Cálculo de un eje servocontrolado

Riesgos de un mal cálculo

Seleccionar mal los componentes de tu servo sistema y servo mecanismos, puede significar el fracaso de todo el proceso de automatización.


En la mayoría de los casos, el equipo de integración detectará la falla de selección hasta el momento de arrancar la máquina, cuando la corrección implicará un cambio de componentes, tiempos largos de entrega y pérdidas económica irreparables.

Una mala selección puede llevar a las
siguientes consecuencias

Los servomotores en aplicaciones de control de movimiento, a diferencia de un motor de corriente alterna o directa convencional desempeñan diferentes valores de torque durante un ciclo completo.

Esta característica en las aplicaciones de control de movimiento puede llegar a ser un problema para la persona encargada de dimensionar el servomotor.

Omitir variables como, regeneración de energía, tiempos de paro de emergencia, indicadores térmicos, torque picos y RMS, sueles sen errores muy comunes en selecciones empíricas.

Existen mecanismos de diferentes gamas dentro de la industria, a diferencia de lo que se cree la capacidad de transmitir fuerza o torque suele estar deslindada de la calidad o especificidad del mecanismo. Cuando nos encontramos en la labor de definir componentes para una aplicación de control de movimiento existen variables, a veces no tomadas en cuenta, para identificar si el mecanismo o componente en cuestión es adecuado para un sistema servo. Algunas de ellas son, juego mecánico, inercia, capacidad de torque a la entrada, velocidad critica de operación, desalineación máxima, balanceo, entre otras.

En una aplicación de control de movimiento donde el servomotor va a desempeñar diferentes valores de torque en un ciclo de trabajo es crucial determinar el valor de torque equivalente o torque RMS para poder estimar las variables térmicas correspondientes tales como el indicador térmico S1, factores de reducción de torque nominal por temperatura o por perdida en la capacidad de disipación, factor de sobrecarga, porcentaje de utilización de la velocidad continua, entre otros.

Estas variables impactan directamente a la capacidad que tendrá el servomotor para enfriarse en determinada aplicación bajo condiciones de operación específicas.

La relación de inercias es un indicador numérico que involucra el momento de inercia total de la aplicación respecto a la inercia del servomotor. Para muchos fabricantes de maquinaria es la variable mas importante a la hora de dimensionar un servomotor.

De no ser considerada puede generar severas consecuencias en un servomotor, siendo una de las más comunes la imposibilidad de sintonizar el servomotor con carga o incluso la capacidad para controlar el sistema de manera óptima.

Muy pocas ocasiones el servomotor va a estar acoplado directamente a la carga que se desea posicionar. El funcionamiento deseado de la aplicación se llevará a cabo a través de diferentes transformaciones mecánicas que, en la mayoría de los casos suelen afectar directamente los requerimientos de velocidad.

A veces es complicado interpretar o abstraer cual es el requerimiento real de velocidad a la salida del servomotor. Elementos mecánicos como trenes de engranes, poleas o rodillos; tornillos de bolas, planetarios o maquinados; cigüeñales, levas, mecanismos excéntricos e incluso escalamientos poco comunes en el drive o PLC suelen representar diferentes etapas de reducción que afectan directamente la velocidad de la carga, o lo que es igual, la velocidad a la que debería de moverse el servomotor para obtener el perfil de movimiento deseado.

Las aplicaciones de control de movimiento en su mayoría suelen interpretar un comportamiento complejo en lo que a posicionamiento de la carga se refiere. Esto es traducido al servomotor como un perfil de movimiento dinámico. Con esto, no nos referimos a una aplicación de alta velocidad, aunque podría, sino a una aplicación con cambios de velocidad presentes.

Este comportamiento sumado a errores de instalación, desalineación, torques excesivos de apriete, entre muchos otros, pueden ocasionar un alto nivel de fatiga el cual solo puede concluir en la falla, ruptura o daño permanente en flechas, acoplamientos y elementos de conducción en general.

