Cómo seleccionar un motor para su módulo lineal

Seleccionar un motor para unmódulo linealNo se trata simplemente de elegir una potencia mayor. El motor, la transmisión, el sistema de retroalimentación y la transmisión mecánica deben trabajar juntos como un solo sistema de movimiento.

Un motor demasiado pequeño puede no alcanzar la aceleración requerida o sobrecalentarse durante ciclos repetidos. Un motor que es innecesariamente grande puede aumentar la inercia del rotor, el costo y la dificultad de ajuste sin mejorar la máquina. lo correctoselección de motor de módulo linealPor lo tanto, comienza con el requisito de movimiento, no con un tamaño de motor preferido.

Esta guía explica cómo elegir entre servomotores y motores paso a paso, cómo hacer coincidir el par y la velocidad del motor con el módulo, cuándo es importante la retroalimentación del codificador y qué detalles de control deben verificarse antes de finalizar el sistema de accionamiento.

Comience con el requisito de movimiento, no con el catálogo de motores

Antes de comparar tipos de motores, defina qué debe hacer realmente el eje.

La información mínima debe incluir:

• Tipo de unidad de módulo lineal
• Ataque
• Masa en movimiento
• Orientación de montaje horizontal, vertical u otra
• Velocidad máxima
• Aceleración y desaceleración
• Tiempo de movimiento y tiempo de ciclo completo
• Precisión de posicionamiento y repetibilidad requeridas
• Fuerza del proceso externo
• Comportamiento de espera requerido
• Controlador disponible e interfaz de comunicación

Regla de selección:el motor debe seleccionarse del perfil de movimiento completo. La carga útil por sí sola no determina el tamaño del motor.

Servo o paso a paso: la primera decisión

Tanto los servomotores como los motores paso a paso pueden accionar módulos lineales industriales, pero sus características operativas son diferentes.

Cuando un servomotor suele ser la mejor opción

Aservomotor de módulo linealA menudo se prefiere cuando la aplicación requiere:

• Alta aceleración y desaceleración.
• Amplio rango de velocidad de funcionamiento
• Cambios de dirección frecuentes
• Monitoreo de posición de circuito cerrado
• Alta tasa de ciclo
• Movimiento multieje coordinado
• Monitoreo de par o fuerza
• Perfiles de movimiento más avanzados

Los servosistemas son especialmente útiles cuando el eje debe operar cerca de sus límites dinámicos manteniendo un control estable.

Por qué los servosistemas manejan bien el movimiento dinámico

El codificador informa continuamente la posición y velocidad del motor al variador. El servocontrolador compara el movimiento real con el comando y ajusta la corriente del motor en consecuencia.

Este comportamiento de circuito cerrado permite que el variador corrija el error de seguimiento y adapte el par del motor durante la aceleración, el movimiento a velocidad constante y la desaceleración.

Cuando un motor paso a paso puede ser la mejor opción

Amotor paso a paso de módulo linealPuede ser una solución práctica cuando la aplicación tiene cargas predecibles, velocidad moderada y requisitos de posicionamiento relativamente simples.

Las aplicaciones típicas incluyen:

• Indexación
• Ajuste de accesorios
• Movimiento ligero de recogida y colocación
• Equipo de dispensación
• Posicionamiento de inspección
• Automatización de velocidad baja a media

Los sistemas paso a paso son atractivos porque la estructura de control puede ser simple y mantener el par en reposo puede ser útil en algunas aplicaciones.

La principal limitación de los sistemas paso a paso de bucle abierto.

Un controlador paso a paso de bucle abierto supone que el motor sigue cada paso ordenado. Si la carga excede el par disponible o la aceleración es demasiado agresiva, el motor puede perder la sincronización sin que el controlador conozca directamente la verdadera posición del eje.

Esta es la razón por la que los motores paso a paso no deben seleccionarse únicamente por su par de retención a baja velocidad.

¿Qué es un motor paso a paso de circuito cerrado?

Un sistema paso a paso de circuito cerrado agrega retroalimentación del codificador al motor paso a paso y al variador. El controlador puede comparar el movimiento ordenado con la posición medida del motor y detectar o corregir errores de posición según el diseño del sistema.

Esto puede reducir parte de la incertidumbre asociada con la operación de bucle abierto y mejorar el rendimiento utilizable bajo cargas cambiantes.

Sin embargo, un paso a paso de circuito cerrado no es automáticamente equivalente a un servomotor. La construcción del motor, el comportamiento par-velocidad, el algoritmo de control y la capacidad dinámica siguen siendo diferentes.

Manera útil de decidir:Elija el motor según el rendimiento de movimiento requerido, no desde la etiqueta "servo", "paso a paso" o "bucle cerrado".

