Automatización industrial
TL;DR
Los sistemas de automatización de recogida y colocación en el ensamblaje de productos electrónicos, el envasado farmacéutico y la manipulación precisa de materiales requieren una repetibilidad de posicionamiento de 10 a 50 micras a velocidades de ciclo de 60 a 120 recogidas por minuto. Los servomotores con engranajes tradicionales introducen holgura en la trayectoria de transmisión —normalmente de 3 a 10 minutos de arco para las cajas de engranajes planetarios y de 1 a 3 minutos de arco para las cajas de engranajes de transmisión armónica— lo que limita la precisión de posicionamiento alcanzable y crea una incertidumbre posicional que debe compensarse mediante rutinas de corrección de software. Servomotor de accionamiento directoLos servomotores de accionamiento directo eliminan por completo la caja de engranajes al acoplar el rotor del motor directamente al eje de carga, transmitiendo el par mediante una conexión de campo magnético sin holgura en lugar de engranajes mecánicos. Este artículo presenta una comparación técnica del rendimiento de los servomotores de accionamiento directo frente a los de engranajes en aplicaciones de recogida y colocación, incluyendo la comparación de la densidad de par, la capacidad de aceleración, los requisitos de resolución del codificador para el posicionamiento a nivel micrométrico, las consideraciones de gestión térmica para el funcionamiento continuo a alta velocidad y una metodología de selección basada en la masa de la carga útil, la frecuencia de ciclo y los requisitos de precisión de posicionamiento. Los datos de comparación provienen de la línea de productos de motores de accionamiento directo de Vicks Servo, utilizados en máquinas de colocación de componentes electrónicos y sistemas automatizados de envasado farmacéutico.
El problema del juego mecánico en los sistemas de servomotores con engranajes
En una máquina típica de recogida y colocación, Accionamiento de servomotorEl cabezal de posicionamiento se acciona mediante una caja de engranajes, ya sea una caja de engranajes planetarios en el eje giratorio o una transmisión armónica en las articulaciones del brazo. La caja de engranajes cumple dos funciones: multiplicar el par para mover la carga útil y compensar la inercia entre el rotor del motor y la carga. La contrapartida de estas funciones es la holgura mecánica, que crea una zona muerta en la trayectoria de transmisión donde el motor puede girar sin mover la carga.
Cajas de engranajes planetarios, el tipo más común en aplicaciones de automatización, tienen un juego típico de 3 a 10 minutos de arco (0,05 a 0,17 grados) para diseños de una etapa y de 8 a 15 minutos de arco para diseños de dos etapas. En el efector final de un brazo de recogida y colocación con un radio de 300 mm, 5 minutos de arco de juego se traducen en aproximadamente 0,4 mm de incertidumbre de posición en el punto central de la herramienta. Para aplicaciones de recogida y colocación que manipulan componentes electrónicos con paso de 0,4 a 1,0 mmespaciado de los pinesEsta reacción adversa es demasiado grande como para lograr una colocación fiable sin rutinas de asentamiento a baja velocidad o corrección posicional basada en la visión.
Las cajas de engranajes de transmisión armónica reducen el juego a 1-3 minutos de arco, aproximadamente 0,1-0,3 mm a un radio de 300 mm, pero a un costo significativamente mayor y con una eficiencia mecánica menor (60-75 por ciento en comparación con 85-95 por ciento para Cajas de engranajes planetariosEl accionamiento armónico también introduce una tensión torsional (amortiguación) que genera errores de posicionamiento adicionales bajo diferentes condiciones de carga. Ambos tipos de reductores requieren lubricación periódica y sustitución de juntas, lo que incrementa la carga de mantenimiento en entornos de funcionamiento continuo.
El problema del juego no se elimina con el ajuste del servo o la resolución del codificador. Un codificador de alta resolución en el eje del motor (20 bits o superior) puede resolver la posición del eje del motor a 0,001 grados, pero esta resolución no tiene sentido para el posicionamiento de la carga si la caja de engranajes introduce un juego de 3 a 10 minutos de arco entre la posición del codificador y la posición real de la carga. El juego de la caja de engranajes crea una banda muerta posicional que Controlador de servo No se puede medir ni corregir porque el codificador del motor está en la entrada de la caja de engranajes, no en la salida. La única forma de eliminar este error de posicionamiento es trasladar el codificador a la carga de la caja de engranajes o eliminarla por completo mediante la tecnología de accionamiento directo.
