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Los servomotores y los motores paso a paso se utilizan comúnmente para accionar la correa de distribución.módulos lineales. Aunque cualquiera de los motores puede mover el carro a lo largo del eje lineal, difieren significativamente en el rendimiento de velocidad, las características de par, la retroalimentación de posición, la precisión del control, el costo y la complejidad del sistema.
La elección correcta depende de la carga útil, la velocidad de desplazamiento, la aceleración, los requisitos de posicionamiento, el ciclo de trabajo y el entorno operativo de la aplicación. Seleccionar el motor únicamente por la potencia nominal o el precio de compra puede resultar en un par insuficiente, un posicionamiento inestable, una vibración excesiva o un costo innecesario del sistema.
Cómo impulsan los motores un módulo lineal de correa de distribución
en un momentomódulo lineal de correa, el motor hace girar la polea motriz a través de un mecanismo de conexión directa, acoplamiento o reducción. La polea acciona la correa de distribución, que mueve el carro a lo largo de la guía lineal.
El motor debe proporcionar suficiente par para superar:
- Inercia de carga útil
- Inercia del carro y de la correa.
- Fricción del riel guía
- Fuerzas de aceleración y desaceleración.
- Resistencia externa
- Cargas por gravedad en instalaciones verticales.
El par motor requerido se puede considerar como la combinación del par de aceleración, el par de fricción y el par de carga externa. También se debe incluir un margen de seguridad adecuado para manejar la variación de carga y el funcionamiento a largo plazo.
¿Qué es un motor paso a paso?
Un motor paso a paso gira en un ángulo fijo para cada pulso de entrada. El controlador determina la distancia de movimiento enviando un número específico de pulsos y controla la velocidad cambiando la frecuencia del pulso.
Los sistemas paso a paso tradicionales normalmente funcionan en una configuración de bucle abierto. El controlador envía comandos de movimiento sin confirmar directamente si el motor ha alcanzado la posición ordenada.
Los motores paso a paso se utilizan ampliamente en módulos de correas de distribución porque ofrecen un control simple, un buen par a baja velocidad y un costo de sistema relativamente bajo.
Ventajas de los motores paso a paso
- Menor costo del motor y del conductor
- Arquitectura de control sencilla
- Buen par de retención en parado
- Fuerte par a bajas velocidades de funcionamiento
- Fácil control de posición mediante comandos de pulso
- Adecuado para movimientos simples de punto a punto
Limitaciones de los motores paso a paso
- El par disponible disminuye a medida que aumenta la velocidad del motor
- Los sistemas de circuito abierto no pueden detectar directamente los pasos perdidos
- Pueden producirse vibraciones y resonancias a determinadas velocidades.
- La temperatura del motor puede permanecer alta mientras se mantiene la posición.
- El margen de rendimiento debe reservarse cuidadosamente
- Menos adecuado para operaciones de alta velocidad y alta aceleración
Si la carga útil, la aceleración o la resistencia externa excede el par disponible, es posible que un motor paso a paso de circuito abierto no siga la posición de comando. Esta condición se describe comúnmente como perder pasos.
¿Qué es un servomotor?
Un servomotor normalmente funciona como parte de un sistema de control de circuito cerrado. Un codificador mide la posición y la velocidad del motor, mientras que el servoaccionamiento compara continuamente la señal de retroalimentación con el movimiento ordenado.
Cuando se produce un error de posición o velocidad, el servovariador ajusta la salida del motor para reducir la desviación. Este control de circuito cerrado permite que el motor mantenga un funcionamiento estable bajo cargas cambiantes y condiciones de movimiento dinámico.
Ventajas de los servomotores
- Posición de bucle cerrado y retroalimentación de velocidad.
- Fuerte rendimiento de par en un rango de velocidad más amplio
- Mayor velocidad máxima de funcionamiento
- Mejor rendimiento de aceleración y desaceleración.
- Corrección automática de la desviación de posición.
- Funcionamiento más suave a alta velocidad
- Adecuado para automatización de ciclos de trabajo elevados
- Admite funciones de diagnóstico y monitoreo de alarmas
Limitaciones de los servomotores
- Mayor costo de motor y accionamiento.
- Configuración de parámetros más compleja
- Es posible que se requiera ajuste del servo
- Mayores requisitos para el cableado y la instalación eléctrica.
- Los ajustes de ganancia inadecuados pueden causar vibración o inestabilidad.
