacia adelante o hacia atrás mediante un actuador lineal, como un pistón hidráulico, neumático o eléctrico. A medida que la tuerca estriada se mueve a lo largo del eje, los cojinetes de bolas ruedan dentro de las ranuras. Rodar en lugar de deslizarse tiene un menor coeficiente de fricción y desgaste y permite un movimiento lineal suave y preciso y velocidades más altas. Los cojinetes de bolas circulan dentro de la tuerca, y proporcionan un contacto rodante continuo con el eje.
Debido al anclaje/soporte, esta disposición también es muy resistente a la carga de torsión (es decir, el eje resiste la rotación a menos que sea impulsado por el motor). Si se aplica una carga de torsión externamente al eje mientras se extiende, se retrae o está estacionario, este es sostenido por la tuerca estriada y resistirá esa carga. Además de una oferta de movimiento “2 por 1” en el eje, esta característica es igualmente importante por su utilidad en el diseño de aplicaciones.
Lograr esto en un solo eje tiene numerosos beneficios. Proporciona una mejor utilización del espacio; aumenta la capacidad de carga, la velocidad y la precisión con una fricción insignificante; y mejora la durabilidad con un mantenimiento mínimo.
Figura 2. Al permitir el movimiento tanto lineal como rotatorio en un solo eje, las estrías de bolas brindan una serie de beneficios a los diseños robóticos, que incluyen mayor compacidad, capacidad de carga, velocidad y precisión. (La imagen es cortesía de Thomson Industries, Inc.)
Mejor utilización del espacio
Al comprimir varios ejes en uno, los ejes estriados son mucho más eficientes en términos de espacio que las soluciones de cojinetes tradicionales. Este diseño se traduce en menos componentes y piezas móviles y una mayor capacidad de carga dentro de ese espacio de lo que sería posible con cojinetes lineales comparables.
Alta capacidad de carga
Las ranuras amplias y de precisión aumentan las capacidades de carga y mejoran la rigidez y la resistencia para manejar cargas de momento más grandes, hasta el doble que los conjuntos de rodamientos tradicionales. Las estrías de bolas también distribuyen más carga a lo largo del eje. Esto les permite soportar cargas más elevadas que los rodamientos tradicionales, que pueden estar más sujetos a concentraciones de tensión localizadas. Las estrías de bolas también son mejores con cargas descentradas, como las que son comunes en aplicaciones de cambio de herramientas y de recogida y colocación.
Fricción despreciable
El sistema de guía de bolas proporciona un movimiento casi sin fricción a través del contacto preciso con los puntos tangenciales de las bolas rodantes guiadas por las ranuras del eje estriado y la pista dentro de la tuerca.
Velocidades más altas
Las estrías de bolas solo necesitan pequeñas fuerzas para desplazar la tuerca estriada axialmente mientras transmiten torque y minimizan la fricción. Esto contribuye a un aumento de velocidad de aproximadamente el 20 por ciento respecto a un husillo de bolas tradicional y a un funcionamiento más suave. Las estrías de bolas pueden soportar velocidades de hasta 2 m/s.
Precisión exacta
Los ejes estriados ofrecen alta precisión y exactitud en el posicionamiento, lo que los hace ideales para aplicaciones donde se requiere un control preciso. El juego cero garantiza que no haya juego rotacional ni pérdida de movimiento al cambiar de dirección. Las estrías de bolas mantienen esta precisión y baja fricción incluso bajo cargas pesadas, lo que garantiza un movimiento preciso y constante.
Fácil instalación y mantenimiento
La instalación es fácil, y generalmente requiere un orificio preliminar y agujeros de montaje perforados y roscados para asegurar la tuerca con brida, o un orificio preliminar y una ranura para una tuerca redonda. La simplicidad de su diseño hace que sea más fácil solucionar problemas y mantener los estriados de bolas. El equipo de mantenimiento puede simplemente extraer la estría del eje, lubricarla y volver a colocarla, a diferencia de los mayores requisitos de mantenimiento de los rieles de perfil y los tornillos de bolas.
Alta durabilidad
Los ejes estriados tienen una vida útil más larga en comparación con algunos rodamientos tradicionales debido al aumento de los puntos de contacto de los rodamientos de bolas, lo que reduce la tensión y aumenta la capacidad de carga. Cuanto menor sea la tensión sobre las bolas, más pesada será la carga que podrán soportar y, al mismo tiempo, resistirán el desgaste y proporcionarán un rendimiento constante a lo largo del tiempo.