La potencia del motor por sí sola no es un método de dimensionamiento

La potencia del motor está relacionada con el par y la velocidad:

P = T × ω

dónde:

• PAG= potencia mecánica en vatios
• t= par en N·m
• Vaya= velocidad angular en rad/s

Dos motores con potencia nominal similar pueden tener curvas de par-velocidad, inercia del rotor y capacidad de par máximo muy diferentes. Por esta razón, seleccionar “un servo de 400 W” sin verificar el punto de funcionamiento real es incompleto.

Haga coincidir la velocidad del motor con la transmisión del módulo lineal

La transmisión mecánica determina cómo la rotación del motor se convierte en velocidad lineal.

Módulo de husillo de bolas

Para un paso de tornillopagy velocidad lineal deseadav:

norte = 60 × v ÷ p

dóndevestá en m/s,pagestá en m/rev ynorteestá en rpm.

Un husillo de 10 mm que se mueve a 0,5 m/s requiere 3000 rpm. Tanto el motor como el tornillo deben ser adecuados para esa velocidad.

Módulo de correa de distribución

La velocidad del motor depende de la circunferencia del paso de la polea y de cualquier relación de reducción entre el motor y la polea. Las poleas más grandes mueven más correa por revolución pero requieren más torque del motor para la misma fuerza lineal.

Módulo de piñón y cremallera

El diámetro de paso del piñón y la relación de la caja de cambios determinan la relación entre la velocidad del motor y el recorrido lineal. Los sistemas de cremallera de carrera larga suelen utilizar una reducción de engranajes para equilibrar la velocidad del motor, el par de salida y la inercia reflejada.

Haga coincidir el par del motor con el ciclo de movimiento completo

El par del motor debe cubrir más que la carga estática.

Los componentes importantes del torque incluyen:

• Torque necesario para superar la resistencia lineal
• Torque requerido para la aceleración
• Inercia rotacional del tornillo, acoplamiento, polea o caja de cambios.
• Par de gravedad en ejes verticales
• Fuerzas externas del proceso
• Resistencia a la precarga y al sellado

Después de calcular el perfil de torsión, verifique ambos:

• par máximopara aceleración y demanda de corta duración
• RMS o par continuopara la idoneidad térmica durante todo el ciclo

Un motor que puede completar un movimiento con éxito aún puede sobrecalentarse durante la producción continua si el par RMS es demasiado alto.

No ignore la curva par-velocidad

El par motor disponible cambia con la velocidad.

Esto es particularmente importante para los motores paso a paso, cuyo par utilizable generalmente cae significativamente a medida que aumenta la velocidad. Los servomotores también tienen regiones operativas continuas y máximas definidas.

Para cada motor candidato, verifique que:

• La velocidad máxima requerida está dentro del rango operativo del motor.
• El par máximo requerido está disponible a esa velocidad.
• El par continuo o RMS permanece dentro de la región de funcionamiento continuo.
• El variador seleccionado puede suministrar la corriente y el voltaje necesarios.

Coincidencia de inercia: por qué es importante controlar la carga mecánica

El motor debe acelerar tanto su propio rotor como la inercia reflejada por el módulo lineal.

Para un husillo de bolas, la masa en traslación se puede representar como una inercia rotacional equivalente en el eje del husillo:

j_trans= metro × (p ÷ 2π)²

Luego se agrega la inercia giratoria del tornillo, el acoplamiento y otros componentes.

Si se utiliza una caja de cambios, la inercia de carga reflejada al motor disminuye con el cuadrado de la relación de reducción.

Por qué un motor sobredimensionado puede ser contraproducente

Un motor más grande normalmente tiene una mayor inercia del rotor. Si el motor se selecciona muy por encima del tamaño requerido, esta inercia adicional puede reducir la eficiencia de aceleración y hacer que el sistema sea más difícil de ajustar.

Ésta es una de las razones por las que el tamaño del motor debe tener como objetivo un margen operativo adecuado en lugar de simplemente elegir el bastidor más grande que se ajuste.

No existe una relación de inercia universal.

La relación de inercia carga-motor aceptable depende del motor, el variador, el método de control y el perfil de movimiento. Siga los criterios de dimensionamiento del fabricante del motor real en lugar de aplicar una regla fija a cada servosistema.

Elección del codificador: ¿Qué deben decirle los comentarios?

Un codificador hace más que proporcionar un número de "resolución". Determina qué información puede observar el controlador sobre el motor o eje.

Codificador incremental

Un codificador incremental informa cambios de posición mediante pulsos o conteos digitales. Después del encendido, muchos sistemas requieren una rutina de referencia para establecer la referencia de la máquina.

codificador absoluto

Un codificador absoluto retiene o reconstruye una referencia de posición única para que el sistema de control pueda conocer la posición del motor después del ciclo de encendido, dependiendo del codificador y la arquitectura del variador.

Esto puede reducir o eliminar ciertos requisitos de referencia y es útil en máquinas donde el tiempo de reinicio o la retención de la posición del eje son importantes.

