Reductor RV para posicionadores de soldadura: selección y cálculo de par para aplicaciones de soldadura de alta capacidad

Introducción

Un posicionador de soldadura es un componente de movimiento crítico en los sistemas de soldadura automatizada. Al girar y reposicionar una pieza de trabajo, permite que el robot de soldadura o el operario mantenga un ángulo de soldadura adecuado durante todo el proceso. Sin embargo, para los posicionadores de soldadura de servicio pesado, el accionamiento rotativo debe gestionar mucho más que una simple reducción de velocidad. Debe proporcionar un par de salida suficiente, alta rigidez torsional, rotación estable a baja velocidad, posicionamiento preciso y rendimiento fiable durante aceleraciones, desaceleraciones e inversiones frecuentes.

Por esta razón, unreductor RVse considera ampliamente una solución de transmisión adecuada para posicionadores de soldadura de servicio medio y pesado. En comparación con los reductores de engranajes convencionales, unreductor de engranajes RVpuede proporcionar alta densidad de par, alta rigidez, baja holgura y fuerte resistencia a las cargas de choque en un conjunto relativamente compacto.

Este artículo explica cómo seleccionar un reductor RV y un servomotor para un posicionador de soldadura teniendo en cuenta la masa de la pieza de trabajo, el radio de rotación, la velocidad de salida, el par de carga, la inercia, la aceleración y los requisitos de posicionamiento.

¿Por qué utilizar un reductor RV para un posicionador de soldadura?

Un posicionador de soldadura suele funcionar a una velocidad de salida relativamente baja mientras requiere un alto par en el eje rotativo. Al mismo tiempo, la pieza de trabajo puede pesar cientos o incluso miles de kilogramos.

Por lo tanto, el sistema de accionamiento debe convertir la salida de alta velocidad y relativamente bajo par de un servomotor en un movimiento rotativo controlado de alto par.

Un reductor RV es especialmente adecuado para esta aplicación porque combina varias características importantes para los posicionadores de soldadura:

• Altas relaciones de reducción

• Alto par de salida

• Alta rigidez torsional

• Baja holgura

• Alta densidad de par

• Buena resistencia a las cargas de choque

• Funcionamiento estable durante la rotación a baja velocidad

• Compatibilidad con sistemas de posicionamiento mediante servomotor

Sin embargo, el reductor RV correcto no debe seleccionarse únicamente en función del peso de la pieza de trabajo. El cálculo real debe considerar el perfil mecánico y de movimiento completo del posicionador de soldadura.

Parámetros de diseño típicos para un posicionador de soldadura

Considere un posicionador de soldadura con cabezal y contrapunto con las siguientes especificaciones preliminares:

El propósito de este cálculo es determinar la relación de reducción aproximada, el par del motor y la capacidad de par del reductor RV requeridos para el eje rotativo.

En una máquina real, los valores deben sustituirse por la geometría real de la pieza de trabajo, la posición del centro de gravedad, la masa del utillaje, la inercia, el tiempo de aceleración y el ciclo de operación.

Selección del reductor RV y cálculo del par

Paso 1: Calcular la velocidad de salida requerida

La velocidad máxima de rotación se especifica como:

70°/s

Conversión de la velocidad angular a revoluciones por minuto:

nL = 70 / 360 × 60

Por lo tanto:

nL ≈ 11.67 rpm

Por lo tanto, el posicionador de soldadura requiere una velocidad de salida de aproximadamente 11.7 rpm a la velocidad máxima de operación.

Esta baja velocidad de salida es una de las principales razones por las que se requiere un reductor de alta relación entre el servomotor y el eje rotativo.

Paso 2: Determinar la relación del reductor RV

Suponiendo un servomotor con una velocidad nominal de 3000 rpm:

i = nM / nL

Sustituyendo los valores:

i = 3000 / 11.67 ≈ 257

Por lo tanto, desde la perspectiva de adaptación de velocidad, es adecuada una relación de reducción de aproximadamente 250:1.

