Cuando los diseñadores de máquinas necesitan traducir el par del motor en empuje lineal, a menudo especifican un motor paso a paso con un husillo de avance y una tuerca integrados. Conocido como actuador lineal de motor paso a paso (SMLA), esta configuración puede proporcionar un control preciso, confiabilidad y versatilidad a lo largo de una trayectoria lineal, pero si existe potencial incluso para un pequeño momento o carga lateral, será necesario agregar guía lineal adicional. Un mecanismo de guía bien diseñado puede evitar cualquier atascamiento, flexión, pandeo u otra disfunción que la carga lateral pudiera introducir.
A primera vista, agregar orientación a un SMLA parece ser tan fácil que puede tentar a ingenieros experimentados a diseñarlo ellos mismos, pero dada la complejidad de los cálculos que pueden estar involucrados, incluso en las aplicaciones más pequeñas, la estrategia de "hágalo usted mismo" puede no valer la pena. Para determinar lo que es correcto para cualquier aplicación es necesario considerar cuidadosamente el perfil de movimiento, el tiempo y el presupuesto disponibles, las consideraciones de espacio, la integración y el soporte.
¿Por qué elegir un SMLA?
Un SMLA generalmente consta de un motor paso a paso y un husillo de avance integrado que mueve una carga en un movimiento lineal de ida y vuelta. Los SMLA son caballos de batalla altamente confiables y económicos que impulsan numerosas aplicaciones en las que se desea una detención y un arranque precisos y una alta capacidad de programación, como ajustes de la platina del microscopio, movimiento del cabezal de la impresora 3D y pipeteo. (Figura 1)
Figura 1. Arriba: Todos los SMLA tienen un motor paso a paso, un husillo de avance integrado y una tuerca, pero difieren en si traducen el movimiento girando el husillo de rosca, la tuerca o el husillo de rosca que impulsa una varilla tipo actuador tradicional. Abajo: Las aplicaciones ideales de SMLA incluyen (de izquierda a derecha) pipeteo, ajustes de platinas de microscopio, bombeo de fluidos e impresión 3D. (La imagen es cortesía de Thomson Industries, Inc.)
La necesidad de guía
Un SMLA proporciona empuje a lo largo de un eje lineal, pero no puede tolerar cargas laterales. Una carga indeseable perpendicular a este eje puede resultar de cualquiera de los siguientes factores:
- Fuerza de momento de flexión debido a cargas desalineadas.
- Cargas de vibración y choque, especialmente en entornos con impactos mecánicos u oscilaciones.
- Diferencias de expansión térmica entre componentes.
- Gravedad.
Estas fuerzas, de forma independiente o combinadas, pueden desgastar o deformar los componentes. Pueden provocar flexiones y deformaciones, fallas prematuras y mayor estrés en los cojinetes o en las tuercas y roscas de los husillos. La desalineación, el aumento de la fricción y la fatiga del material también contribuyen a la degradación general del rendimiento y a una vida útil más corta del sistema.
Para evitar el impacto negativo de cargas de momento o laterales se requiere una guía complementaria para protegerse contra las fuerzas externas que inciden en el movimiento lineal de la carga. La guía a menudo implica la implementación de rieles y cojinetes redondos o cuadrados adicionales externos al husillo de rosca. El desafío para el usuario o el OEM es determinar la guía más sólida, en el menor espacio y al menor costo.
Añadir la guía
Cuanto mayor sea la carga y mayor la velocidad, más complicado será añadir guía de forma óptima. Los pasos a seguir son los siguientes:
- Evaluar los parámetros de espaciamiento, presupuesto y entrega.
- Determinar si es mejor utilizar un riel redondo, un riel cuadrado u otro mecanismo de guía.
- Ejecutar cálculos de optimización, lo que puede llevar días.
- Implementar el diseño final en CAD.
- Ensamblar.
- Probar.
A veces es posible armar por cuenta propia un sistema de movimiento lineal compacto a partir de componentes disponibles comercialmente, integrando rieles de empuje y guía en una única unidad de pequeña escala. Sin embargo, normalmente se necesita un grado adicional de experiencia para llegar a la solución óptima. Los diseñadores de máquinas deben elegir entre ensamblar ellos mismos un sistema de movimiento lineal, potencialmente con riesgos desconocidos, o confiar en un fabricante de control de movimiento con décadas de experiencia en aplicaciones para crear una solución altamente configurada, generalmente disponible con componentes estándar.
