Los clientes exigen menor mantenimiento y menor tamaño de los equipos, así como una mayor rapidez en la producción y la configuración de las máquinas. Para satisfacer estas necesidades, los fabricantes de equipos están optando por el control servoasistido en lugar de los componentes mecánicos.

El control de movimiento define las capacidades y limitaciones de una máquina. Por lo tanto, para maximizar su rendimiento y flexibilidad, y reducir el mantenimiento, a menudo es necesario actualizar la forma en que se controla el movimiento dentro de esa máquina. La mayoría de las razones para convertir de diseños y dispositivos de control tradicionales a servocontrol son para obtener uno o más de estos beneficios:

• Aumentar el rendimiento. Los servomotores producen altas tasas de aceleración y velocidades.
• Mayor precisión. Los servomotores pueden ofrecer la alta precisión necesaria para procesar una pieza que se mueve rápidamente.
• Mayor flexibilidad. Los servomotores ofrecen versiones electrónicas de componentes tradicionalmente mecánicos. Por ejemplo, los perfiles de leva electrónicos se pueden modificar casi instantáneamente. Los perfiles de movimiento programables se adaptan a diferentes tamaños y configuraciones de producto. Las relaciones de transmisión electrónicas se pueden ajustar para adaptarse a distintas velocidades de la máquina. Además, gracias a la transmisión electrónica, los motores se pueden ubicar en cualquier lugar que resulte conveniente para la aplicación, ya que eliminan la necesidad de ejes largos, engranajes y correas.

Además, un único eje eléctrico puede conectarse a un número prácticamente ilimitado de ejes. En máquinas con múltiples configuraciones, esto significa que los ejes de movimiento adicionales no requieren conexiones mecánicas adicionales.

Los servomotores también aportan flexibilidad gracias a la mayor cantidad de información disponible. Por ejemplo, muchos controladores de servomotores almacenan un historial de fallos y condiciones de error que facilitan la resolución de problemas. La mayoría de los sistemas de servomotores también pueden mostrar diagramas tipo osciloscopio para el análisis del rendimiento. • Reducción del mantenimiento. Los servomotores ayudan a reducir el número de piezas mecánicas en una máquina. Los engranajes electrónicos sustituyen a las correas. Las levas electrónicas no se ven afectadas por el desgaste. Los interruptores de límite electrónicos no necesitan reajustes ni reemplazos periódicos.

Los servomotores requieren cierta cantidad de estudio y experiencia. Si es nuevo en el control de servomotores, espere dedicar algún tiempo a seleccionar y aplicar su primer sistema. (Una nota sobre la terminología de servomotores: la palabra controlador tiene varios usos. El sistema omovimientoEl controlador normalmente ejecuta el programa que controla el movimiento;motorEl controlador controla unomotorPara evitar confusiones, nos referiremos a los controladores de motor como variadores.

Dimensionamiento y selección de la aplicación

Seleccionar y dimensionar los componentes de un servomotor puede parecer complejo debido a la cantidad de componentes: motores, variadores, controlador y la posibilidad de un PC industrial o un PLC. Si tienes experiencia en mecánica, esto puede resultar intimidante. Afortunadamente, las empresas —proveedores de componentes e integradores de sistemas de control— ofrecen paquetes con estos componentes y asistencia para su aplicación. Ya sea que lo hagas tú mismo o compres un paquete, el proceso básico es:

Primero, seleccione el motorPara empezar a seleccionar el motor, elija su forma. Los motores con una relación de aspecto grande (largos y de diámetro pequeño) son los más comunes. Pueden ser cuadrados o redondos y ofrecen una excelente relación calidad-precio y rendimiento. Los motores de disco (cortos y de diámetro grande) se adaptan a espacios reducidos y proporcionan una alta aceleración gracias a sus rotores de baja inercia. Ambos tipos de motores están disponibles en versiones selladas y sin sellar.

Los motores sin carcasa o integrales separan el rotor y el estator para su integración en la máquina. Estos motores permiten un diseño compacto y mejoran el funcionamiento de accionamiento directo al aumentar la precisión y reducir las vibraciones.

Los motores lineales, que sustituyen a un motor rotativo estándar y a sus mecanismos de accionamiento asociados, generan movimiento lineal directamente. Pueden aumentar simultáneamente la productividad y la precisión varias veces.

