Revolucionando el control de movimiento con motores lineales

Los motores lineales han redefinido lo que es posible en el control de movimiento con un rendimiento más rápido, más preciso y más confiable en comparación con los actuadores lineales tradicionales impulsados por motores giratorios. La propiedad única de un motor lineal es que la carga se mueve sin componentes mecánicos de transmisión de potencia. En cambio, la fuerza lineal generada por el campo magnético de la bobina del motor está directamente acoplada a la carga. Esto elimina los dispositivos mecánicos que convierten el movimiento giratorio en lineal, mejorando así la vida útil, la precisión, la velocidad y el rendimiento general del sistema.

A medida que crece la demanda de mayor productividad, mayor calidad del producto, tiempo de desarrollo rápido y menores costos de ingeniería, la adopción de tecnología de motores lineales es cada vez más popular aprovechando los diseños de motores lineales modulares. Se encuentran en metrología, sistemas de corte de precisión, equipos de fabricación de semiconductores y electrónica, manipulación de obleas, litografía, sistemas de inspección por visión, equipos y dispositivos médicos, sistemas de prueba, aeroespacial y de defensa, automatización de líneas de montaje, aplicaciones de impresión y embalaje, y muchas otras aplicaciones. que requieren un alto rendimiento y un movimiento lineal de alta precisión.

Hoy, la nueva generación de motores lineales modulares ha cambiado las reglas del juego. Los motores lineales modulares llave en mano se pueden atornillar fácilmente a un sistema y están listos para funcionar inmediatamente, lo que reduce significativamente el tiempo de ingeniería. Los ingenieros ahora pueden aprovechar los poderosos beneficios de la tecnología de motores lineales modulares en los diseños de sus máquinas en apenas unos días, en lugar de meses o incluso años.

Nueve componentes principales componen los sistemas de motores lineales:

una placa base

una bobina de motor

Una pista magnética permanente (normalmente imanes de neodimio)

Un carro que conecta la bobina del motor a la carga.

Rieles lineales sobre los que se guía el carro y se conectan a la base

Un codificador lineal para retroalimentación de posición.

paradas finales

Una vía de cable

Fuelles opcionales para proteger la pista magnética, el codificador y los rieles lineales de la contaminación ambiental.

Los componentes del diseño de un motor lineal deben mecanizarse y ensamblarse con alta precisión y procesos repetibles. La alineación adecuada de estas piezas es fundamental y requiere importantes detalles de diseño y habilidad de montaje. Por ejemplo, la pista magnética y la bobina del motor móvil deben ser planas, paralelas y montadas con un espacio de aire particular entre ellas. La bobina móvil se desplaza sobre un carro conectado a rieles de rodamiento lineales de precisión paralelos sobre la pista magnética. El codificador de posición con escala lineal y cabezal de lectura es otra parte fundamental de un motor lineal que exige procedimientos de alineación adecuados y un diseño de montaje robusto para soportar aceleraciones de hasta 5 Gs. Con los motores lineales modulares, estos detalles ya están contabilizados y prediseñados desde el primer momento.

Se utilizan sofisticados controladores de movimiento y servoaccionamientos para controlar el movimiento del motor lineal. Los motores lineales tienen una clara ventaja en cuanto a rigidez y respuesta de frecuencia. En determinados rangos de frecuencia, presentan una rigidez que supera a los husillos de bolas tradicionales por un notable factor de 10 o más. Con este atributo, los motores lineales pueden manejar anchos de banda de bucles de velocidad y posición altos con una precisión impresionante, incluso con perturbaciones externas. A diferencia de los husillos de bolas, que a menudo encuentran frecuencias de resonancia entre 10 y 100 Hz, los motores lineales funcionan a frecuencias más altas, colocando sus resonancias mucho más allá del ancho de banda del bucle de posición.

