Masas levitantes con MagSpring
30. septiembre 2021
Cuando los accionamientos directos de montaje vertical requieren ciclos de trabajo rápidos o evitar la caída de un eje durante un fallo eléctrico, es necesario compensar el propio peso del accionamiento. Actualmente, se utilizan principalmente resortes mecánicos o sistemas neumáticos para este fin, pero estos presentan varias desventajas. Por lo tanto, un resorte magnético de MagSpring suele ser la mejor alternativa. Entre las principales ventajas de esta solución se encuentran que, al ser un componente pasivo, no requiere conexión eléctrica, no necesita mantenimiento y proporciona una fuerza constante en todo su rango de funcionamiento.
Los problemas con los sistemas de contrapeso neumáticos o de resorte en ejes montados verticalmente en máquinas herramienta y otros sistemas son un problema recurrente, como lo demuestran los comentarios en foros en línea. Los usuarios informan que los ejes se doblan repentinamente, lo que provoca daños importantes en las herramientas y las máquinas. Las publicaciones citan fallas en el control del eje, cortes de energía y problemas con el propio sistema de contrapeso, como roturas de resortes o fugas, como posibles causas. Sin embargo, los distintos sistemas de contrapeso difieren no solo en su fiabilidad, lo que justifica un análisis más detallado.
La compensación de peso es esencial para lograr movimientos dinámicos y una alta eficiencia energética cuando los motores lineales se instalan verticalmente (de izquierda a derecha: resorte mecánico, sistema neumático, MagSpring) (Gráfico: M. Furler)
aplicaciones
Cuando se utilizan motores lineales o servomotores eléctricos para realizar movimientos verticales, estos deben ejercer una fuerza constante tanto durante el movimiento como en reposo para contrarrestar la gravedad. El equilibrio de esta masa mediante un sistema adecuado reduce el consumo de energía del accionamiento eléctrico. Como efecto secundario positivo, el accionamiento suele ser más pequeño, lo que reduce el consumo de energía necesario. Además, un sistema de contrapeso permite una aceleración y desaceleración más suaves de la masa móvil (por ejemplo, los pesos de los componentes del eje Z de una máquina herramienta, incluyendo el portaherramientas y la herramienta), reduce la tensión en los cojinetes, evita cargas asimétricas durante el movimiento del eje y, en definitiva, permite movimientos más dinámicos. En muchos casos, los sistemas de contrapeso también se utilizan para prevenir eficazmente situaciones peligrosas para la pieza de trabajo, la máquina y el operario causadas por una caída repentina del eje. Actualmente, se utiliza uno de los siguientes cuatro principios para implementar el contrapeso, según la aplicación:
contrapeso
En las máquinas herramienta de gran tamaño, el equilibrado de peso se suele lograr mediante contrapesos conectados a las piezas móviles a través de cadenas o cables. Sin embargo, con diseños cada vez más compactos, el espacio para los contrapesos y las guías suele ser limitado. Además, el sistema es susceptible al desgaste mecánico y, por lo tanto, requiere un mantenimiento intensivo. Si el peso a equilibrar cambia, también es necesaria una reconfiguración. Este método resulta totalmente inadecuado para aplicaciones dinámicas, ya que la inercia aumenta considerablemente al duplicar la masa móvil.
Muelle mecánico
El resorte mecánico es un elemento de diseño muy económico para compensar el peso en instalaciones verticales. Sin embargo, el aumento lineal de la fuerza dentro de su rango de funcionamiento no permite una compensación óptima de la gravedad en todo su recorrido. Además, los resortes mecánicos están sujetos a un desgaste relativamente alto. Si bien existen otros sistemas de resorte que permiten generar una fuerza constante en un rango de funcionamiento más amplio y minimizan los daños por rotura, son más costosos y requieren más espacio. Si el peso a compensar cambia, también es necesario modificar este sistema.
Compensación neumática de peso
A diferencia de los resortes mecánicos, los cilindros neumáticos pueden generar fuerzas constantes y relativamente altas en un amplio rango de recorrido. Esto los hace idóneos para compensar el peso. Si se instala una válvula de control aguas arriba, la fuerza también puede ajustarse continuamente para responder a las variaciones de peso. Sin embargo, esto requiere una unidad de control adicional.
Dado que el aire comprimido es una de las fuentes de energía más caras en la producción, los costos energéticos de los sistemas de contrapeso neumático impactan significativamente su rentabilidad. Además, los sistemas de aire comprimido suelen sufrir fugas, lo que puede provocar un descenso inesperado del eje vertical. Asimismo, requieren un mantenimiento exhaustivo y solo pueden utilizarse donde se disponga de una conexión adecuada, ya que de lo contrario restringen la movilidad de las máquinas y los equipos.
