Maximizando la precisión: Acoplamiento de reductores con servomotores

Acoplamiento de reductores con servomotores

Los diseñadores de máquinas recurren cada vez más a reductores para aprovechar los últimos avances en tecnología de servomotores. Esencialmente, un reductor convierte energía de alta velocidad y bajo par en salida de baja velocidad y alto par. Un servomotor proporciona posicionamiento altamente preciso de su eje de salida. Al acoplar reductores con servomotores, potencian las fortalezas de cada uno, proporcionando movimiento controlado que es preciso, robusto y fiable.
A medida que la tecnología servo ha evolucionado, con fabricantes produciendo motores más pequeños pero más potentes, los reductores se están volviendo socios cada vez más esenciales en control de movimiento. Encontrar el acoplamiento óptimo debe tener en cuenta muchas consideraciones de ingeniería. Antes de abordar esas, aquí hay una breve revisión de conceptos básicos de reductores.

Conceptos básicos de reductores

¿Cómo proporciona un reductor la potencia requerida por las aplicaciones más exigentes de hoy? Bueno, todo vuelve a lo básico de los engranajes y su capacidad para cambiar la magnitud o dirección de una fuerza aplicada.

Los reductores pueden lograr esto de varias formas:

Multiplicación de par. Los engranajes y número de dientes en cada engranaje crean una relación. Si un motor puede generar 20 lb-pulg. de par, y un reductor de relación 10:1 se acopla a su salida, el par resultante será cercano a 200 lb-pulg. Con el énfasis continuo en desarrollar huellas más pequeñas para motores y el equipo que impulsan, la capacidad de acoplar un motor más pequeño con un reductor para lograr la salida de par deseada es invaluable.

Un motor puede estar nominal a 2.000 rpm, pero su aplicación puede no requerir eso. Intentar hacer funcionar el motor a 50 rpm puede no ser óptimo basado en lo siguiente;

Si está funcionando a una velocidad muy baja, como 50 rpm, y la resolución de retroalimentación de su motor no es lo suficientemente alta, la tasa de actualización del variador electrónico puede causar una rizado de velocidad que tenga una cuenta medible cada 0,357 grados de rotación del eje. Si el variador electrónico que usa para controlar el motor tiene un bucle de velocidad de 0,125 milisegundos, buscará esa cuenta medible cada 0,0375 grados de

rotación del eje a 50 rpm (300 grados/seg). Cuando no ve esa cuenta, acelerará la rotación del motor para encontrarla. A la velocidad que encuentra la siguiente cuenta medible, las rpm serán demasiado rápidas para la aplicación y entonces el variador reducirá las rpm del motor de vuelta a 50 rpm y entonces todo el proceso comienza de nuevo

otra vez. Este constante aumento y disminución de RPM causa rizado de velocidad en una aplicación.

• Un servomotor funcionando a bajas rpm opera ineficientemente. Corrientes de Foucault son bucles de corriente eléctrica inducidos dentro del motor durante la operación. Las corrientes de Foucault producen una fuerza de arrastre dentro del motor y tienen un impacto negativo mayor en el rendimiento del motor a RPM más bajas.

• Los parámetros de un motor estándar pueden no ser adecuados para funcionar a bajas rpm. Cuando una aplicación hace funcionar el motor mencionado a 50 rpm, no está usando todas sus rpm disponibles. Porque la constante de voltaje (V/Krpm) del motor está establecida para rpm más altas, la constante de par (Nm/amp)—que está directamente relacionada—es menor de lo que necesita ser. Como resultado, la aplicación requiere más corriente para impulsarlo que si la aplicación tuviera un motor diseñado específicamente para 50 rpm. La relación del reductor reduce las rpm del motor, por eso los reductores a veces se llaman reductores de engranajes. Usando un reductor con relación 40:1, las rpm del motor en la entrada del reductor serán 2.000 rpm y las rpm en la salida del reductor serán 50 rpm. Operar el motor a las rpm más altas le permitirá evitar las preocupaciones mencionadas en puntos 1 y 2. El punto 3 permite al diseño usar menos par y corriente del motor basado en la ventaja mecánica del reductor.

Como ejemplo, considere una persona montando una bicicleta, con la persona actuando como el motor. Si esa persona intenta subir una colina empinada en una marcha diseñada para bajas rpm, luchará mientras

intentan mantener su equilibrio y lograr rpm que les permita subir la colina. Sin embargo, si cambian las marchas de la bici a una velocidad que produzca rpm más altas, el ciclista tendrá

un tiempo mucho más fácil. Una fuerza constante puede aplicarse con rotación suave siendo proporcionada. La misma lógica aplica a aplicaciones industriales que requieren velocidades más bajas mientras mantienen el par necesario.

• Acoplamiento de inercia. Los servomotores actuales generan más par relativo al tamaño de bastidor debido a bobinados de cobre densos, materiales ligeros e imanes de alta energía.

Esto crea desajustes de inercia entre servomotores y las cargas que intentan mover. Usar un reductor para mejorar el acoplamiento de la inercia del motor a la inercia de la carga permite el uso de un motor más pequeño resultando en un sistema más responsivo que es más fácil de sintonizar. De nuevo, esto se logra a través de la relación del reductor, donde la inercia reflejada de la carga al motor disminuye por 1/relación².

Recuerde que la inercia es la medida de la resistencia de un objeto al cambio en su movimiento y función de la masa y forma del objeto. Cuanto mayor la inercia de un objeto, más par se necesita para acelerar o desacelerar el objeto. Esto significa que cuando la inercia de la carga es mucho mayor que la inercia del motor, a veces puede causar sobreimpulso excesivo o aumentar tiempos de asentamiento. Ambas condiciones pueden disminuir el rendimiento de la línea de producción.

Por otro lado, cuando la inercia del motor es mayor que la inercia de la carga, el motor necesitará más potencia de la necesaria para la aplicación particular. Esto aumenta costes porque requiere pagar más por un motor que es más grande de lo necesario y porque el consumo de potencia aumentado requiere costes operativos más altos. La solución es usar un reductor para acoplar la inercia del motor a la inercia de la carga.

Ahorro de costes del sistema

Los reductores permiten usar motores y variadores más pequeños, lo que puede ayudar a reducir el coste de un sistema. Porque los sistemas servo más pequeños consumen menos amperios reducen costes operativos. El ahorro de energía es mayor cuando las aplicaciones demandan alto par y baja velocidad porque los servomotores de accionamiento directo necesitan ser considerablemente más grandes que servomotores acoplados a reductores.

Los reductores a menudo impulsan mecanismos largos, como sistemas de alimentación de material que mueven longitudes de alambre, madera o metal, donde la alta velocidad no es esencial pero el alto par y la precisión altamente repetible son críticos. Acoplar reductores con servomotores en este tipo de aplicación puede proporcionar flexibilidad inigualable con un motor de accionamiento directo tradicional. La combinación servo-reductor costará menos operar, ocupará menos espacio, y proporcionará un acoplamiento de inercia para mejor control de movimiento.