Diseño y características de rendimiento de los servomotores de accionamiento directo
Un servomotor de accionamiento directo elimina la necesidad de una caja de engranajes gracias a un diseño de motor de alto par y baja velocidad, con el rotor acoplado directamente al eje de carga. El par del motor se transmite mediante el campo magnético entre los imanes permanentes del rotor y los devanados del estator, una conexión sin holgura que responde instantáneamente a las órdenes de posición sin la zona muerta de los engranajes mecánicos. La precisión de posicionamiento solo está limitada por la resolución del codificador y la rigidez estructural del sistema de rodamientos del motor, no por la holgura de la transmisión.
El parámetro clave de rendimiento para los motores de accionamiento directo en aplicaciones de recogida y colocación es la relación par-inercia. Los motores de accionamiento directo deben producir un par suficiente para acelerar la carga directamente sin la multiplicación de par de una caja de engranajes. Un motor de accionamiento directo para una carga útil de 5 kg a un radio de 300 mm —típico para aplicaciones de recogida y colocación de tamaño medio— requiere un par nominal continuo de 15-25 Nm y un par máximo de 40-70 Nm. Nuevo MéjicoLa inercia del rotor del motor suele ser de 0,005 a 0,020 kg·m² para este rango de par, lo que resulta en una constante de tiempo mecánica (el tiempo necesario para alcanzar el 63 % de la velocidad máxima) de 5 a 15 milisegundos. Esta constante de tiempo es comparable o incluso más rápida que la de un servomotor con engranajes y caja de engranajes planetarios, ya que la inercia y la flexibilidad de la caja de engranajes se eliminan del sistema dinámico.
La capacidad de aceleración de los motores de accionamiento directo está limitada por el par máximo del motor y la inercia reflejada total (rotor del motor + carga). Para el ejemplo de carga útil de 5 kg con un radio de 300 mm, la inercia de carga reflejada es de aproximadamente 0,45 kg·m². Un motor de accionamiento directo con un par máximo de 60 Nm puede alcanzar una aceleración angular de 125 rad/s², lo que se traduce en una aceleración lineal de 37,5 m/s² (3,8 g) en el centro de la herramienta. Este nivel de aceleración es suficiente para velocidades de ciclo de 80 a 120 selecciones por minuto en aplicaciones de ensamblaje electrónico. Gama de productos de servomotores Incluye modelos de accionamiento directo que ofrecen un par motor continuo de 3 Nm a 200 Nm para diversos tamaños de carga útil de recogida y colocación.
Resolución del codificador y precisión de posicionamiento
En un sistema de accionamiento directo, la resolución del codificador determina directamente la precisión de posicionamiento alcanzable porque el codificador mide la posición de la carga directamente; no hay una caja de engranajes entre el codificador y la carga. Para aplicaciones de recogida y colocación que requieren una repetibilidad de ±10 micras en el punto central de la herramienta en un radio de brazo de 300 mm, la resolución angular requerida en el eje rotatorio se calcula utilizando la fórmula de longitud de arco: resolución angular = resolución lineal / radio del brazo. Para ±10 micras a 300 mm: resolución angular = 0,010 mm / 300 mm = 0,0000333 radianes = 0,00191 grados = aproximadamente 6,9 segundos de arco. Esta resolución angular requiere un codificador con al menos 360 grados / 0,00191 grados por conteo = aproximadamente 188.335 conteos por revolución, lo que es equivalente a una resolución de 18 bits (262.144 conteos por revolución) con margen.
Los servomotores de accionamiento directo Vicks están equipados de serie con codificadores absolutos de 23 bits (8.388.608 pulsos por revolución), que proporcionan una resolución angular de 0,000043 grados (0,15 segundos de arco), aproximadamente 12 veces más fina que la resolución requerida para un posicionamiento de ±10 micras a un radio de 300 mm. En el centro de la herramienta, esta resolución del codificador se traduce en una resolución de posición teórica de aproximadamente 0,2 micras, muy por debajo del límite de repetibilidad mecánica impuesto por la holgura de los rodamientos, la dilatación térmica y la flexibilidad estructural del cabezal de posicionamiento. La posición absoluta del codificador está disponible inmediatamente al encender la máquina, sin necesidad de una rutina de referenciado, lo que reduce el tiempo de arranque en entornos de producción.
