Si se quieren conseguir tiempos de ciclo rápidos cuando los accionamientos directos se instalan en vertical o si se quiere evitar que un eje se caiga en caso de corte de corriente, es necesario compensar el peso muerto. Hasta ahora, se han utilizado principalmente resortes mecánicos o sistemas neumáticos, pero tienen algunas desventajas. Por lo tanto, un «muelle magnético» de MagSpring es la mejor alternativa en muchos casos. Una de las grandes ventajas de esta solución es que, al ser un componente pasivo, no requiere conexión eléctrica, no necesita mantenimiento y proporciona una fuerza constante en todo el rango de trabajo.
Una y otra vez, se producen problemas con máquinas herramienta y otros equipos con sistemas de contrapeso basados en muelles o neumáticos en ejes instalados verticalmente, como también muestran los comentarios correspondientes en los foros de Internet. Los afectados informan de que los ejes se caen repentinamente y causan muchos daños en las herramientas y máquinas. Las causas que se mencionan en los posts son los ejes mal controlados, los fallos de potencia y los problemas con el sistema de contrapeso debido a muelles rotos o fugas. Sin embargo, los distintos sistemas de contrapeso no sólo difieren en su fiabilidad, por lo que merece la pena echar un vistazo más diferenciado:
La compensación de la fuerza del peso es indispensable para la instalación vertical de motores lineales para movimientos dinámicos o de alta eficiencia energética (de izquierda a derecha: muelle mecánico, sistema neumático, MagSpring) (Gráfico: M. Furler)
Ámbitos de aplicación
Si se utilizan motores lineales o servomotores eléctricos para realizar movimientos verticales, deben aplicar una fuerza constante tanto durante el movimiento como cuando están parados para contrarrestar la fuerza del peso. Si esta masa se equilibra con un sistema adecuado, el consumo de energía del accionamiento eléctrico se reduce. Por regla general, el accionamiento puede diseñarse más pequeño como efecto secundario positivo, con el correspondiente efecto positivo en la carga conectada que se va a instalar. Además, un sistema de contrapeso tiene el efecto de que el arranque y el frenado de la masa en movimiento (por ejemplo, los pesos de las partes del eje Z de una máquina herramienta que se mueven hacia arriba y hacia abajo, incluyendo el portaherramientas y la herramienta) pueden llevarse a cabo de forma más suave, los rodamientos están menos estresados, no se producen condiciones de carga asimétrica cuando el eje se mueve hacia arriba y hacia abajo y, por último, pero no menos importante, los movimientos pueden diseñarse de forma más dinámica. En muchos casos, los sistemas de contrapeso también se utilizan para evitar eficazmente situaciones peligrosas para la pieza, la máquina y el operario, causadas por la caída repentina de los ejes. En la actualidad, se utiliza uno de los cuatro principios siguientes para aplicar el contrapeso, en función de la aplicación:
Contrapeso
En las máquinas-herramienta de gran tamaño se suelen utilizar contrapesos para equilibrar el peso de la máquina. Estos contrapesos se conectan a las partes de la máquina que se van a mover mediante cadenas de rodillos o cuerdas. Sin embargo, en vista de los diseños cada vez más compactos, a menudo no hay suficiente espacio para los contrapesos y las guías. Además, el sistema es susceptible de desgaste mecánico y, por tanto, requiere mucho mantenimiento. Si el peso a equilibrar cambia, también es necesaria una conversión. Este método es completamente inadecuado para aplicaciones dinámicas, ya que la inercia aumenta masivamente por las dobles dimensiones móviles.
Muelle mecánico
El muelle mecánico es un elemento de diseño muy económico para realizar la compensación del peso en una posición de instalación vertical. Sin embargo, el aumento lineal de la fuerza en el rango de trabajo del muelle no permite una compensación ideal de la gravedad en todo el rango de carrera. Además, los muelles mecánicos están sometidos a un desgaste comparativamente elevado. Algunos conjuntos de muelles alternativos permiten generar una fuerza constante en un rango de trabajo mayor, y también minimizan los daños consecuentes cuando se rompe un muelle, pero son más caros y requieren mucho espacio. Si el peso a equilibrar cambia, este enfoque también requiere modificaciones.
Estructura del muelle magnético MagSpring de LinMot (Renderización: LinMot)
Contrapeso neumático
A diferencia de lo que ocurre con los muelles mecánicos, con un cilindro neumático se pueden realizar fuerzas constantes y comparativamente elevadas en un amplio rango de carreras. Esto significa que los cilindros neumáticos son, en principio, muy adecuados para la compensación de peso. Si se conecta una válvula de control aguas arriba, la fuerza también puede ajustarse de forma infinita y reaccionar así a las fuerzas de peso cambiantes. Sin embargo, esto requiere una unidad de control adicional.