Retroalimentación de un solo giro y de múltiples giros

La retroalimentación absoluta de una sola vuelta identifica la posición del eje dentro de una revolución. Los sistemas multivueltas también rastrean el número de revoluciones, lo que puede resultar útil cuando se debe conservar la posición del motor durante muchas vueltas.

La resolución del codificador no es lo mismo que la precisión lineal

Un codificador de alta resolución permite que el controlador represente incrementos muy pequeños del ángulo del motor, pero no elimina automáticamente los errores mecánicos en el módulo.

Entre el eje del motor y la posición real de la herramienta pueden existir errores de avance del husillo de bolas, elasticidad de la correa, holgura, rectitud de la guía, deflexión estructural y expansión térmica.

Para aplicaciones muy exigentes, se puede utilizar retroalimentación lineal directa para medir la posición del carro de manera más directa.

Distinción importante:La resolución del codificador describe la granularidad de la retroalimentación. La precisión de posicionamiento del sistema describe el resultado mecánico y de control completo.

¿Codificador de motor o escala lineal?

Con retroalimentación del lado del motor, el controlador calcula la posición lineal a partir de la rotación del motor y la geometría de la transmisión. Esto es común y eficaz para muchas aplicaciones de automatización.

Una escala lineal montada a lo largo del eje puede medir directamente la posición del carro. Por lo tanto, puede detectar errores de posición que ocurren después del motor, incluidos algunos efectos de tornillo, correa o transmisión.

La retroalimentación lineal directa es valiosa en sistemas de alta precisión, pero agrega costos, requisitos de instalación y complejidad de control. No es necesario para todos los módulos lineales.

Los módulos lineales verticales necesitan una verificación de motor diferente

En un eje vertical, la gravedad afecta continuamente al accionamiento.

El motor debe ser revisado para:

• Par de aceleración hacia arriba
• Carga de gravedad continua
• Comportamiento regenerativo descendente
• Requisitos de mantenimiento en parado
• Capacidad de frenado
• Comportamiento seguro durante un corte de energía

¿Cuándo se necesita un freno de motor?

Comúnmente se considera un freno cuando una carga vertical debe permanecer en su posición después de que se retira la energía del motor. Sin embargo, los frenos de mantenimiento del motor tienen clasificaciones y funciones específicas.

Si un descenso involuntario puede crear un peligro para la seguridad, la máquina puede requerir medidas mecánicas adicionales con clasificación de seguridad en lugar de depender únicamente de un freno de motor estándar.

Cómo afectan las cajas de cambios a la selección del motor

Una caja de cambios puede aumentar el par de salida y reducir la inercia de carga reflejada en el motor, pero también cambia la velocidad y agrega características mecánicas propias.

Las posibles razones para utilizar una caja de cambios incluyen:

• Aumento del par de salida
• Mejora de la relación de inercia carga-motor
• Permitir que un motor más pequeño funcione a una velocidad más adecuada
• Adaptación de la geometría de la instalación

Las compensaciones incluyen:

• Pérdida de eficiencia
• Reacción
• Inercia adicional
• Ruido
• Costo
• Mantenimiento

La interfaz de control es importante antes de construir la máquina

Un motor mecánicamente adecuado puede seguir siendo una elección equivocada si no se integra con el controlador de la máquina.

Confirme cómo el eje recibirá los comandos:

• Pulso y dirección
• Comando analógico de velocidad o par
• Ethernet industrial o bus de campo
• Comandos de indexación integrados
• Controlador de movimientored

Compruebe también si el sistema necesita movimiento sincronizado, engranaje electrónico, leva, registro, control de par o interpolación coordinada.

¿Necesita control de posición, control de velocidad o control de par?

Control de posición

La mayoría de las aplicaciones de posicionamiento lineal utilizan control de posición. El controlador controla una posición objetivo y un perfil de movimiento.

control de velocidad

El control de velocidad puede resultar útil cuando el eje debe mantener una velocidad definida mientras otro mecanismo controla la posición o la sincronización del proceso.

control de par

El control de par se puede utilizar para procesos de prensado, tensión, sujeción o contacto. Sin embargo, el par del motor no siempre es idéntico a la fuerza lineal real del proceso porque la eficiencia de la transmisión, la fricción y el cumplimiento mecánico afectan la relación.

Para la medición de fuerza crítica, es posible que aún se requiera una celda de carga o un sensor de fuerza dedicado.

El ajuste del servo es parte de la selección del motor

Un motor que sea técnicamente lo suficientemente grande puede funcionar mal si el sistema es difícil de ajustar.

El ajuste del servo está influenciado por:

• Inercia de carga
• Rigidez estructural
• rigidez del acoplamiento
• Elasticidad del cinturón
• Reacción
• Resonancia
• Perfil de aceleración

Un sistema mecánico flexible no puede transformarse en un eje rígido de precisión simplemente aumentando la ganancia del servo. El diseño mecánico y el de control deben apoyarse mutuamente.

