Email marketing en Interempresas

Interempresas.net

 
  1. eMagazine
  2. Accionamientos de ejes piñón cremallera con juego cero   (15/06/2004)

Accionamientos de ejes piñón cremallera con juego cero

El comportamiento de las máquinas-herramienta CNC de alta precisión está directamente relacionado con la precisión de los sistemas de accionamiento de los ejes. Hasta hace poco tiempo, el modo tradicional de accionar estos ejes ha sido mediante husillos a bolas. Sin embargo, a medida que los requerimientos de avance y las longitudes de recorrido van aumentando, la utilización de los husillos a bolas se va limitando por su velocidad crítica inherente. La solución típica a este problema es diseñar un eje con la tecnología de motores lineales. Sin embargo, una tercera alternativa de accionamientos doble piñón cremallera de alta precisión (juego cero), proporciona en estos casos la mejor solución coste/rendimiento de las tres posibles opciones.
Aunque los sistemas de accionamiento piñón-cremallera han venido utilizándose durante muchos años, su aplicación real no ha sido muy extendida debido a que no existía una estandarización de estos sistemas de calidad, por lo que cada fabricante de máquina-herramienta tenía que diseñar su propia cremallera, piñones y reductores. La compañía francesa REDEX, en España representada por Construcciones Mecánicas Domenech, con la colaboración del fabricante suizo de cremallera GÜDEL, es capaz de proporcionar sistemas modulares formados por reductores que integran los piñones de salida y cremallera estandarizada de alta precisión para montar la transmisión lineal en ejes de máquina-herramienta de alta precisión, cualquiera que sea su longitud y peso a mover.
foto
Redex ofrece sistemas modulares completos formados por reductores que integran los piñones de salida y cremallera estandarizada de alta precisión

Cremalleras modulares

Para llegar a conseguir una solución competitiva, desde el punto de vista económico, de los sistemas piñón cremallera, era necesario concebir y desarrollar un planteamiento de fabricación industrial. Los actuales grandes fabricantes de cremalleras (como GÜDEL y ATLANTA) iniciaron esta estrategia hace escasos años con la fabricación de cremalleras con módulos desde 2 a 8 (paso diametral = 25,4/módulo) en piezas de longitudes de 0,5 y 1 m con dentado recto y helicoidal, este último con un ángulo de hélice estandarizado de 19º31’42”. Estas cremalleras están diseñadas para unirlas longitudinalmente a lo largo del eje, para lo cual disponen de una pieza auxiliar, llamada cremallera de montaje, para asegurar el espacio perfecto entre dientes de una pieza de cremallera y la siguiente, y corregir el posible error de paso acumulativo. De este modo, se consigue montar ejes de la longitud deseada sin producirse incremento alguno en el error de paso a medida que aumentamos la longitud. Ya que las piezas de cremallera son componentes estándar que pueden fabricarse en lotes, el precio y plazo de entrega se han visto reducidos de un modo importante.

La calidad y precisión de la cremallera es un aspecto crítico para asegurar el óptimo rendimiento del sistema. Así, una cremallera de precisión (dientes endurecidos y rectificados) calidad DIN 6h25 proporciona un error de paso de 0,02 mm/300 mm, lo cual es equivalente a un husillo a bolas rectificado de alta precisión. Sin embargo, ya que la cremallera se instala por secciones modulares (de 1 m normalmente), se puede apreciar que por encima de 4 m de longitud instalada, el error de paso total en un sistema de cremallera de alta precisión es menor que el error de paso acumulativo de un husillo a bolas de alta precisión. Por supuesto, a medida que vayamos aumentando la longitud del eje, esta diferencia será más evidente.

Juego cero

Aunque el error de paso inherente a la cremallera es menor o igual (dependiendo de la longitud total) que el de los husillos a bolas de alta precisión, el sistema piñón-cremallera no proporcionará la misma precisión de posicionado a no ser que se elimine el juego entre el piñón y la cremallera. Esto es análogo al sistema de roscas precargadas de los husillos a bolas para eliminar las holguras. Para que el juego no exista, podemos diferenciar dos conceptos diferentes de precarga: los sistemas de precarga mecánica y los sistemas de precarga eléctrica.

Sistemas precargados mecánicamente

Los sistemas piñón-cremallera precargados mecánicamente alcanzan la precarga mediante un empuje elástico (tipo muelle) o mediante torsión de dos piñones en sentido opuesto. Así, un piñón se considera fijo y el otro cargado elásticamente.

