Motor de accionamiento directo frente a plataforma rotativa hueca: cómo elegir la solución de movimiento rotativo adecuada para equipos de automatización

En la fabricación 3C, los equipos para semiconductores, la inspección de precisión, el procesamiento láser, las máquinas herramienta y los sistemas de ensamblaje automatizados, seleccionar un eje rotatorio no es simplemente una cuestión de elegir un motor.

Un sistema completo de movimiento rotatorio debe tener en cuenta el par motor, la velocidad, la precisión de posicionamiento, la inercia de la carga, la rigidez, el tiempo de respuesta, el enrutamiento de los cables, el espacio de instalación y la estabilidad operativa a largo plazo.

Por eso, los diseñadores de equipos a menudo se enfrentan a una pregunta fundamental:

¿Debe accionarse la carga giratoria directamente mediante un motor de accionamiento directo , o debe utilizarse una plataforma giratoria hueca para lograr un par de salida mayor a través de un mecanismo de reducción de precisión integrado?

Para algunas aplicaciones, también se pueden considerar otras soluciones, como actuadores rotativos armónicos y reductores planetarios de precisión .

El enfoque correcto no consiste en decidir de antemano que una máquina debe usar un motor de accionamiento directo o una plataforma giratoria hueca. En cambio, primero se deben analizar los requisitos de movimiento rotatorio y, posteriormente, seleccionar la arquitectura mecánica adecuada.

Comience por definir qué necesita lograr el eje rotatorio.

Un eje rotatorio puede parecer similar por fuera, pero su función real puede ser completamente diferente dependiendo de la máquina.

Por ejemplo, una plataforma giratoria en un equipo de inspección de semiconductores puede requerir un posicionamiento angular extremadamente estable y un escaneo de alta velocidad. Una mesa giratoria multiestación en una máquina de ensamblaje 3C puede priorizar el tiempo de ciclo, la capacidad de carga y la repetibilidad. Un sistema de procesamiento láser puede requerir rotación continua y un control preciso de la trayectoria, mientras que una máquina herramienta de cuarto eje puede priorizar la rigidez, la capacidad de carga y la resistencia a las fuerzas de corte.

Todos estos sistemas requieren movimiento rotatorio, pero no necesariamente requieren la misma solución.

Por lo tanto, el primer paso en la selección del eje rotatorio debe ser establecer un perfil de movimiento completo.

El diseñador del equipo necesita comprender la carga, el momento de inercia, el ángulo de rotación requerido, la velocidad máxima, el tiempo de aceleración, el tiempo de estabilización y las horas de funcionamiento diarias.

Una vez que estos parámetros estén claros, la elección entre un motor de accionamiento directo y una plataforma giratoria hueca adquiere mucho más sentido.

Cuando la alta respuesta dinámica es la prioridad, el motor de accionamiento directo tiene una clara ventaja.

El valor fundamental de un motor de accionamiento directo reside en que el motor está conectado directamente a la carga.

No existe caja de cambios, correa de distribución ni transmisión de engranajes intermedia entre el motor y el componente accionado.

Esta arquitectura es especialmente adecuada para equipos en los que la trayectoria del movimiento es fundamental.

Consideremos una plataforma giratoria que necesita realizar escaneos repetidos a alta velocidad:

rotación, desaceleración, inversión y aceleración nuevamente.

Cuanto más corta sea la trayectoria de transmisión mecánica, más directamente podrá actuar el sistema de control sobre la carga.

Para movimientos alternativos de alta frecuencia, un motor de accionamiento directo puede reducir la influencia del juego mecánico, la deformación elástica y la dinámica de transmisión en el control del movimiento.

Esta es una de las principales razones por las que se consideran los motores de accionamiento directo para ejes rotativos de alta precisión y dinámica.

Sin embargo, el valor de un motor de accionamiento directo no reside simplemente en que proporciona "alta precisión".

Y lo que es más importante, permite que el motor, el codificador y la carga formen un sistema de control de movimiento de bucle cerrado más directo.

Esta arquitectura puede resultar especialmente valiosa cuando una máquina requiere escaneo continuo, indexación de alta velocidad o movimiento bidireccional frecuente.