Selección de motor por tipo de módulo lineal

Módulo lineal de husillo de bolas

Verifique la velocidad del motor con respecto al paso del tornillo y la velocidad lineal requerida. Luego verifique el par de aceleración, la inercia del tornillo, la velocidad crítica del tornillo y cualquier requisito de sujeción vertical.

Los servomotores son comunes para el posicionamiento de precisión de alta velocidad, mientras que los motores paso a paso pueden ser adecuados para aplicaciones de velocidad moderada con cargas predecibles.

Módulo lineal de correa de distribución

Módulos de correa de distribuciónA menudo operan a alta velocidad lineal y aceleración. La selección del motor debe considerar el diámetro de la polea, la tensión de la correa, la masa en movimiento y los frecuentes cambios de dirección.

Los servomotores suelen ser ventajosos en sistemas de pórtico o de recogida y colocación de ciclo alto, mientras que los motores paso a paso pueden funcionar bien en ejes de transferencia de menor dinámica.

Módulo de piñón y cremallera

Los recorridos largos y las cargas más elevadas a menudo hacen que la selección de la caja de cambios sea importante. El par del motor, la relación de transmisión, el diámetro del piñón y la velocidad deseada se deben evaluar juntos.

Módulo de motor lineal

Un motor lineal produce fuerza directamente y no requiere una transmisión de motor giratorio a lineal. En este caso, el dimensionamiento se centra en la fuerza continua, la fuerza máxima, la velocidad, la aceleración, la carga térmica y la retroalimentación en lugar del par del motor giratorio.

Una secuencia práctica de selección de motores

1. Defina el perfil de movimiento completo.Incluye carrera, velocidad, aceleración, desaceleración y permanencia.
2. Calcula la masa real en movimiento.Incluya herramientas, ejes superiores y transportadores de cables cuando sea relevante.
3. Determine la fuerza lineal requerida.Incluye gravedad, fricción y fuerza de proceso.
4. Convierta la carga en par y velocidad del motor.
5. Calcular la inercia reflejada.
6. Compruebe el par máximo y RMS.
7. Compare las opciones de servo, paso a paso y paso a paso de circuito cerrado.
8. Seleccione el tipo de comentarios.
9. Verifique los requisitos de frenos y eje vertical.
10. Verifique la curva par-velocidad del motor.
11. Confirme la corriente, el voltaje y la capacidad regenerativa del variador.
12. Confirme la comunicación del controlador y las funciones de movimiento.
13. Verifique las interfaces mecánicas y eléctricas antes del lanzamiento.

Errores comunes en la selección de motores

Elegir solo por potencia

La potencia del motor no muestra si el par requerido está disponible a la velocidad de funcionamiento real.

Elegir un paso a paso para mantener el par

El par de retención se mide en reposo y no representa el par de funcionamiento a alta velocidad.

Sobredimensionamiento “por seguridad”

Un motor mucho más grande puede aumentar la inercia y el costo y complicar la puesta a punto. El margen de ingeniería es útil; el sobredimensionamiento incontrolado no lo es.

Ignorando la carga vertical

Los ejes verticales requieren que se tengan en cuenta la gravedad, el frenado, la retención y la regeneración.

Suponiendo que la resolución del codificador es igual a la precisión de posicionamiento

El eje lineal completo todavía contiene errores de transmisión, estructurales y térmicos.

Ignorar la compatibilidad de la unidad y el controlador

El motor es sólo una parte del sistema. El voltaje del variador, el protocolo de comunicación, las E/S, la resistencia de frenado y el modo de control pueden determinar si la solución se integra exitosamente.

¿Qué información debe proporcionar para la comparación de motores?

Para que QRXQ recomiende un motor para un módulo lineal, proporcione:

• Tipo de módulo y transmisión.
• Ataque
• masa total en movimiento
• Orientación de montaje
• Velocidad máxima
• Tiempo de aceleración o movimiento.
• tiempo de ciclo completo
• Fuerza externa
• Requisito de precisión y repetibilidad.
• Marca preferida de servo o paso a paso
• Controlador y protocolo de comunicación.
• Requisito de freno
• Tiempo de funcionamiento diario y ciclo de trabajo

El motor final debería satisfacer cuatro cosas al mismo tiempo:requisitos de par, velocidad, inercia y control. Si se ignora uno de estos, el eje puede funcionar durante una prueba simple pero no lograr ofrecer un rendimiento de producción estable.

Un motor bien combinado no necesita ser el motor más grande que se ajuste al módulo. Debe ofrecer el movimiento requerido con margen suficiente, control estable y comportamiento térmico aceptable durante el ciclo real de la máquina.