Estructura del resorte magnético MagSpring de LinMot (Render: LinMot)
Muelle magnético
El MagSpring, un "resorte magnético" desarrollado por el especialista en motores lineales LinMot, utiliza la repulsión magnética para generar fuerza, lo que lo hace libre de mantenimiento y excepcionalmente fiable. Un diseño especial de los componentes portadores de flujo y los imanes transforma la relación claramente no lineal entre fuerza y desplazamiento en configuraciones imán-hierro en un perfil de fuerza constante. Dependiendo de la clase de resistencia del MagSpring, los imanes permanentes se ubican en el estator (hierro, niquelado), en el rotor o en ambos componentes (Figura 2). El rotor, hecho de acero al cromo-níquel (1.4301), está soportado por una guía deslizante integrada, lo que permite que los resortes magnéticos de LinMot se utilicen de manera similar a los resortes de gas, pero con una vida útil significativamente más larga. Dado que los MagSprings son componentes pasivos, no requieren fuente de alimentación y, por lo tanto, pueden utilizarse sin problemas en aplicaciones críticas para la seguridad. Debido a su generación de fuerza independiente del desplazamiento, los MagSprings no solo son ideales para compensar las fuerzas de peso en configuraciones de accionamiento vertical. Gracias a su característica de fuerza-desplazamiento constante, los resortes magnéticos ofrecen una amplia gama de aplicaciones adicionales, como generar una fuerza de contacto constante independientemente de la posición, aplicar una fuerza de sujeción constante en un amplio rango de recorrido o proporcionar soporte de fuerza unilateral en aplicaciones de accionamiento. Como elemento pasivo, los resortes magnéticos también pueden utilizarse para sujetar o mover ejes de máquinas u otros componentes, como pinzas o guías, en una posición definida cuando están desenergizados.
La familia de productos de resortes magnéticos MagSpring incluye actualmente más de 30 variantes (Foto: LinMot).
Rango de funcionamiento del resorte magnético
A diferencia de un resorte mecánico, el MagSpring ofrece una fuerza constante en todo el rango de recorrido de trabajo (SP = punto de partida) (Gráfico: LinMot).
En su estado de reposo, el rotor se encuentra aproximadamente en el centro del estator, con el extremo del rotor, denominado extremo de trabajo, sobresaliendo ligeramente del estator. Sin embargo, ambos extremos del rotor pueden utilizarse para la fijación de carga. Partiendo de esta posición de reposo, el rotor puede extraerse del estator en cualquier dirección. La fuerza se incrementa gradualmente desde cero hasta el valor nominal en una corta distancia. A continuación, comienza la carrera de trabajo con una fuerza constante. La posición inicial describe la distancia entre el extremo de trabajo del rotor y el extremo del estator al comienzo del rango de fuerza constante. LinMot ofrece dos series MagSpring en su catálogo: una para un rango de fuerza de 11 a 22 N y una carrera de hasta 290 mm, y otra para 40 a 60 N y una carrera de hasta 275 mm (Figura 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 material y fabricación, la fuerza efectiva se encuentra dentro del rango de +/- 5 % de la fuerza nominal. Se encuentran disponibles bridas de montaje y adaptadores para la instalación de los resortes magnéticos. Estos accesorios permiten fijar los MagSprings directamente a la guía lineal H01 o a la guía de puente B01 de la empresa. Gracias a su pequeño diámetro de tan solo 20 o 37 mm, los resortes magnéticos también pueden utilizarse en espacios reducidos.
Conclusión
Un MagSpring compensa pasivamente el peso de un eje vertical accionado por un servomotor o motor lineal. El resorte magnético genera una fuerza constante en todo el recorrido, independientemente de la posición, la velocidad o la orientación de montaje. El motor solo necesita proporcionar las fuerzas dinámicas y, por lo tanto, puede funcionar a mayor velocidad y ser más pequeño. Si la fuerza del MagSpring supera el peso de la carga, esta puede desplazarse a una posición segura en caso de fallo eléctrico. Los MagSprings también son libres de mantenimiento, resistentes al desgaste y compactos. Gracias a sus propiedades casi ideales, el resorte magnético supera a otros sistemas de compensación de peso (contrapeso, resorte mecánico y compensación neumática) en numerosas aplicaciones.