Cuando la gran inercia, la rigidez y la integración modular son importantes, una plataforma giratoria hueca puede ser más adecuada.

No todos los ejes rotatorios requieren un rendimiento dinámico extremo.

Muchas máquinas automatizadas siguen una secuencia de movimientos relativamente simple:

La pieza de trabajo entra en la estación, gira hasta un ángulo específico, se detiene, completa el montaje o la inspección y, a continuación, pasa a la siguiente estación.

En este tipo de equipos, los requisitos reales pueden ser:

Gran capacidad de carga, alta inercia, alta rigidez, enrutamiento centralizado de cables y menor tiempo de desarrollo del equipo.

Una plataforma giratoria hueca puede ser una solución más práctica en estas situaciones.

Una plataforma rotativa hueca integra normalmente la interfaz del motor, el mecanismo de reducción de precisión, el cojinete de salida y la estructura hueca en un módulo compacto.

En lugar de diseñar todo:

• estructura de montaje del motor

• mecanismo de reducción

• cojinete de salida

• sistema de soporte rotatorio

El fabricante del equipo puede seleccionar una plataforma adecuada en función de la carga, la velocidad, la relación de reducción y las dimensiones de instalación requeridas.

Esto resulta especialmente valioso para equipos automatizados que necesitan ser replicados en grandes cantidades.

Para los fabricantes de equipos, la verdadera preocupación a menudo no es solo el precio de compra del componente, sino también:

• tiempo de diseño mecánico

• tiempo de montaje

• tiempo de puesta en servicio

• Plazo de entrega final del equipo.

Desde esta perspectiva, una plataforma giratoria hueca es esencialmente una solución de movimiento rotatorio modular.

No juzgues la solución únicamente por su precisión.

Un error común en la selección de ejes rotatorios es suponer lo siguiente:

"Cuanto mayor sea el requisito de precisión, más apropiado deberá ser un motor de accionamiento directo."

Esto no siempre es cierto.

Por ejemplo, una máquina de ensamblaje 3C de varias estaciones puede necesitar girar a varias posiciones y permanecer estable en cada estación.

Sus prioridades reales podrían ser:

• repetibilidad

• estabilidad de carga

• rigidez rotacional

• tiempo de ciclo.

Si una plataforma rotativa hueca ya cumple con estos requisitos, puede que haya poca justificación para añadir complejidad al sistema simplemente para lograr un mayor rendimiento dinámico teórico.

Por otro lado, si la máquina necesita mantener un movimiento de alta precisión durante la rotación continua, como en el escaneo, la inspección visual o el procesamiento láser, la arquitectura de accionamiento directo de un motor de accionamiento directo puede ofrecer ventajas significativas.

Por lo tanto, la pregunta de selección debería cambiar de:

"¿Qué producto tiene mayor precisión?"

a:

"¿El eje rotatorio realiza principalmente funciones de posicionamiento o de control de movimiento continuo?"

Se trata de requisitos de diseño fundamentalmente diferentes.

Para cargas rotativas de alta inercia, evalúe todo el sistema de movimiento.

Supongamos que una máquina automatizada necesita accionar una mesa giratoria relativamente grande.

Puede que la mesa en sí no sea extremadamente pesada, pero debido a que una parte significativa de su masa se encuentra alejada del centro de rotación, su momento de inercia puede llegar a ser considerable.

En esta situación, no basta con fijarse únicamente en el par nominal del motor.

El sistema debe evaluarse en función de:

inercia de carga, aceleración, tiempo de aceleración y tiempo de ciclo objetivo.

Un motor de accionamiento directo debe generar directamente el par de aceleración requerido, por lo que el tamaño del motor puede aumentar rápidamente a medida que aumenta la inercia de la carga.

Una plataforma giratoria hueca puede utilizar un mecanismo de reducción para disminuir la inercia de carga reflejada en el lado del motor, al tiempo que aumenta el par de salida.

Por lo tanto, para mesas giratorias grandes, fijaciones pesadas y mecanismos giratorios de varias estaciones, el motor, el mecanismo de reducción, el sistema de rodamientos y la estructura de salida deben evaluarse como un sistema integrado.

Esta es una de las razones por las que las plataformas rotativas huecas siguen siendo altamente competitivas en muchas aplicaciones de automatización.