Por ejemplo, con una relación de reducción de 250:1:

nL = 3000 / 250 = 12 rpm

La velocidad de rotación correspondiente es:

12 × 360 / 60 = 72°/s

La velocidad máxima de salida resultante es de aproximadamente 72°/s, lo que supera ligeramente los 70°/s requeridos.

La relación de reducción real debe seleccionarse finalmente de acuerdo con la relación disponible del reductor RV, el rango de velocidad del servomotor y el perfil de movimiento requerido.

Paso 3: Calcular la inercia de la pieza de trabajo

La inercia rotacional de la pieza de trabajo influye significativamente en el par dinámico requerido por el posicionador de soldadura.

Para una estimación inicial de ingeniería, la carga puede simplificarse como una masa equivalente situada a un radio de rotación determinado:

JL = m × R²

Para una pieza de trabajo de 500 kg con un radio equivalente de 0.6 m:

JL = 500 × 0.6²

Por lo tanto:

JL = 180 kg·m²

Esta es solo una aproximación preliminar. En un posicionador de soldadura real, la inercia rotacional total también debe incluir el utillaje, el plato, la placa de montaje, el acoplamiento, el eje de salida y otros componentes giratorios.

Para piezas de trabajo grandes o irregulares, calcular el centro de masa y el momento de inercia reales producirá un resultado mucho más fiable.

Paso 4: Calcular el par de carga gravitacional

Si el centro de gravedad de la pieza de trabajo está descentrado respecto al eje rotativo, la gravedad genera un par de carga estático.

La relación básica es:

TL = m × g × e

donde m es la masa de la pieza de trabajo, g es la aceleración gravitacional y e es la distancia perpendicular entre el centro de gravedad y el eje rotativo.

Si se supone un descentramiento efectivo de 600 mm:

TL = 500 × 9.81 × 0.6

Por lo tanto:

TL ≈ 2943 N·m

Este valor representa el par gravitacional bajo la condición de carga excéntrica asumida.

Es importante distinguir entre el radio físico de la pieza de trabajo y el descentramiento del centro de gravedad. Si el centro de gravedad de la pieza de trabajo está cerca del eje rotativo, el par gravitacional real será significativamente menor que en este ejemplo conservador.

Esta distinción es importante al seleccionar un reductor RV para un posicionador de soldadura real.

Paso 5: Considerar el par de aceleración y desaceleración

El par estático es solo una parte del cálculo.

Durante la aceleración y la desaceleración, el sistema rotativo también debe superar la inercia de la pieza de trabajo.

El par de inercia puede estimarse mediante:

TJ = JL × α

donde JL es la inercia rotacional total y α es la aceleración angular en el lado de la pieza de trabajo.

Esto significa que dos posicionadores de soldadura que transportan la misma pieza de trabajo de 500 kg pueden requerir reductores RV completamente diferentes si sus tiempos de aceleración son distintos.

Por ejemplo, un posicionador diseñado para una rotación lenta y suave puede tener un par dinámico relativamente bajo, mientras que un posicionador de alta velocidad con aceleración y frenado rápidos puede generar un par máximo considerablemente mayor.

Por lo tanto, el perfil de aceleración y desaceleración siempre debe incluirse en la selección final del reductor RV.

Paso 6: Calcular el par requerido del servomotor

El par de salida del reductor RV puede aproximarse mediante:

Tout = TM × i × η

Por lo tanto, el par de motor requerido es:

TM = Tout / (i × η)

Suponiendo:

TL = 2943 N·m

i = 250

η = 0.85

El par en el lado del motor resulta:

TM = 2943 / (250 × 0.85)

TM ≈ 13.85 N·m

Si se aplica un factor de seguridad preliminar de 2.0:

TM,rated = 13.85 × 2

TM,rated ≈ 27.7 N·m

Por lo tanto, el servomotor debe tener un par nominal de aproximadamente 28 N·m o superior bajo esta condición de carga asumida.