La frecuencia de retroalimentación del codificador es otro parámetro crítico para las aplicaciones de recogida y colocación. A frecuencias de ciclo de 100 recogidas por minuto con un tiempo de movimiento y estabilización de 300 milisegundos por recogida, el controlador servo debe procesar la retroalimentación de posición y generar comandos de corriente a una frecuencia de bucle de 4-8 kHz para mantener la precisión de trayectoria requerida. Nuestros motores de accionamiento directo se integran con servocontroladores que admiten una frecuencia de actualización de bucle de corriente de 8 kHz con una frecuencia de actualización de bucle de posición de 4 kHz, lo que proporciona un ancho de banda suficiente para los perfiles de movimiento de alta velocidad y carrera corta típicos de las aplicaciones de recogida y colocación. Línea de productos de servoaccionamiento Está diseñado con el control de corriente de alto ancho de banda necesario para el funcionamiento del motor de accionamiento directo.
Gestión térmica en funcionamiento continuo a alta velocidad
Los motores de accionamiento directo en aplicaciones de recogida y colocación presentan un desafío térmico que los servomotores con engranajes no comparten. En un sistema con engranajes, la caja de engranajes multiplica el par, lo que permite que el motor funcione a mayor velocidad y menor par del que requiere la carga. El tamaño reducido del motor disipa el calor en una superficie menor, pero la menor eficiencia de la caja de engranajes genera calor adicional en la etapa de reducción. En un sistema de accionamiento directo, el motor funciona a la velocidad de la carga y debe proporcionar el par de carga directamente, lo que implica que el motor tiene un tamaño mayor y la densidad de corriente en los devanados es mayor en el pico de par.
La gestión térmica en los motores de accionamiento directo se aborda mediante tres características de diseñoPrimero, la clase de aislamiento del bobinado del estator es típicamente Clase H (clasificada para operación continua a 180 °C) o Clase N (clasificada para 200 °C), lo que permite una mayor densidad de corriente sin degradación del aislamiento. Segundo, el bastidor del motor incorpora un canal de refrigeración por agua integral: una ranura en espiral mecanizada en la carcasa del estator que hace circular agua de refrigeración a 5-15 litros por minuto para eliminar el calor de los bobinados del estator. El sistema de refrigeración por agua reduce la resistencia térmica del motor entre un 40 y un 60 por ciento en comparación con la refrigeración por convección natural, lo que permite una salida de par continuo 2-3 veces mayor con el mismo tamaño de bastidor. Tercero, los imanes permanentes del rotor están clasificados para operar hasta 150 °C sin desmagnetización; típicamente samario-cobalto (SmCo) o neodimio-hierro-boro (NdFeB) con imanes de grado de alta temperatura.
En una aplicación típica de recogida y colocación que funciona a 100 ciclos por minuto con un ciclo de trabajo del 50 % (el tiempo de movimiento es igual al tiempo de estabilización), la disipación de potencia del motor es de aproximadamente 200-500 vatios para un motor de accionamiento directo de gama media con un par continuo de 20 Nm. Con refrigeración por agua a 8 litros por minuto y una temperatura del agua de entrada de 20 °C, la temperatura de la carcasa del motor se estabiliza entre 55 y 70 °C, muy por debajo de los límites de la clase de aislamiento. Para aplicaciones donde no se dispone de refrigeración por agua, la potencia nominal del par continuo del motor debe reducirse entre un 30 % y un 50 %, y puede ser necesario reducir la frecuencia de ciclo para evitar la sobrecarga térmica. Para aplicaciones refrigeradas por aire, nuestro Máquina integrada de accionamiento directo La serie incluye modelos con carcasas con aletas optimizadas para la refrigeración por convección natural.