Las estrías de bolas a menudo se pueden diseñar con sellos y cubiertas protectoras que protegen los cojinetes de bolas de contaminantes como polvo y residuos, lo que extiende aún más su vida útil. La arquitectura del eje estriado tiene una capacidad de carga segura desde cualquier ángulo, a diferencia de un rodamiento radial, en el que las bolas deben colocarse de manera adecuada y minuciosa para equilibrar la carga.
Ahorro de costes
El ahorro inicial es sustancial para esta forma alternativa de realizar los dos ejes de movimiento, y los ahorros se multiplican en el caso de volúmenes mayores. En comparación con los sistemas multieje empaquetados, los ejes estriados son significativamente menos costosos. También son más económicos que los conjuntos de rieles de perfil debido a su pequeño número de componentes y menos partes móviles. Ofrecen una mejor resistencia a la carga de momento por el precio y requieren menos preparación de la superficie para su instalación. En comparación con los conjuntos de rieles redondos, el costo de los estriados de bolas es similar, pero ocupan menos espacio y tienen menos ejes. Y mirando a largo plazo, menos componentes necesitarían mantenimiento, por lo que se obtendrían ahorros de tiempo y costos.
Aplicaciones
Los diseñadores de movimiento que integran movimiento lineal y rotatorio deberían evaluar la tecnología de estrías de bolas para ver si configurarlas en el mismo eje sería beneficioso. A continuación se muestran algunos ejemplos de aplicaciones en automatización de fábricas, transporte, atención médica e investigación que han aprovechado la funcionalidad del sistema estriado de bolas:
Automatización de fábricas
- Conjunto de selección y colocación repetible, como posicionamiento de objetos semiconductores de alta velocidad en el que un brazo toma de la etapa de ensamblaje, gira y coloca en otra.
- Posicionamiento de herramientas CNC en operaciones de mecanizado y fresado.
- Equipos de envasado para un control preciso de los mecanismos de llenado y tapado.
Transporte público
- Controles de la aeronave, como el despliegue de los flaps y el ajuste del acelerador.
- Vehículos militares para facilitar la rotación, la elevación del arma y la dirección del vehículo.
Asistencia sanitaria e investigación
- Robots quirúrgicos para guiar procedimientos quirúrgicos asistidos por robot.
- Dispositivos de imágenes médicas para facilitar el movimiento preciso de escáneres de TC u otros dispositivos de adquisición de imágenes de alta precisión.
- Análisis de laboratorio, como platina de microscopio y posicionamiento de muestras.
Los beneficios de los ejes estriados los hacen ideales para diversas aplicaciones, entre las que se incluyen (de izquierda a derecha) mecanizado CNC, tambores de fábricas de papel, selección y colocación y automatización de máquinas. (La imagen es cortesía de Thomson Industries, Inc.)
Para ayudar a los diseñadores de máquinas a optimizar los ejes estriados para sus aplicaciones, algunos proveedores ofrecen orientación en línea. Una herramienta de selección de ejes estriados disponible en el mercado, por ejemplo, utiliza ayudas visuales que llevan a los usuarios a la mejor configuración en cuestión de minutos.
Encontrando su lugar
Las estrías de bolas son una solución atractiva para los diseñadores de máquinas que necesitan movimiento en múltiples ejes. En comparación con los sistemas multieje empaquetados, los estriados de bolas requieren menos espacio y se pueden implementar a velocidades más altas, con menor fricción, mayor precisión, una vida útil más prolongada y predecible y un mantenimiento más sencillo. También pueden ser menos costosos.
Si bien un eje esférico puede reemplazar a los brazos robóticos empaquetados, su eficiencia espacial y su juego cero los hacen utilizables como componentes de esos conjuntos, posiblemente extendiendo una carrera vertical o ayudando con cargas radiales y axiales más pesadas.
A medida que las operaciones comerciales se vuelven más complejas y la digitalización, la inteligencia artificial y los avances en movilidad incorporan más ejes de movimiento a las estrategias de automatización, el rendimiento y la versatilidad únicos del eje estriado pueden, por fin, recibir el respeto que merece.