¿Por qué los servomotores y los reductores de velocidad forman una combinación ideal?

¿Cuáles son las ventajas de los servomotores?

Los servomotores ofrecen tres ventajas clave: respuesta rápida, alta precisión de posicionamiento y excelente controlabilidad. Sin embargo, los servomotores convencionales suelen entregar su potencia nominal a velocidades relativamente altas, con un par limitado disponible directamente en el eje del motor.

Muchos servomotores de CA tienen velocidades nominales de aproximadamente 1,500–3,000 rpm, mientras que algunos modelos de alta velocidad superan las 5,000 rpm. A una potencia mecánica determinada, el par disminuye a medida que aumenta la velocidad de rotación. Por ejemplo, un servomotor de 1 kW que funciona a 3,000 rpm produce un par nominal de aproximadamente 3.2 N·m.

Este par puede ser insuficiente para accionar directamente un brazo robótico que pese decenas de kilogramos. Según el tamaño y la aplicación del robot, las articulaciones de la muñeca pueden requerir pares máximos de decenas o incluso cientos de newton-metros, mientras que las articulaciones de la base pueden requerir varios cientos de newton-metros.

¿Se puede diseñar un servomotor para que entregue un par elevado a baja velocidad? Sí: los motores de par de accionamiento directoestán diseñados para este fin. Sin embargo, alcanzar el par requerido puede implicar compromisos en cuanto al tamaño, el peso, el costo y la gestión térmica del motor. Estos factores pueden dificultar el accionamiento directo en articulaciones robóticas con estrictas limitaciones de espacio y peso.

El principal reto consiste en adaptar las características de funcionamiento del motor a la carga: el servomotor gira relativamente rápido, mientras que la articulación robótica suele necesitar una velocidad más baja y un par más elevado. Un reductor permite salvar esta diferencia.

¿Cómo mejora un reductor el rendimiento de un servomotor?

Un reductor no solo disminuye la velocidad de rotación. También aumenta el par de salida, reduce la inercia de carga reflejada en el motor y mejora la resolución teórica de posición en la salida.

1. Menor velocidad y mayor par de salida

Si se ignoran las pérdidas, la potencia mecánica se mantiene aproximadamente constante a través del reductor. Al reducir la velocidad, el par de salida disponible aumenta en proporción a la relación de reducción. En la práctica, también debe tenerse en cuenta la eficiencia de transmisión:

Par de salida = Par del motor × Relación de reducción × Eficiencia de transmisión

Consideremos un reductor armónicocon una relación de reducción de 50:1. Con un par de entrada de 3.2 N·m y una eficiencia de transmisión supuesta del 70–80 %, el par de salida calculado es 3.2 × 50 × 0.70–0.80 = 112–128 N·m.

Esto ilustra cómo un servomotor compacto puede entregar un par considerablemente mayor mediante un reductor. No obstante, la salida real debe mantenerse dentro de los límites de par nominal, de aceleración y máximo del reductor, y la eficiencia debe verificarse para las condiciones de funcionamiento previstas.

2. Menor inercia de carga reflejada

Otra función importante de un reductor es reducir la inercia de carga reflejada en el eje del motor. La inercia de carga reflejada se divide entre el cuadrado de la relación de reducción:

Inercia de carga reflejada = Inercia de carga ÷ Relación de reducción²

Por ejemplo, consideremos una mesa giratoria con una inercia de carga de 100 kg·m². Con un reductor de 50:1, la inercia de carga reflejada en el motor pasa a ser 100 ÷ 50² = 0.04 kg·m², una reducción por un factor de 2,500.

Este es un ejemplo matemático de reflexión de inercia, no un cálculo completo para dimensionar el motor. También deben tenerse en cuenta la inercia del reductor, la aceleración requerida, la fricción y la velocidad de funcionamiento. Aun así, reducir la inercia de carga reflejada puede facilitar que el servosistema controle una carga exigente.

3. Mayor resolución teórica de posición en la salida

El encoder del motor tiene una resolución fija. Si proporciona un millón de cuentas por revolución del motor, el accionamiento directo ofrece un millón de cuentas por revolución de salida.

Con un reductor de 50:1, el motor completa 50 revoluciones por cada revolución de salida. Por lo tanto, el sistema proporciona el equivalente a 50 millones de cuentas del encoder por revolución de salida, lo que mejora 50 veces la resolución teórica de posición en la salida.

Sin embargo, la resolución no es lo mismo que la precisión de posicionamiento. El juego, el error de transmisión, la deformación elástica, la precisión del encoder y el rendimiento del control influyen en la posición real de salida.

En conjunto, la multiplicación del par, la reducción de la inercia y la mayor resolución teórica de posición explican por qué los reductores se utilizan ampliamente junto con servomotores en robótica y automatización.

¿Qué permite que un servomotor y un reductor funcionen bien juntos?

Una combinación eficaz requiere algo más que acoplar un motor rápido a una salida más lenta. La adaptación de inercias, el juego y la rigidez torsional afectan al rendimiento del sistema completo.

Adaptación de inercias: ¿puede el motor controlar la carga?

El rendimiento del servo se ve afectado por la relación entre la inercia reflejada en el eje del motor y la inercia del rotor. Una relación de inercias elevada puede dificultar la aceleración, la deceleración y la estabilización rápidas, especialmente cuando la transmisión tiene una rigidez limitada.