Los servomotores bajo ciertas condiciones de operaciones, mas comunes de los que se cree, pueden comportarse como un generador de energía en lugar de como una carga, esto debido al arreglo que existe entre el embobinado y los imanes permanentes del servomotor. Este fenómeno suele ser no tomado en cuenta en la mayoría de las selecciones empíricas y tienen como una de sus consecuencias mas graves fallas en drive por alta regeneración.

Un escenario muy común al dimensionar una aplicación servocontrolada existente o en etapa de diseño, es no contar con el espacio suficiente para agregar un reductor al sistema. La importancia de un reductor de velocidad en un sistema servo es crucial para obtener una excelente relación de inercia, utilizar servomotores y drives más pequeños e incluso agregar cierto grado de robustez a la máquina.

En muchos de los casos, el espacio que un reductor necesita para su montaje o las dimensiones del conjunto servomotor-reductor, suelen subestimarse u obviarse. Siendo necesario recurrir a equipos de gama alta con una mayor densidad de potencia mecánica (más torque en menor espacio) o configuraciones de montaje diferentes a un arreglo en línea.

En las aplicaciones de control de movimiento las variables de relación de inercias y comportamiento térmico suelen definir o influir de gran manera en la selección final del servomotor. Por lo tanto, es muy probable que en determinada aplicación servocontrolada la capacidad de torque pico del servomotor sea mayor a la que la aplicación necesita.

O dicho de otra forma que el servomotor pueda proporcionar más torque de lo que pueden soportar algunos elementos mecánicos del sistema, por ejemplo, reductores, acoplamientos, flechas, poleas, actuadores, entre otros. Debido a que el motivo por el cual se llegó a este supuesto tamaño de motor es indiferente a su capacidad de torque, es posible limitar a través del drive el porcentaje de corriente con el que trabajará el servomotor y de esta manera evitar fallas en el tren de componentes del sistema.

Reduce el riesgo de una selección empírica o basada en conceptos erróneos y garantiza el funcionamiento de los equipos seleccionados.

Conoce más sobre nuestra
experiencia y proceso de
cálculo.

Cálculo de riesgos

MECANISMOS QUE PODEMOS CALCULAR

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Plato de Indexado

Bobinadora Central

Rodillo de Alimentación

Banda transportadora

Sistema Piñón y Cremallera

Corona Dentada

Tornillo de bolas, planetario o maquinado

Ejes Excéntricos (Levas, cigüeñales)

Aplicación rotativa vertical con masa excéntrica.

Eje telescópico

Cálculo de Optimización o Ingeniería Inversa

Elementos mecánicos adicionales

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Plato de Indexado

Plato de Indexado

Esta aplicación requiere un cálculo de inercia meticuloso. La distribución y excentricidad de cada uno de los elementos en el plato son factores importantes para determinar las componentes de torque. Suelen ser aplicaciones de mediana o alta inercia y por consiguiente con radios de reducción altos.

Bobinadora Central

Bobinadora Central

Un eje de embobinado es ideal para ser servocontrolado. El incremento del diámetro de la bobina demanda cambios en la velocidad del sistema. Normalmente este eje suele est

Rodillo de Alimentación

Rodillo de Alimentación

Un alimentador servocontrolado permite suministrar sin contratiempos el material de manera continua. Variables como la fuerza de rozamiento y fuerza de contacto son consideradas para dimensionar correctamente el servomotor.

Banda transportadora

Banda transportadora

La necesidad de contar con bandas transportadoras o conveyors servocontrolados es importante cuando la aplicación requiere indexados definidos, posicionamientos variables o variaciones de velocidad. La fuerza de tensión en la banda tiene un protagonismo importante para poder transmitir el torque proporcionado por el servomotor de forma correcta al mecanismo.

Sistema Piñón y Cremallera

Sistema Piñón y Cremallera

Este es uno de los mecanismos más utilizados en los sistemas servocontrolados. Nos permite obtener una excelente precisión, desplazar grandes cargas, aceleraciones y velocidad altas y ser económicamente imbatible en carreras largas. El análisis de las fuerzas radiales producidas por las rampas de aceleración y el cálculo de precisión para el posicionamiento son algunos de los aspectos que no se pueden omitir en sistemas de este tipo.