Dado que el aire comprimido es una de las «fuentes de energía» más caras de una producción, los costes energéticos de los sistemas de contrapeso neumático tienen un impacto significativo y empeoran la eficiencia económica. Los sistemas de aire comprimido también son propensos a las fugas, por lo que éstas pueden provocar un descenso inesperado del eje vertical. Además, los sistemas de aire comprimido requieren mucho mantenimiento y sólo pueden utilizarse cuando se dispone de la conexión correspondiente o restringen la movilidad de las máquinas y los sistemas.
Muelle magnético
En cambio, el «muelle magnético» MagSpring, desarrollado por el especialista en motores lineales LinMot, utiliza la repulsión magnética para generar fuerza, por lo que no necesita mantenimiento y es especialmente fiable. Gracias a un diseño especial de los componentes portadores de flujo, así como de los imanes, las correlaciones claramente no lineales entre la fuerza y el desplazamiento de las disposiciones imán-hierro se convierten en una curva de fuerza constante. Dependiendo de la clase de resistencia del MagSpring, los imanes permanentes se encuentran en el estator (de hierro, niquelado), en el rotor o en ambos componentes (Fig. 2). El cojinete del rotor de acero al cromo-níquel (1.4301) está provisto de una guía de deslizamiento integrada, por lo que los muelles magnéticos de LinMot pueden utilizarse constructivamente de forma similar a los muelles de gas, pero ofrecen una vida útil mucho más larga. Dado que los MagSprings son componentes pasivos, no requieren un suministro de energía y, por tanto, también pueden utilizarse sin problemas en aplicaciones relevantes para la seguridad. Gracias a la generación de fuerza independiente de la trayectoria, los MagSprings no sólo son excelentemente adecuados para la compensación de las fuerzas de peso en disposiciones de accionamiento vertical. Gracias a la característica de fuerza-desplazamiento constante, los resortes magnéticos pueden utilizarse en una gran variedad de otras aplicaciones, como la generación independiente de la posición de una fuerza de contacto constante, la aplicación de una fuerza de retención constante en un gran rango de carrera o el soporte de fuerza unilateral en tareas de accionamiento. Como elemento pasivo, los MagSprings también pueden utilizarse para mantener o mover ejes de máquinas u otros componentes, como pinzas o deslizadores, en una posición definida en un estado desenergizado.
La familia de productos MagSpring de muelles magnéticos comprende actualmente más de 30 variantes Foto: LinMot)
Rango de trabajo del muelle magnético
En estado de relajación, la corredera está situada aproximadamente en el centro del estator, con el extremo de la corredera conocido como extremo de trabajo sobresaliendo ligeramente del estator. Sin embargo, en principio, ambos extremos de la corredera pueden utilizarse para la fijación de la carga. Partiendo de esta posición de reposo, el rotor puede ser arrastrado o empujado fuera del estator en ambas direcciones. Al hacerlo, la fuerza se acumula desde cero hasta el valor nominal en una distancia corta. A continuación, comienza la carrera de trabajo con la fuerza constante. La posición inicial describe la distancia entre el extremo de trabajo de la corredera y el extremo del estator al comienzo del rango de fuerza constante. LinMot ofrece dos series de MagSpring para el rango de fuerza de 11 a 22 N y una carrera de hasta 290 mm o de 40 a 60 N y una carrera de hasta 275 mm como productos de catálogo (Fig. 3). Se está desarrollando una versión aún más potente, con una fuerza nominal de hasta 120 N, que estará disponible a partir de 2014. Debido a las tolerancias de los materiales y de la fabricación, la fuerza efectiva está en el rango de +/- 5% de la fuerza nominal. Se dispone de bridas y adaptadores para el montaje de los muelles magnéticos. Con estos accesorios, los MagSprings pueden acoplarse directamente a la guía lineal H01 o a la guía de puente B01 de la empresa. Gracias a su pequeño diámetro de sólo 20 o 37 mm, los muelles magnéticos también pueden utilizarse en espacios reducidos.
A diferencia de un muelle mecánico, el MagSpring ofrece una fuerza constante en todo el rango de la carrera de trabajo (SP = punto de partida) (Gráfico: LinMot)
Conclusión
Con un MagSpring se puede compensar pasivamente la fuerza del peso en un eje dispuesto verticalmente y accionado por un servomotor o un motor lineal. El muelle magnético genera una fuerza constante en todo el rango de carrera, independientemente de la posición, la velocidad o la posición de montaje. El motor sólo tiene que aplicar las fuerzas dinámicas y puede actuar con la correspondiente rapidez y tener unas dimensiones más reducidas. Si la fuerza del MagSpring se selecciona para que sea mayor que la fuerza del peso de la masa de la carga, la carga puede ser llevada a una posición segura en el caso de una interrupción de la energía. Además, los MagSprings no necesitan mantenimiento, son insensibles al desgaste y ocupan muy poco espacio. Gracias a sus propiedades casi ideales, el muelle magnético es superior a los demás sistemas de contrapeso (contrapeso, muelle mecánico y contrapeso neumático) en muchas aplicaciones.
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