Comparación de servo y motor paso a paso
| Elemento de comparación | Motor paso a paso | Servomotor |
|---|---|---|
| Método de control | Generalmente control de pulso de bucle abierto | Control de circuito cerrado con retroalimentación del codificador |
| Torque a baja velocidad | Bien | Bueno y más controlable. |
| Torque de alta velocidad | Disminuye significativamente a medida que aumenta la velocidad. | Mantiene un par más fuerte en un rango de velocidad más amplio |
| Velocidad máxima | Más adecuado para velocidades bajas y medias | Más adecuado para velocidades medias y altas |
| Comentarios sobre la posición | Normalmente no disponible en sistemas de circuito abierto. | La retroalimentación del codificador normalmente se incluye |
| Detección de paso perdido | Los sistemas de circuito abierto no pueden detectar directamente los pasos perdidos | La desviación de posición se puede controlar y corregir |
| Aceleración | Moderado | Mayor capacidad de aceleración |
| Suavidad de movimiento | Puede experimentar vibración o resonancia. | Más suave en un rango operativo más amplio |
| Posición de espera | Fuerte par de sujeción pero puede generar calor. | Mantiene la posición mediante control de circuito cerrado |
| Controlar la complejidad | relativamente simple | Configuración y ajuste más complejos |
| Costo del sistema | Más bajo | Más alto |
| Aplicación típica | Equipos sencillos, de baja velocidad y económicos | Sistemas de automatización de alta velocidad, dinámicos y de precisión. |
Rendimiento de velocidad
La velocidad es una de las diferencias más importantes entre los sistemas servo y paso a paso.
Un motor paso a paso puede proporcionar un par fuerte a baja velocidad, pero su par disponible normalmente disminuye a medida que aumenta la velocidad de rotación. Cuando un módulo de correa de distribución requiere un desplazamiento rápido en una carrera larga, es posible que el motor paso a paso deba funcionar cerca del extremo superior de su rango de velocidad utilizable. En este punto, la capacidad de aceleración y el margen de par pueden volverse limitados.
Un servomotor suele mantener un par útil en un rango de velocidad de funcionamiento más amplio. Por lo tanto, es más adecuado para módulos de correa de distribución que requieren alta velocidad lineal, tiempo de ciclo corto o aceleraciones y desaceleraciones frecuentes.
Los servomotores generalmente se prefieren para:
- Posicionamiento rápido de carrera larga
- Sistemas pick-and-place de alta velocidad
- Ciclos frecuentes de arranque y parada.
- Aplicaciones con takt time corto
- Ejes que requieren un movimiento suave y de alta velocidad
Capacidad de torsión y carga
El par del motor debe evaluarse a la velocidad de funcionamiento real y no sólo en reposo. Un motor paso a paso puede tener un par de retención elevado, pero el par de retención no representa el par disponible durante el movimiento a alta velocidad.
Para un eje de correa de distribución, el par requerido aumenta cuando:
- La carga útil se vuelve más pesada.
- La aceleración se hace mayor
- El diámetro de la polea motriz aumenta
- La inercia del carro o del utillaje aumenta.
- El módulo se instala verticalmente.
- Se aplica resistencia al proceso externo.
Los servomotores normalmente proporcionan una mejor capacidad de sobrecarga durante períodos cortos de aceleración. Esto es útil cuando el eje debe acelerar un elemento pesado o invertir rápidamente la dirección.
Los motores paso a paso aún pueden ser adecuados para cargas moderadas cuando la velocidad de funcionamiento es baja y se mantiene un margen de par suficiente.
Retroalimentación de posición y riesgo de paso perdido
En un sistema paso a paso de bucle abierto, el controlador supone que el motor completa cada paso ordenado. Si la carga aumenta repentinamente o el par del motor se vuelve insuficiente, la posición real puede diferir de la posición ordenada sin retroalimentación inmediata al controlador.
Un servosistema utiliza retroalimentación del codificador para monitorear el movimiento del motor. Si el siguiente error excede el límite permitido, el variador puede corregir la salida o generar una alarma.
Esto hace que los servomotores sean más adecuados para aplicaciones donde un error de posicionamiento no detectado podría dañar el equipo, interrumpir la producción o crear productos defectuosos.
Sin embargo, la retroalimentación del codificador en el motor no mide directamente la posición final del carro. La elasticidad de la correa, la instalación de la polea, el juego mecánico, la deflexión estructural y la precisión de la guía aún pueden influir en el rendimiento de posicionamiento real del módulo lineal.
Precisión de posicionamiento
Un servomotor no hace que un módulo de correa de distribución sea automáticamente altamente preciso. La precisión final del eje depende del sistema mecánico y de control completo, incluyendo:
- Precisión del paso de la correa de distribución
- Tensión y rigidez de la correa.
- Precisión de instalación y mecanizado de poleas.
- Precisión de la guía lineal
- Rigidez del carro
- Resolución del codificador del motor
- Resolución del comando del controlador
- Ajustes de aceleración y asentamiento.