Una relación de inercias de aproximadamente 10:1 o menos suele utilizarse como guía inicial de dimensionamiento, mientras que los requisitos de respuesta más exigentes pueden llevar a los diseñadores a buscar una relación de alrededor de 5:1 o inferior. Estos valores son puntos de partida, no límites universales. La relación aceptable depende del servodrive, el motor, la estructura mecánica, el perfil de movimiento y el ajuste.

Una relación de inercias más baja no provoca inestabilidad por sí misma ni garantiza un rendimiento óptimo. Es necesario evaluar el sistema completo.

La relación de reducción actúa como un factor de ajuste: al aumentarla, la inercia de carga reflejada se reduce rápidamente; al disminuirla, aumenta la inercia que percibe el motor. Por ello, la adaptación de inercias es un aspecto importante al seleccionar la relación de reducción.

Juego: ¿qué ocurre cuando se invierte el sentido de giro?

El juego es la holgura mecánica que provoca un movimiento perdido cuando la transmisión invierte el sentido de giro. Si el juego es excesivo, el motor puede girar un pequeño ángulo antes de que la salida empiece a responder.

Este retraso puede provocar errores de posicionamiento, impactos al invertir el sentido de giro y movimientos irregulares. Por ello, las aplicaciones de precisión suelen requerir reductores con muy poco juego o movimiento perdido.

Según el modelo y el método de medición, los reductores armónicosde precisión y los reductores RVpueden alcanzar especificaciones de un minuto de arco o menos. Los reductores planetarios de precisión estándar suelen tener especificaciones de juego de aproximadamente 3–10 minutos de arco, mientras que los modelos de mayor precisión también pueden alcanzar el rango de un minuto de arco.

Un minuto de arco equivale a 1/60 de grado. Consulte siempre las especificaciones, las condiciones de ensayo y la terminología del fabricante del producto seleccionado: el juego, el movimiento perdido y la histéresis son características relacionadas, pero no deben tratarse como mediciones intercambiables.

Rigidez torsional: ¿cuánto se retuerce la transmisión?

La rigidez torsional describe la resistencia de una transmisión a la deformación angular bajo par. Si la rigidez es insuficiente, la salida puede retorcerse elásticamente cuando cambia la carga.

Cuando la realimentación de posición procede únicamente del lado del motor, el controlador puede indicar que se ha alcanzado la posición ordenada aunque la salida se haya desviado. La elasticidad mecánica también puede introducir resonancias que limitan las ganancias de control y dificultan el ajuste.

Conseguir poco juego y una alta rigidez torsional a la vez puede aumentar la complejidad del diseño, los requisitos de fabricación y el costo. Un reductor adecuado equilibra estas características con la capacidad de carga, la vida útil y los requisitos de rendimiento de la aplicación.

¿Siempre es mejor una relación de reducción más alta?

Es tentador suponer que una relación de reducción más alta siempre es preferible porque aumenta el par de salida. En la práctica, la relación debe equilibrar el par, la velocidad, la aceleración, la inercia y las limitaciones de instalación.

Para una aceleración determinada del motor, una relación de reducción más alta produce una aceleración de salida más baja. Por ello, las aplicaciones que requieren arranques y paradas rápidos o movimientos alternativos frecuentes necesitan una evaluación cuidadosa de la capacidad par-velocidad del motor y del perfil de aceleración completo.

Una relación más alta también cambia la relación entre la inercia del motor y la inercia de carga reflejada. Aunque la inercia de carga que percibe el motor disminuye, esto por sí solo no garantiza un mejor rendimiento dinámico. La inercia del reductor, la rigidez mecánica, la fricción y el ajuste del controlador siguen siendo factores importantes.

La velocidad de salida es otra limitación. Una reducción excesiva puede impedir que el mecanismo alcance la velocidad de funcionamiento requerida, lo que aumenta el tiempo de ciclo y reduce la productividad.

Según el diseño del reductor, alcanzar una relación más alta también puede requerir etapas de transmisión adicionales, cambios de tamaño o un costo mayor. Estos compromisos varían entre los reductores armónicos, RV y planetarios, y deben verificarse para el producto seleccionado.

El principio de selección es sencillo: cumplir los requisitos de velocidad de salida, par y rendimiento de posicionamiento, manteniendo la compatibilidad entre la inercia del motor y la inercia de carga reflejada con el sistema de control. La relación final debe estar respaldada por cálculos y pruebas en la aplicación.

¿Cómo elegir entre reductores armónicos, RV y planetarios?

Los reductores armónicos suelen seleccionarse para articulaciones compactas y ligeras que requieren relaciones de reducción altas y posicionamiento preciso. Los reductores RV suelen evaluarse para articulaciones sometidas a cargas elevadas, hombros y bases de robots, donde la rigidez y la capacidad de carga son prioritarias. Los reductores planetarios de precisión ofrecen un equilibrio práctico entre rendimiento, eficiencia y costo en muchas aplicaciones de automatización general.

Estos son puntos de partida útiles, pero la elección final debe basarse en los requisitos de carga de cada eje. En otro artículo se presentará una comparación más detallada de los tres tipos de reductores.

Conclusión

El servosistema proporciona un control de movimiento preciso y con respuesta rápida, mientras que el reductor adapta la velocidad y el par del motor a la carga. Sus funciones complementarias los convierten en una combinación eficaz para muchas articulaciones robóticas y mecanismos de automatización.

Los mejores resultados se obtienen seleccionándolos como un sistema de accionamiento completo. Adaptar el par, la velocidad, la inercia, el juego y la rigidez ayuda a los ingenieros a lograr el rendimiento de movimiento requerido dentro de las limitaciones de espacio, peso y presupuesto disponibles.