Dimensionamiento del motorEl tamaño del motor se basa principalmente en el par motor: máximo y continuo. Dimensionar los motores puede ser complejo y los errores pueden no detectarse hasta etapas avanzadas del ciclo de desarrollo. Dado que en ese momento puede resultar difícil aumentar el tamaño del motor, es recomendable incluir un margen en los cálculos. Si no tiene experiencia en este proceso, probablemente debería consultar con los ingenieros de aplicaciones de las empresas fabricantes de motores.

Seleccione la retroalimentaciónLos dispositivos de retroalimentación más comunes son los codificadores y los resolutores. Los codificadores son dispositivos ópticos que generan un tren de pulsos. El número de pulsos es proporcional al desplazamiento angular. Ofrecen alta precisión, especialmente a altas resoluciones. Los resolutores son dispositivos electromecánicos que detectan la posición absoluta en una revolución del motor y se caracterizan por su robustez. Elija el que mejor se adapte a su aplicación.

Tras seleccionar el tipo de sensor de retroalimentación, deberá elegir su resolución. Generalmente, un codificador de 1000 líneas o, de forma equivalente, un resolver de 12 bits, proporcionarán una resolución suficiente. Ambos generan aproximadamente 4000 posiciones diferentes por revolución, lo que equivale a una resolución de aproximadamente 0,1 grados. Sin embargo, si su aplicación requiere una mayor resolución, deberá seleccionar el sensor adecuado. Una advertencia: distinga entre resolución y precisión. Muchos servomotores ofrecen resolución seleccionable para la retroalimentación del resolver; sin embargo, la precisión (normalmente entre 10 y 40 minutos de arco) puede no verse afectada.

Seleccione la unidadConsidere si prefiere la fuente de alimentación modular (independiente) o integrada en la unidad. Con tres o más unidades de la misma familia cerca, las fuentes de alimentación modulares funcionan bien. Con un solo eje, las fuentes de alimentación integradas suelen ser más adecuadas. Con dos ejes, ambas soluciones son prácticamente iguales.

Si planea instalar una carcasa para la unidad, tenga en cuenta que los tamaños de las unidades varían considerablemente y pueden afectar el tamaño total del equipo. Dependiendo del tamaño de la carcasa, también deberá considerar diversas opciones de refrigeración.

Conmutación sinusoidal frente a la conmutación de seis pasos.

La forma de onda de potencia que va del variador al motor suele presentarse de dos maneras en los servomotores sin escobillas: de seis pasos y sinusoidal. En la onda sinusoidal, la corriente generada por el variador produce una forma de onda que se aproxima a una onda sinusoidal. Esto produce un par motor más suave y genera menos calor. El método de seis pasos produce una onda cuadrada de seis segmentos mediante componentes electrónicos sencillos. Si bien es más económico, el método de seis pasos presenta un funcionamiento irregular a bajas velocidades.

Flexibilidad de ajusteLa sintonización, el proceso de seleccionar las ganancias en los bucles de retroalimentación, es necesaria para un alto rendimiento y para mantener un funcionamiento estable. Antiguamente, la sintonización era más un arte que una ciencia. Ahora, los servomotores modernos ofrecen una gran variedad de herramientas para ayudar a los diseñadores de máquinas. La autosintonización (o ajuste automático), proceso en el que el servomotor excita el sistema mecánico y genera un conjunto de ganancias de bucle, es prácticamente un estándar. La mayoría de los servomotores se configuran con ganancias digitales, por lo que no necesitará un soldador ni un potenciómetro (un pequeño destornillador). Puede que solo necesite los métodos más complejos ocasionalmente, pero tenerlos disponibles le brinda más opciones.

Los controladores analógicos pueden ser más económicos, pero es posible que necesite ajustar los bucles modificando potenciómetros o cambiando componentes pasivos. Sea cual sea su elección, la puesta a punto forma parte del proceso de aprendizaje y requiere estudio y experimentación.

Impulsar la comunicaciónMuchos variadores utilizan una señal analógica para transmitir las órdenes de velocidad y par. Sin embargo, la comunicación digital está ganando popularidad, ya que reduce el cableado y aumenta la flexibilidad del sistema. Muchos variadores son compatibles con redes como DeviceNet, Profibus y una nueva red específica para el control de movimiento llamada Sercos.