Metodología de dimensionamiento específica para cada aplicación
Para seleccionar el servomotor de accionamiento directo adecuado para una aplicación de recogida y colocación, es necesario calcular cuatro parámetros: el par máximo requerido, el par continuo requerido, la aceleración angular máxima y el ciclo de trabajo térmico. El proceso de dimensionamiento comienza con la especificación de la carga: masa de la carga útil, longitud del brazo (radio desde el eje de rotación hasta el centro de la herramienta), requisito de precisión de posicionamiento y frecuencia de ciclo.
El requisito de par máximo está dominado por el par de aceleración durante el segmento de movimiento del ciclo de recogida y colocación. Para un movimiento punto a punto con un perfil de velocidad trapezoidal —el perfil más común en recogida y colocación— el par de aceleración se calcula como T_acc = (J_total × ω_pico) / t_acc, donde J_total es la inercia reflejada total (inercia de carga + inercia del rotor del motor), ω_pico es la velocidad angular máxima y t_acc es el tiempo de aceleración. Para un ciclo típico de recogida y colocación con un brazo de 300 mm, una carga útil de 3 kg y una tasa de ciclo objetivo de 80 recogidas por minuto, el par máximo es de aproximadamente 40-55 Nm, lo que requiere un motor de accionamiento directo con una clasificación de par máximo de 60-80 Nm para proporcionar un margen de par del 15-30 por ciento para la variación de la trayectoria.
El requisito de par continuo se calcula a partir del par RMS durante el ciclo completo de recogida y colocación, incluyendo los segmentos de aceleración, velocidad constante, desaceleración y estabilización. El segmento de estabilización —típicamente de 30 a 50 milisegundos para el posicionamiento dentro de ±10 micras— contribuye con un par medio mínimo, pero extiende el tiempo del ciclo. El par RMS para el ejemplo de 80 recogidas por minuto es de aproximadamente 12 a 18 Nm, lo que requiere un motor con una clasificación de par continuo de 15 a 25 Nm a la velocidad de funcionamiento de 100 a 300 RPM. La relación entre el par máximo y el par continuo (el factor de sobrecarga de par) para los motores de accionamiento directo es típicamente de 3:1 a 5:1, en comparación con 2:1 a 3:1 para los servomotores con engranajes, porque la constante de tiempo térmica del motor de accionamiento directo es más larga (15 a 30 minutos frente a 5 a 10 minutos para los motores con engranajes) debido a la mayor masa del rotor.
Para aplicaciones con cargas útiles superiores a 10 kg o longitudes de brazo superiores a 500 mm, se requiere un motor de accionamiento directo con un tamaño de bastidor mayor y un par motor más elevado. Como alternativa, se puede utilizar un motor de par motor: un motor de accionamiento directo con un factor de forma plano de gran diámetro optimizado para un alto par motor a baja velocidad. Los motores de par motor proporcionan un par motor continuo de 100 a 2000 Nm a velocidades de 10 a 200 RPM, adecuados para aplicaciones de recogida y colocación de cargas pesadas, como la manipulación de placas de circuito impreso de gran formato o la colocación de frascos farmacéuticos. Página de producto de automatización industrial Incluye directrices de selección para aplicaciones de accionamiento directo y motores de par en diferentes rangos de carga útil y precisión.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es el período de amortización típico para la actualización de un servomotor con engranajes a un sistema de accionamiento directo?
¿Pueden los servomotores de accionamiento directo sustituir a los servomotores con engranajes existentes sin necesidad de rediseñar la máquina?
¿Cuál es la máxima precisión de posicionamiento que se puede lograr con servomotores de accionamiento directo?
¿Qué mantenimiento requiere un servomotor de accionamiento directo?
¿Cómo se compara el coste de los servomotores de accionamiento directo con el de los sistemas de servomotores con engranajes?
¿Es adecuado un servomotor de accionamiento directo para aplicaciones de eje vertical?
Vicks Servo Intelligent Equipment (Ningbo) Co., Ltd. fabrica servomotores de accionamiento directo, servoaccionamientos y soluciones de control de movimiento para automatización industrial, moldeo por inyección y aplicaciones de fabricación de precisión. Para obtener asesoramiento sobre el dimensionamiento del motor para aplicaciones específicas de recogida y colocación, visite nuestra página web. catálogo de productos o página del servomotor para especificaciones técnicas.