- Carga útil y carga de momento
Para movimientos repetidos entre posiciones fijas a velocidad moderada, un motor paso a paso correctamente seleccionado puede proporcionar un rendimiento de posicionamiento estable.
Para aplicaciones que implican cargas cambiantes, alta aceleración, tiempo de estabilización corto o movimiento continuo, un servomotor normalmente proporciona un mejor rendimiento de posicionamiento dinámico.
Controlar la complejidad
Los sistemas paso a paso son generalmente más fáciles de instalar y poner en marcha. Es posible que la operación básica solo requiera señales de pulso, dirección y habilitación. Esto los hace adecuados para equipos y máquinas independientes con secuencias de movimiento simples.
Los servosistemas pueden requerir la configuración de:
- Relación de transmisión electrónica
- Ganancia de posición
- Ganancia de velocidad
- Parámetros de aceleración y desaceleración.
- Sistema de inercia
- Filtros de muesca
- Límites de par
- Salidas de alarma
Los servoaccionamientos modernos suelen incluir funciones de ajuste automático, pero la configuración correcta de los parámetros sigue siendo importante. Una ganancia excesiva puede provocar vibraciones, mientras que una ganancia insuficiente puede provocar una respuesta lenta y un tiempo de estabilización más prolongado.
Comparación de costos
Los motores paso a paso y los controladores normalmente tienen un costo de compra inicial más bajo. Su proceso más simple de cableado y puesta en servicio también puede reducir el costo del equipo básico.
Los servosistemas suelen requerir una mayor inversión inicial porque incluyen un codificador, un servoaccionamiento y funciones de control más avanzadas. Sin embargo, el precio de compra no debería ser la única consideración.
Un servomotor puede reducir el costo total de operación cuando la aplicación requiere:
- Mayor rendimiento de producción
- Tiempos de ciclo más cortos
- Detección automática de fallos
- Menos errores de posicionamiento
- Operación estable bajo cargas variables
- Producción continua con ciclos de trabajo elevados
Para un eje simple de baja velocidad, el uso de un servomotor puede agregar costos sin proporcionar una ventaja de producción significativa. Para un eje de producción de alta velocidad, seleccionar un motor paso a paso sólo para reducir el costo inicial puede limitar el rendimiento de la máquina.
Motores paso a paso de circuito cerrado
Un motor paso a paso de circuito cerrado combina un motor paso a paso con un codificador. El conductor utiliza la retroalimentación de posición para monitorear si el motor sigue el comando.
Esta solución puede reducir el riesgo de pasos perdidos no detectados y puede proporcionar un mejor rendimiento que un sistema paso a paso de bucle abierto tradicional. A menudo se sitúa entre un paso a paso de bucle abierto y un servosistema en términos de coste y capacidad.
Sin embargo, un paso a paso de circuito cerrado no reemplaza completamente a un servomotor. Sus características de par de alta velocidad, capacidad de aceleración y ancho de banda de control todavía están influenciados por la estructura del motor paso a paso.
Un paso a paso de circuito cerrado puede ser adecuado cuando:
- La confiabilidad de circuito abierto es una preocupación
- La velocidad de funcionamiento es moderada.
- El costo debe permanecer por debajo de un servosistema completo.
- La aplicación requiere un control básico de errores de posición.
¿Qué motor es mejor para módulos de correa de distribución horizontal?
Para un módulo de correa de distribución horizontal, se pueden utilizar ambos tipos de motor. La decisión debe basarse en los requisitos de velocidad, carga útil y ciclo.
Un motor paso a paso suele ser adecuado para:
- Cargas útiles moderadas
- Velocidades de funcionamiento bajas o medias
- Movimiento de indexación simple
- Operación de arranque y parada poco frecuente
- Equipos sensibles a los costos
Normalmente se prefiere un servomotor para:
- Cargas pesadas en movimiento
- Posicionamiento de alta velocidad
- Alta aceleración
- Cambios de dirección frecuentes
- Ciclos de producción cortos
- Aplicaciones que requieren alarmas de movimiento
¿Qué motor es mejor para los módulos de correa de distribución vertical?
Las instalaciones verticales requieren atención adicional porque el motor debe soportar y mover la carga contra la gravedad.
Generalmente se prefiere un servomotor con freno de parada para módulos de correa dentada vertical, especialmente cuando la carga útil es pesada o el eje presenta un riesgo de caída durante una pérdida de potencia.
El freno está destinado a sujetar el eje cuando se detiene el motor o se corta la alimentación. Normalmente no debe utilizarse como dispositivo principal para desaceleraciones dinámicas repetidas.