¿Hacerlo por cuenta propia?
Si usted mismo diseña un sistema de movimiento lineal compacto, puede obtener una solución más personalizada a un menor costo y generar economías de escala en aplicaciones de gran volumen, pero también existen muchas desventajas potenciales.
Los diseñadores de máquinas que no tienen una amplia experiencia en diseño de sistemas pueden pecar de cautelosos y sobrediseñar. Si bien la sobreingeniería puede reducir el riesgo, generalmente también añade complejidad. Por ejemplo, sobredimensionar los rieles agregaría más soporte, pero también aumentaría costos y ocuparía espacio. No es raro que los proyectos de ingeniería fracasen en su primera iteración, lo que puede implicar volver al punto de partida, lo que suma más costos y demoras.
Muchos proyectos que se hacen por cuenta propia, si no la mayoría, integran componentes de diferentes proveedores, que tienen menos probabilidades de funcionar juntos de manera óptima. Si hay un problema, es posible que haya acusaciones entre los proveedores de componentes. Asimismo, el mantenimiento y el soporte podrían ser un problema, especialmente si el equipo de diseño interno original ya no está disponible para completar el proyecto.
Asociarse para el éxito
Trabajar con un proveedor que pueda configurar el conjunto “perfecto” de componentes estándar o ligeramente modificados ayudará a evitar tales problemas. Es más probable que los proveedores tengan una amplia experiencia en la personalización de sistemas de movimiento lineal para diversas aplicaciones. Es posible que los proveedores hayan desarrollado especificaciones de configuración, modelos CAD y herramientas en línea que faciliten el proceso, así como herramientas físicas que les permiten mecanizar piezas de manera más eficiente. Los proveedores también pueden tener módulos previamente probados que se pueden adaptar fácilmente sin necesidad de una personalización importante. (Figura 2) La modularidad permite a los proveedores entregar productos estándar altamente configurados sin el costo adicional normalmente asociado con los productos personalizados.
Figura 2. Los ingenieros de movimiento tienen innumerables opciones de configuración estándar para agregar orientación a un SMLA. Dependiendo de los requisitos de la aplicación y de las consideraciones de montaje y espacio, por ejemplo, podrían utilizar un riel de perfil y un husillo de rosca colocados verticalmente (izquierda) u horizontalmente (centro). O podrían utilizar rieles redondos en lados opuestos del husillo guía (derecha) para ayudar a soportar una mayor carga de momento. (La imagen es cortesía de Thomson Industries, Inc.)
Los proveedores también se responsabilizan del funcionamiento del producto, y generalmente emiten garantías. Si se integra en la fábrica, el diseñador puede estar más seguro de que no habrá desajustes entre los componentes. Los proveedores también tendrán la experiencia para aprovechar al máximo el espacio mínimo, lo cual resultará en un sistema de movimiento lineal más compacto. Algunos proveedores ofrecen servicios de personalización de forma gratuita. El resultado de estos beneficios y capacidades del proveedor es menos tiempo, menos dolores de cabeza y mantenimiento, una solución más rápida y, lo más importante, un menor costo total de propiedad.
La elección segura
Si necesita personalizar un proyecto de sistema de movimiento lineal de gran volumen, tiene tiempo disponible y experiencia, y puede tolerar cierto riesgo, es posible que pueda reducir el costo de tener un sistema guiado construyéndolo usted mismo. De lo contrario, trabajar con el equipo de ingeniería de un proveedor experimentado para ensamblar un sistema de movimiento lineal compacto y altamente configurado a partir de componentes estándar para su aplicación puede permitirle obtener el producto optimizado que necesita más rápido y con menos riesgos.
Si bien los costos de bolsillo a corto plazo pueden ser más altos, cuando se tienen en cuenta todos los factores, trabajar con un proveedor de movimiento lineal experimentado dará como resultado una solución más rápida y de mayor calidad con el máximo retorno de la inversión.