Corona Dentada

Corona Dentada

Sin importar si los dientes se encuentran dentro o fuera de la corona. Es importante considerar el factor de corrección y la dirección del dentado para el correcto dimensionamiento del conjunto piñón, reductor y servomotor.

Tornillo de bolas, planetario o maquinado

Tornillo de bolas, planetario o maquinado

En este mecanismo son muchas las variables que se deben calcular para la selección tanto del servomotor como del tornillo. Las mas importantes para el mecanismo sueles ser: velocidad critica y tiempo de vida del tornillo; torque y velocidad máximo a la entrada; diámetro mínimo para evitar deflexión y paso.

Ejes Excéntricos (Levas, cigüeñales)

Ejes Excéntricos (Levas, cigüeñales)

Los ejes servocontrolados de este tipo suelen ser un reto importante para el dimensionamiento y selección del servomotor. La combinación de una operación continua y alta velocidad, son factores que determinan las características de los equipos propuestos. El radio excéntrico de la leva sumado a la compensación u offset del mecanismo son variables determinantes para esta clase de aplicaciones.

Aplicación rotativa vertical con masa excéntrica.

Aplicación rotativa vertical con masa excéntrica.

En estas aplicaciones se realizan análisis profundos y detallados sobre el uso de contrapesos para disminuir la excentricidad, cálculo de distancias de frenado en condiciones de tiempos de paro de emergencia para garantizar la seguridad de los operarios y capacidades de rodamientos para cargas en cantiléver.

Eje telescópico

Eje telescópico

El análisis de esta aplicación depende del tipo de transformación mecánica que permite el comportamiento telescópico. Estas suelen ser un sistema piñón-cremallera, un tornillo de bolas o un sistema de poleas. La masa móvil del eje telescópico y el diámetro de las poleas tensoras son cruciales para la correcta selección del conjunto servo-reductor.

Cálculo de Optimización o Ingeniería Inversa

Cálculo de Optimización o Ingeniería Inversa

El análisis de un servomotor instalado en una maquina existente se realiza mediante una simulación generada a partir de sus gráficas de posición, velocidad y corriente.

Este proceso nos permite conocer los niveles de utilización reales del eje servocontrolado, optimizar la selección de componentes, identificar problemas mecánicos o de sintonización, conocer el factor de seguridad con el que cuenta los equipos involucrados y contar con la oportunidad de mejorar y optimizar el performance de los dispositivos mecánicos vinculados al servomotor. Este proceso es ideal para prototipos, maquinas fabricadas en línea, migraciones o actualizaciones de tecnología o componentes.

Nuestro servicio de ingeniería inversa nos permite realizar una optimización a partir de condiciones reales de operación y así proporcionar beneficios tangibles en el desempeño de los equipos, reducción de costos a partir de un análisis documentado e incrementar la confianza de las soluciones proporcionadas por nuestros clientes.

Elementos mecánicos adicionales

Elementos mecánicos adicionales

Todas las aplicaciones servocontroladas cuentan con elementos adicionales necesarios para el

correcto funcionamiento de un mecanismo. Algunos de estos componentes pueden ser:

  • Trenes de engranes
  • Poleas, bandas, cadenas o sprockets
  • Coples de elastómero, fuelle o disk packs
  • Guías o bujes de bolas
  • Frenos de seguridad, limitadores de torque o clutches

Es necesario calcular las variables que determinen el correcto funcionamiento de dichos

componentes para garantizar el éxito del conjunto. Algunas de ellas son:

  • Fuerzas de tensión
  • Torque o fuerzas de fricción
  • Momentos soportados por guías o bujes lineales
  • Torques trasmitidos por tipo de sujeción
  • Torque, tiempo y desplazamientos de frenado
  • Torque de liberación en limitadores
  • Respuesta por señales eléctrica
Equipo servocontrolado

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