Un servomotor típico de 11 kW que funciona a 3000 rpm proporciona aproximadamente:

T = 9550 × P / n

T = 9550 × 11 / 3000

T ≈ 35 N·m

A partir de este cálculo preliminar, un servomotor de 11 kW y 3000 rpm puede proporcionar suficiente par nominal para la condición asumida.

Sin embargo, la selección final del motor también debe verificar el par máximo, la capacidad de sobrecarga, la capacidad térmica, la resolución del encoder y el ciclo de trabajo completo.

Paso 7: Seleccionar el reductor RV según el par de salida

El reductor RV debe ser capaz de transmitir continuamente el par de carga requerido y también gestionar el par transitorio durante la aceleración, la desaceleración, las paradas de emergencia y la inversión.

Utilizando un factor de seguridad preliminar de 2.0:

Tcontinuous ≥ 2943 × 2

Tcontinuous ≥ 5886 N·m

Para una comprobación conservadora de carga máxima utilizando tres veces el par de carga estático:

Tpeak ≥ 2943 × 3

Tpeak ≥ 8829 N·m

Por lo tanto, para esta condición de carga excéntrica asumida, un reductor RV con aproximadamente:

Par de salida nominal ≥ 6000 N·m

y:

Capacidad de par máximo ≥ 9000 N·m

sería un punto de partida razonable para una selección posterior del modelo.

El reductor real debe seleccionarse de acuerdo con el par nominal del fabricante, el par máximo admisible, el factor de servicio, la velocidad de entrada, la vida nominal y el ciclo de trabajo.

¿Por qué es importante el par máximo en los posicionadores de soldadura?

Un posicionador de soldadura rara vez funciona a velocidad constante.

Un ciclo de movimiento típico puede incluir:

Aceleración → rotación a velocidad constante → desaceleración → parada → rotación inversa

Durante estas transiciones, el par de inercia de la pieza de trabajo puede ser significativo.

La parada de emergencia puede generar cargas transitorias aún mayores.

Por esta razón, seleccionar un reductor RV únicamente según su par nominal continuo puede dar como resultado un sistema de transmisión de tamaño insuficiente.

Los siguientes parámetros deben verificarse conjuntamente:

• Par de salida continuo

• Par máximo de salida

• Velocidad de entrada

• Velocidad de salida

• Inercia de carga

• Aceleración y desaceleración

• Ciclo de trabajo

• Cargas radiales y axiales

• Holgura y rigidez torsional

Este enfoque proporciona una base mucho más fiable para la selección del reductor RV.

Holgura del reductor RV y precisión de posicionamiento

La precisión de posicionamiento es otra consideración importante para los posicionadores de soldadura automatizados.

La cadena de transmisión mecánica normalmente consta de:

Servomotor → reductor RV → eje de salida → utillaje → pieza de trabajo

Cualquier error mecánico en esta cadena puede influir en la posición final de la pieza de trabajo.

La holgura es especialmente importante porque invertir la dirección de rotación puede introducir un error angular entre los lados de entrada y salida.

Por ejemplo, suponiendo un error angular de 1 arcmin:

θ = 1 / 60 × π / 180

θ ≈ 0.000291 rad

A un radio de rotación de 600 mm:

ΔL = θ × R

ΔL ≈ 0.000291 × 600

ΔL ≈ 0.175 mm

Este ejemplo muestra que, cuando la aplicación requiere una repetibilidad lineal de aproximadamente 0.1 mm en el radio de la pieza de trabajo, la holgura del reductor por sí sola puede convertirse en un factor importante.

Sin embargo, la precisión de posicionamiento del sistema no puede determinarse únicamente a partir de la holgura del reductor.