Una estructura hueca es más que un simple enrutamiento de cables.

La estructura hueca de una plataforma giratoria a veces se considera una característica secundaria.

En los equipos de automatización, sin embargo, puede influir directamente en la arquitectura mecánica general.

Imagina una plataforma giratoria que necesita enrutar:

• cables de alimentación

• cables codificadores

• tuberías neumáticas

• líneas de vacío

• cableado del sensor

En el caso de un eje giratorio sólido, es posible que sea necesario tender estas líneas por el exterior.

A medida que la plataforma gira continuamente, pueden ser necesarios componentes adicionales como portacables, juntas rotativas o mecanismos de protección de cables.

Una estructura hueca permite que estas líneas pasen por el centro del eje de rotación.

Esto puede reducir las interferencias del cable a la vez que hace que el equipo sea más compacto.

Por lo tanto, para mesas giratorias multiestación, equipos de ensamblaje automatizados, plataformas de inspección y dispositivos de fijación giratorios, una estructura hueca no es simplemente una especificación más. Puede representar una importante ventaja en el diseño mecánico.

La solución adecuada debe evaluarse a lo largo de todo el ciclo de vida del equipo.

Si solo se considera el precio de compra inicial, una solución puede parecer menos costosa.

Para los fabricantes de equipos, sin embargo, el cálculo más significativo es el coste total del ciclo de vida.

Por ejemplo, un motor de accionamiento directo sin carcasa puede requerir trabajo de ingeniería adicional para su diseño:

• el sistema de cojinetes

• soporte del rotor

• Estructura de montaje del codificador

• alineación mecánica.

Por lo tanto, la inversión inicial en ingeniería mecánica puede ser mayor.

Sin embargo, para equipos de alto volumen, esta arquitectura puede proporcionar un rendimiento de movimiento suficiente como para justificar el esfuerzo de ingeniería adicional.

Por otro lado, una plataforma rotativa hueca puede reducir significativamente el trabajo de desarrollo mecánico.

Un módulo estandarizado puede acortar el tiempo de diseño, montaje y puesta en marcha.

Para un fabricante de equipos, este valor puede no aparecer directamente en el precio de compra del componente. En su lugar, puede aparecer como:

• ciclos de desarrollo más cortos

• entrega más rápida

• menores costos de ingeniería.

Por este motivo, una comparación de soluciones reales debería tener en cuenta lo siguiente:

Coste del componente + Coste de ingeniería + Coste de montaje + Coste de puesta en marcha + Coste de mantenimiento

en lugar de simplemente comparar los precios de compra de dos componentes.

Los diferentes ejes rotatorios pueden utilizar diferentes soluciones.

Una máquina compleja no necesita necesariamente utilizar la misma tecnología rotativa para cada eje.

Por ejemplo, una máquina de automatización 3C puede contener:

un eje de escaneo visual de alta velocidad, un eje rotatorio multiestación, un eje de posicionamiento de precisión y varios ejes rotatorios auxiliares.

Estos ejes tienen requisitos de movimiento completamente diferentes.

Un eje de escaneo de alta velocidad puede beneficiarse de un motor de accionamiento directo.

Un eje giratorio encargado de accionar una mesa de gran inercia o un mecanismo de indexación de varias estaciones puede ser más adecuado para una plataforma giratoria hueca.

Una junta rotativa robótica que opere en un espacio de instalación limitado puede requerir un actuador de transmisión armónica o un módulo de junta armónica para lograr una alta relación de reducción y una alta densidad de par.

Para ejes de transmisión donde es necesario equilibrar eficiencia, velocidad y coste, un reductor planetario de precisión combinado con un servomotor puede ser otra opción práctica.

Este enfoque se acerca más al diseño de máquinas en el mundo real.

El objetivo no es utilizar un mismo producto para cada eje rotatorio, sino seleccionar la solución de movimiento más adecuada para cada eje en función de sus condiciones de funcionamiento.

Seleccione la solución rotativa trabajando a la inversa a partir de los requisitos de la máquina.

El proceso de selección puede simplificarse comenzando con algunas preguntas fundamentales.

En primer lugar, ¿el equipo requiere control directo del movimiento o multiplicación del par mediante reducción?