VoltajeTenga en cuenta que la alimentación de 110 V CA puede ser difícil de conseguir en la planta de producción. En Europa, se suele utilizar 460 V CA; el uso de variadores de 230 V CA puede requerir un transformador en las máquinas destinadas al mercado internacional. Lamentablemente, los variadores de 460 V CA pueden ser costosos. Una solución intermedia es la fuente de alimentación universal, que utiliza semiconductores de potencia para convertir los niveles de voltaje. En sistemas con fuentes de alimentación modulares, una fuente de alimentación universal puede utilizar cualquier voltaje de 230 a 480 V CA para alimentar varios ejes de 230 V CA.

Un último punto a considerar: al utilizar solo un número reducido de familias de variadores en una máquina, se simplifica la lista de piezas de repuesto.

Seleccione el controlador

Al seleccionar el controlador, elija entre uno de un eje o de varios ejes. Los controladores de un eje integran un controlador de movimiento, un variador y, a menudo, una fuente de alimentación en un solo paquete. En sistemas de uno o dos ejes, estos controladores pueden reducir el costo, el tamaño, el cableado y la complejidad del sistema.

Los controladores multieje suelen ser más adecuados para sistemas más complejos. En primer lugar, generalmente reducen los costos, especialmente a medida que aumenta el número de ejes. En segundo lugar, reducen la complejidad del sistema, ya que un solo programa puede controlar todo el movimiento. Estos controladores de movimiento también ofrecen mayor flexibilidad en la sincronización, puesto que permiten que cualquier eje se conecte con cualquier otro y que dicha conexión se modifique durante la ejecución del programa.

Tras seleccionar el controlador, deberá elegir entre una configuración en caja o en placa. La configuración en caja consiste en un controlador encapsulado que puede funcionar de forma independiente. Los controladores en placa se conectan a ordenadores industriales. Si su máquina ya cuenta con un ordenador industrial, una placa compatible puede reducir costes y mejorar la integración entre el control y la máquina. Si no tiene previsto utilizar un ordenador industrial, el controlador en caja suele ser más fácil de instalar.

Evaluar el conjunto de características

Finalmente, evalúe las características del controlador. Considere las funciones analizadas hasta ahora: engranajes, levas, registro de alta velocidad e interruptores de límite programables. La mayoría de los controladores ofrecen estas características de alguna forma, pero es necesario compararlas con las necesidades de su aplicación. ¿Necesita cambiar las relaciones de transmisión durante el funcionamiento? ¿Necesita modificar los perfiles de leva sobre la marcha? ¿Qué precisión de registro requiere? ¿Necesita cambiar la velocidad o la posición objetivo durante el funcionamiento? ¿El controlador admite suficientes ejes para esta aplicación? ¿Será compatible con futuras versiones de su máquina?

Gestión de costes

El coste de los servomotores suele ser superior al de los componentes mecánicos a los que sustituyen. Sin embargo, algunos factores importantes compensan este mayor coste. Por ejemplo, la eliminación de dispositivos mecánicos complejos puede reducir el coste total y el tamaño de la máquina, lo que incrementa el valor del sistema. El controlador de servomotores suele sustituir a un PLC; en este caso, se puede compensar el coste total de la conversión a servomotores. La mayor flexibilidad puede reducir el número de modelos de máquinas o de procesos necesarios para producir una línea de producción, disminuyendo así los costes de fabricación.

Consideraciones generales

Más allá de las funciones de movimiento, hay otras preguntas que plantearse. ¿El lenguaje es compatible con sus procesos? ¿Es tan complejo que requerirá un tiempo excesivo para aprenderlo? ¿El producto admite la multitarea? La multitarea, una técnica que permite escribir programas diferentes para procesos distintos, simplifica la programación de máquinas complejas.

Puede resultar difícil responder a todas estas preguntas, sobre todo si no tienes experiencia en el control electrónico de movimiento. La mayoría de las empresas que ofrecen controladores brindan un buen soporte. Durante el proceso de selección, haz muchas preguntas. Esto no solo te ayudará a evaluar el producto, sino también el soporte. Por último, considera el futuro del desarrollo en tu empresa. Elige proveedores que puedan ofrecer productos y soporte tanto ahora como en los próximos años.