También depende de:

• Resolución del encoder del servo

• Rendimiento del control servo

• Precisión de transmisión del reductor RV

• Deformación torsional

• Rigidez del eje de salida

• Rigidez del utillaje

• Precisión de instalación

• Deformación de la pieza de trabajo

Por lo tanto, un encoder de alta resolución no garantiza automáticamente una alta precisión de posicionamiento mecánico.

¿Cómo mejorar el rendimiento de posicionamiento de un posicionador de soldadura?

Utilizar un reductor RV de baja holgura y alta rigidez

Un reductor con baja holgura y alta rigidez torsional ayuda a reducir el movimiento angular causado por los cambios de carga y el movimiento de inversión.

Utilizar un encoder absoluto de alta resolución

Un encoder absoluto proporciona una realimentación precisa al sistema servo y puede reducir la incertidumbre de posicionamiento.

Para aplicaciones que requieren retención de posición después de una pérdida de alimentación, también puede considerarse un encoder absoluto multiturno.

Aumentar la rigidez estructural del lado de salida

Incluso un reductor RV de alto rendimiento no puede compensar una deformación excesiva en el eje de salida, la placa de montaje, el utillaje o el bastidor de la máquina.

Por lo tanto, la estructura mecánica debe diseñarse con suficiente rigidez para la carga real de la pieza de trabajo.

Considerar la realimentación de posición en el lado de salida

Para posicionadores de soldadura de alta precisión, la realimentación directa de posición en el eje de salida puede proporcionar información más precisa sobre la posición real de la pieza de trabajo que depender únicamente del encoder situado en el lado del motor.

Posicionadores de soldadura de accionamiento único frente a accionamiento doble

Los posicionadores de soldadura con cabezal y contrapunto pueden utilizar un único accionamiento rotativo o una configuración de doble accionamiento.

Posicionador de soldadura de accionamiento único

Con un diseño de accionamiento único, un sistema de accionamiento proporciona el par rotativo principal. Por lo tanto, el reductor RV, el eje de salida, la disposición de rodamientos y el bastidor de la máquina deben diseñarse para soportar la condición de carga completa.

Posicionador de soldadura de doble accionamiento

Una configuración de doble accionamiento utiliza servomotores y reductores en ambos extremos de la pieza de trabajo.

Si la carga se distribuye uniformemente, cada accionamiento puede gestionar teóricamente aproximadamente la mitad del par medio total.

Sin embargo, la carga total no puede dividirse simplemente entre dos durante el diseño final de ingeniería.

Las diferencias en alineación mecánica, sincronización de servos, rigidez, fricción y distribución de carga pueden provocar un reparto desigual del par entre los dos sistemas de accionamiento.

Por lo tanto, un posicionador de soldadura de doble accionamiento requiere tanto sincronización mecánica como control servo coordinado.

Ventajas principales de los reductores RV para posicionadores de soldadura

Alta rigidez torsional

La alta rigidez torsional ayuda a mantener un posicionamiento estable de la pieza de trabajo durante la soldadura y reduce la deflexión angular causada por cargas cambiantes.

Alta densidad de par

Un reductor de engranajes RV puede proporcionar un alto par de salida dentro de una carcasa relativamente compacta, lo que lo hace adecuado para ejes rotativos de servicio pesado con espacio de instalación limitado.

Baja holgura

La baja holgura ayuda a mejorar la precisión de inversión y el posicionamiento repetible, lo cual es especialmente importante para las aplicaciones de soldadura robótica.

Alta resistencia a las cargas de choque

Las piezas de trabajo grandes pueden generar cargas transitorias significativas durante la aceleración, la desaceleración, la carga y la parada de emergencia. Un reductor RV de tamaño adecuado puede proporcionar la robustez mecánica requerida para estas condiciones de operación.

Adecuado para movimiento controlado por servo

Los reductores RV pueden combinarse con servomotores de CA y encoders de alta resolución para crear sistemas de posicionamiento rotativo de lazo cerrado para equipos de soldadura automatizados.