Si la alta respuesta dinámica, el escaneo continuo y la respuesta rápida son fundamentales, se debe evaluar un motor de accionamiento directo.

Si lo que más importa es un par motor elevado y una gran capacidad de carga, una plataforma giratoria hueca puede ser más adecuada.

En segundo lugar, ¿la máquina requiere un enrutamiento centralizado del cableado?

Si es necesario que tubos neumáticos, cables, líneas de vacío o sensores atraviesen el eje giratorio, la utilidad de una estructura hueca se vuelve mucho más significativa.

En tercer lugar, ¿el eje giratorio tiene una gran inercia de carga o una carga externa elevada?

Si el sistema experimenta cargas radiales, axiales o momentos de vuelco significativos, es necesario evaluar cuidadosamente la rigidez mecánica y del cojinete de salida, en lugar de fijarse únicamente en el par motor.

Por último, también deben tenerse en cuenta la capacidad de ingeniería y los plazos de entrega del propio fabricante del equipo.

Si el equipo de ingeniería necesita un eje rotatorio altamente personalizado, un motor de accionamiento directo sin bastidor ofrece mayor libertad para la integración mecánica.

Si el objetivo es desarrollar equipos estandarizados rápidamente, una plataforma rotativa hueca puede reducir una cantidad considerable de trabajo de diseño mecánico y puesta en marcha.

Un motor de accionamiento directo, una plataforma giratoria hueca y otras tecnologías pueden conformar una solución de movimiento completa.

Desde la perspectiva de las soluciones de maquinaria, los motores de accionamiento directo y las plataformas rotativas huecas no deben tratarse como productos aislados.

Pueden complementar otras tecnologías de movimiento.

Para ejes rotativos de alta precisión y dinámica, un motor de accionamiento directo puede proporcionar un control directo de la carga.

Para mecanismos rotativos automatizados que requieren alta rigidez, gran capacidad de inercia y enrutamiento centralizado de cables, una plataforma rotativa hueca puede proporcionar una solución altamente integrada.

Para articulaciones robóticas que requieren una alta relación de reducción, una alta densidad de par y dimensiones compactas, un actuador de accionamiento armónico o un módulo de articulación armónica pueden ser más apropiados.

Para sistemas de transmisión que requieren un equilibrio entre eficiencia, velocidad de entrada, par de salida y coste, un reductor planetario de precisión puede proporcionar otra solución práctica.

En conjunto, estas tecnologías forman un concepto más amplio:

Solución de movimiento rotatorio

en lugar de ser simplemente una colección de componentes individuales.

Conclusión: No existe una única solución óptima para ejes rotatorios.

Los motores de accionamiento directo y las plataformas rotativas huecas no deben considerarse simplemente como productos que compiten entre sí.

Resuelven diferentes problemas de ingeniería.

Un motor de accionamiento directo es especialmente adecuado para ejes rotativos que priorizan el accionamiento directo, una alta respuesta dinámica, el movimiento continuo y un control de movimiento preciso.

Una plataforma giratoria hueca es especialmente adecuada para equipos automatizados que requieren multiplicación de par, alta rigidez, manejo de cargas de gran inercia, enrutamiento centralizado de cables e integración modular rápida.

En máquinas más complejas, se pueden utilizar motores de accionamiento directo, plataformas rotativas huecas, actuadores rotativos armónicos y reductores planetarios de precisión dentro del mismo sistema.

Por lo tanto, la pregunta más útil para un ingeniero de equipos no es:

"¿Qué es mejor, un motor de accionamiento directo o una plataforma giratoria hueca?"

La pregunta más pertinente es:

"¿Qué problema necesita resolver realmente este eje rotatorio?"

Una vez definidos claramente la carga, la inercia, la velocidad, la precisión, la rigidez, el tiempo de ciclo, el espacio de instalación y los requisitos de enrutamiento de cables, resulta mucho más fácil identificar la solución rotativa adecuada.

Esta es también la dirección que HONPINE puede destacar en su cartera de productos de movimiento: no limitarse a suministrar un único componente de transmisión, sino ayudar a los clientes a seleccionar la solución de movimiento rotatorio adecuada según las condiciones de funcionamiento reales de sus equipos.