Se puede utilizar un motor paso a paso para una carga vertical ligera, pero el diseño debe considerar:
- Par de aceleración ascendente disponible
- Calentamiento del motor mientras se mantiene la posición
- Prevención de caídas al apagar
- Requisitos de freno mecánico o contrapeso
- Factor de seguridad apropiado
Guía de selección de aplicaciones
| Requisito de solicitud | Motor recomendado | Razón |
|---|---|---|
| Transferencia de material a baja velocidad | motor paso a paso | Control sencillo y buen par a baja velocidad. |
| Posicionamiento básico punto a punto | motor paso a paso | Rentable para cargas predecibles |
| Recogida y colocación de alta velocidad | servomotor | Mejor velocidad, aceleración y respuesta dinámica. |
| Movimiento rápido de carrera larga | servomotor | Mayor rendimiento de par a alta velocidad |
| Automatización de carga útil variable | servomotor | El control de circuito cerrado se adapta mejor a los cambios de carga |
| Dispositivo de inspección económico | motor paso a paso | Adecuado cuando la velocidad y la carga son moderadas. |
| Eje de elevación vertical | Servomotor con freno | Mejor control dinámico y capacidad de retención de potencia |
| Eje de velocidad moderada que requiere retroalimentación | Motor paso a paso o servo de circuito cerrado | La selección depende de la aceleración y el presupuesto. |
| Producción industrial continua | servomotor | Adecuado para ciclos de trabajo elevados y monitoreo de fallas |
Preguntas que debe hacerse antes de seleccionar el motor
Antes de elegir un servo o motor paso a paso para un módulo lineal de correa de distribución, confirme la siguiente información:
- ¿Cuál es la carga útil total en movimiento?
- ¿Cuál es la velocidad lineal requerida?
- ¿Qué aceleración y desaceleración se requieren?
- ¿Cuál es la distancia efectiva de viaje?
- ¿Con qué frecuencia arrancará y se detendrá el eje?
- ¿El módulo está instalado horizontal o verticalmente?
- ¿Qué precisión de posicionamiento y repetibilidad se requieren?
- ¿Cambiará la carga útil durante la operación?
- ¿Se requiere retroalimentación de posición o detección de fallas?
- ¿Qué margen de seguridad se necesita?
- ¿Cuáles son las interfaces de comunicación y de controlador disponibles?
- ¿Cuál es el costo total aceptable del sistema?
Errores comunes en la selección de motores
Selección de un motor únicamente manteniendo el par
El par de mantenimiento del motor paso a paso se mide en reposo. El par disponible durante el movimiento puede ser mucho menor, especialmente a velocidades más altas.
Ignorar la inercia de la carga
Un motor puede tener suficiente par estático pero aun así acelerar lentamente si la inercia en movimiento es demasiado alta. La inercia del motor, la inercia de la polea, la inercia de la correa y la inercia de la carga útil deben considerarse juntas.
Uso de un margen de torsión insuficiente
Operar continuamente cerca del límite de torque del motor puede aumentar el riesgo de sobrecalentamiento, pasos perdidos o alarmas de servo.
Suponiendo que el servo elimina el error mecánico
Un servocodificador controla la rotación del motor, pero no puede eliminar por completo la elasticidad de la correa, la deformación del marco, los errores de las poleas o las imprecisiones de las guías.
Ignorar la seguridad del eje vertical
Los módulos de correa de distribución vertical pueden caerse cuando se corta la alimentación. Es posible que se requiera un motor de freno, un contrapeso o un dispositivo de seguridad mecánico.
Elegir sólo por precio de compra inicial
El motor de menor costo puede reducir la inversión inicial pero también puede limitar la velocidad, el rendimiento y la confiabilidad. La selección debe basarse en los requisitos totales de la aplicación.
Conclusión
Los motores paso a paso son adecuados para módulos lineales de correa de distribución con cargas moderadas, velocidades bajas o medias, movimientos predecibles y presupuestos limitados. Proporcionan un control sencillo, un buen par a baja velocidad y un funcionamiento económico para tareas básicas de posicionamiento.
Los servomotores se adaptan mejor a aplicaciones de alta velocidad, alta aceleración y ciclos de trabajo elevados. Su retroalimentación de circuito cerrado, su mayor torque a alta velocidad y sus capacidades de monitoreo de fallas brindan una mayor estabilidad en condiciones de carga dinámicas o cambiantes.
Los motores paso a paso de circuito cerrado ofrecen una opción intermedia cuando se requiere monitoreo de posición pero la aplicación no necesita el rendimiento dinámico completo de un servosistema.
La selección final del motor debe basarse en la carga útil, la velocidad, la aceleración, el desplazamiento, la dirección de instalación, los requisitos de posicionamiento y el ciclo de trabajo reales. La evaluación del motor junto con el módulo de la correa de distribución, el tamaño de la polea, el controlador y la estructura mecánica ayuda a garantizar un rendimiento de movimiento confiable y evita costos innecesarios del sistema.