Sin embargo, existe una compensación asociada con la eliminación de la transmisión mecánica. Los componentes mecánicos, como los husillos de bolas, ayudan a disminuir las perturbaciones provocadas por las fuerzas de las máquinas, las frecuencias de resonancia naturales o las vibraciones de los ejes transversales. Su eliminación deja a los motores lineales directamente expuestos a tales perturbaciones. En consecuencia, compensar estas perturbaciones pasa a ser responsabilidad del controlador de movimiento y de la electrónica de accionamiento, que debe abordarlas de frente, actuando directamente sobre el servoeje. Ahí es donde entran en juego los sofisticados algoritmos de movimiento de bucle cerrado actuales para eliminar resonancias y proporcionar un notable control del bucle de posición.

Dentro del ámbito de los actuadores lineales, los motores lineales proporcionan una destreza técnica excepcional. La capacidad de los motores para exhibir una rigidez superior y operar a frecuencias más altas los distingue de las alternativas tradicionales. Al desafiar las frecuencias resonantes y mantener una alta precisión incluso en presencia de perturbaciones externas, los motores lineales ofrecen una solución convincente.

Sin embargo, la ausencia de transmisión mecánica requiere estrategias de compensación sólidas para contrarrestar las perturbaciones, garantizando el rendimiento y la confiabilidad continuos del sistema. Las frecuencias de muestreo del controlador de movimiento para bucles de velocidad y posición suelen comenzar en 5 kHz. Un eje de motor lineal puede tener un ancho de banda de bucle de posición de cinco a diez veces mayor que el de un eje impulsado por motor giratorio convencional, donde son aceptables frecuencias de 1 o 2 kHz. Algunos controladores de movimiento actuales pueden muestrear frecuencias de 20 kHz o más, lo que permite un control de retroalimentación de velocidad ultraalta y un control de trayectoria ultrapreciso.

Dado que la mayoría de los fabricantes de motores lineales modulares también son expertos en control de movimiento y servos, muchos desafíos de los bucles de control y preocupaciones de resonancia mecánica también se han pensado bien, y se proporcionan soluciones y herramientas para mitigar estos desafíos.

Adquirí una valiosa experiencia en el uso de motores lineales hace años, cuando un equipo de ingenieros se embarcó en un proyecto revolucionario: crear la primera máquina de corte por láser basada en un motor lineal del mundo. El uso de motores lineales era la opción perfecta para revolucionar la industria, ya que las tecnologías tradicionales de actuadores lineales impulsados por servomotores rotativos no podían proporcionar las capacidades de alto rendimiento que se pueden lograr con los motores lineales.

Implementar la tecnología no fue una tarea fácil. A medida que profundizamos en el proyecto, nos dimos cuenta de que nuestra aplicación requería especificaciones de rendimiento del motor lineal que no estaban disponibles comercialmente. Sin inmutarnos, decidimos diseñar motores lineales específicamente para nuestra aplicación.

Nos enfrentamos a numerosos desafíos, ya que necesitábamos mover un sistema de pórtico de 1000 libras a una velocidad rápida de 2,5 m/s con una aceleración de 1,5 G, lo que significaba que teníamos que diseñar un motor lineal que pudiera producir fuerzas extremas. Nuestro equipo perseveró, dedicando innumerables horas a investigación y desarrollo hasta que finalmente ideamos un motor lineal que pudiera satisfacer las demandas de nuestra máquina de corte por láser. Fue un momento de orgullo cuando finalmente vimos nuestros motores lineales en acción 14 meses después, impulsando el sistema de pórtico con una velocidad, facilidad y precisión increíbles. El desempeño logrado no tuvo precedentes. Es sorprendente considerar cuánto más rápido se podría haber completado nuestro concepto de máquina si los motores lineales modulares llave en mano estuvieran disponibles en ese momento.

La tecnología de los motores lineales ha evolucionado enormemente desde que nos embarcamos en el diseño de motores lineales en los años 90. Con la introducción de nuevos diseños modulares, el potencial de innovación y progreso en el diseño de movimiento y motores lineales es mayor que nunca. Los motores lineales modulares están redefiniendo lo que es posible, con capacidades de control de movimiento más rápidas, precisas y confiables que se pueden implementar rápidamente para beneficiar una amplia gama de aplicaciones en muchas industrias.

Eric Davidson es representante de cuentas en Motion Ai (Birmingham, AL). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de agosto de 2023 de la revista Motion Design.

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