Ejemplo de selección de reductor RV para un posicionador de soldadura de 500 kg

Para el ejemplo considerado en este artículo:

Basándose en estos cálculos preliminares, puede considerarse para una evaluación posterior un reductor RV con un par de salida nominal de alrededor de 6000 N·m o superior y suficiente capacidad de par máximo.

El modelo exacto de reductor debe confirmarse después de comprobar el centro de gravedad real de la pieza de trabajo, la inercia total, el tiempo de aceleración, el ciclo de operación, las cargas radiales y axiales, la configuración de montaje y la vida útil requerida.

Errores comunes al seleccionar un reductor RV para un posicionador de soldadura

Seleccionar el reductor únicamente según el peso de la pieza de trabajo

Una pieza de trabajo de 500 kg no requiere automáticamente la misma especificación de reductor RV en todas las aplicaciones.

El descentramiento del centro de gravedad, la inercia, la aceleración y la geometría del utillaje pueden cambiar significativamente el par requerido.

Ignorar el par dinámico

El par gravitacional estático no es suficiente para aplicaciones que implican aceleración rápida, frenado o inversión.

El par de inercia debe incluirse en el cálculo final.

Seleccionar únicamente según la potencia del motor

Un servomotor de 11 kW no determina automáticamente el reductor RV correcto.

El reductor debe adaptarse según la velocidad de entrada, el par de salida, el par máximo, la relación de reducción, la inercia, el ciclo de trabajo y la carga mecánica.

Ignorar la holgura

Un reductor puede proporcionar suficiente par pero aun así no cumplir el rendimiento de posicionamiento requerido si su precisión mecánica y rigidez son inadecuadas para la aplicación.

Ignorar el utillaje y la estructura giratoria

La pieza de trabajo no es la única masa giratoria. Los platos, utillajes, placas de montaje, acoplamientos, ejes y otros componentes también contribuyen a la inercia rotacional total.

Conclusión

Seleccionar un reductor RVpara un posicionador de soldadura requiere más que adaptar el reductor al peso de la pieza de trabajo. El sistema rotativo completo debe evaluarse en función del par de carga, el descentramiento del centro de gravedad, la inercia rotacional, la aceleración, la velocidad máxima, el par máximo, la holgura, la rigidez torsional y los requisitos de posicionamiento.

Para el ejemplo de posicionador de soldadura de 500 kg analizado en este artículo, una velocidad máxima de rotación de 70°/s corresponde a una velocidad de salida de aproximadamente 11.67 rpm. Al utilizar un servomotor de 3000 rpm, una relación de reducción de alrededor de 250:1 proporciona una velocidad de salida de aproximadamente 12 rpm.

Bajo el descentramiento asumido de 600 mm del centro de gravedad, el par gravitacional calculado es de aproximadamente 2943 N·m. Con un factor de seguridad preliminar, el requisito de par de salida continuo alcanza aproximadamente 5886 N·m, mientras que una comprobación conservadora de carga máxima da aproximadamente 8829 N·m.

Esto proporciona un punto de partida útil para seleccionar un reductor de engranajes RV de alto par y alta rigidez para posicionadores de soldadura de servicio pesado.

Sin embargo, para el diseño de una máquina real, estos cálculos deben refinarse utilizando el centro de gravedad real de la pieza de trabajo, la inercia rotacional completa, el perfil de aceleración y frenado, la masa del utillaje, las cargas radiales y axiales, el ciclo de operación y los datos técnicos específicos del reductor RV seleccionado.

Un reductor RV y un servomotor correctamente adaptados pueden proporcionar la combinación de alto par, posicionamiento preciso, rotación estable a baja velocidad y rigidez mecánica requerida para posicionadores de soldadura robótica, rotadores de soldadura y otros equipos rotativos automatizados de servicio pesado.