Estos sistemas son accionados por un solo motor y como el diseño de los reductores forma un ciclo mecánico cerrado, el tamaño del motor no tiene por qué ser mayor para adecuarse al par de precarga. De hecho, el motor es dimensionado para mover la carga y salvar con seguridad el par máximo de aceleración requerido.

En la actualidad, dentro de la precarga mecánica, podemos distinguir dos sistemas, aplicando uno u otro en función de la precisión necesaria.

• Piñón partido

Este sistema consiste en un reductor que monta un piñón de salida helicoidal dividido en dos mitades. Una mitad está fija al eje mientras que la otra puede deslizarse axialmente en el eje acanalado. Unos muelles en el eje son utilizados para inducir la precarga. Al engranar con la cremallera, el piñón móvil se desplaza axialmente por compresión del muelle precargado. Este movimiento produce un giro helicoidal del piñón móvil de tal modo que el juego o huelgo entre los dientes de la cremallera y los piñones es eliminado. El par de precarga se puede regular con una tuerca, que tiene un efecto de compresión o liberación del muelle, en función del requerimiento de la aplicación.

Este sistema se aplica con servoreductores del tipo sinfín corona. Estos reductores tienen que ser de bajo juego (<2 arcmin) ya que con este sistema se consigue eliminar el juego entre los piñones de salida y la cremallera, pero no entre los engranajes internos del reductor. Este sistema se emplea para máquinas que no requieren un posicionado con juego 0 y de peso en el eje reducido.

• Doble piñón en tandem – Sistema DualDRIVE de Redex

Redex ha patentado un sistema de precarga mecánica aplicada a dos reductores formando un circuito mecánico cerrado. La precarga se aplica en torsión de un modo muy sencillo, de tal manera que una sola persona, sin conocimientos mecánicos, puede establecerla sin problemas.

El diseño DualDRIVE ha sido especialmente concebido para su aplicación a máquinas-herramienta (fresadoras, mandrinadoras, tornos, rectificadoras, etc.). Los piñones de salida están integrados al eje de salida, formando una sola pieza eje-piñón, proporcionando así mayor rigidez al sistema. Los diámetros de los piñones de salida han sido estudiados para conseguir que los valores de frecuencia de resonancia sean mayores que 20 Hz en todos los casos. Una carcasa universal hace que el montaje en máquina sea muy sencillo al poderse montar los reductores directamente en cualquier superficie plana.

El DualDRIVE se combina con un servomotor que proporcionará al sistema una alta precisión de posicionamiento y de contorneado en máquinas de gran tonelaje (Heavy Duty).

foto
En la precarga mecánica se alcanza mediante un empuje elástico (tipo muelle) de los dos piñones en sentido opuesto
foto
Un sistema de precarga mecánica forma un circuito cerrado mecánico y utiliza un solo motor

Sistemas precargados eléctricamente

Los sistemas precargados eléctricamente utilizan dos servomotores y alcanzan la precarga frenando un piñón en dirección contraria al otro. De este modo, un piñón acciona el sistema mientras que el otro hace las veces de freno.

La versión de accionamientos precargados eléctricamente de Redex se denomina TwinDRIVE. Un servomotor es el master, mientras que el otro hace la función de esclavo. Los reductores son exactamente iguales a los de su versión DualDRIVE (precarga mecánica), excepto que se elimina el acoplamiento mecánico entre los dos reductores, siendo ahora el circuito cerrado eléctrico.

¿Precarga eléctrica o mecánica?

A la hora de escoger un sistema de precarga tenemos que valorar el esquema de control que el fabricante de la máquina-herramienta prefiere.

Los sistemas de accionamiento doble piñón cremallera con precarga eléctrica, además de requerir dos servomotores, uno para cada reductor, necesita un sofisticado sistema de control para alcanzar la precarga en todas las fases del proceso. En lo que se refiere al cambio en la magnitud de la precarga y sentido es una solución más flexible, sin embargo, requiere un mayor know-how en el control de la programación y capacidad del CNC.

El sistema con precarga mecánica, por su parte, necesita un solo servomotor y un controlador y, por lo tanto, un sistema de control más sencillo. Por su parte, la magnitud de precarga es siempre la misma, no pudiendo variar esta en cada fase de mecanizado.

El precio de la solución eléctrica global es normalmente mayor que en su versión de precarga mecánica, ya que necesitamos un motor más, un controlador extra, así como una programación del CNC mayor. Esta diferencia económica se incrementa al doble, en aquellas aplicaciones en las que se necesiten 4 reductores; este es el caso de las máquinas gantry o pórtico. Además, en estos casos, el esquema de configuración de los 4 servo accionamientos y de la precarga se complica bastante.

foto
En la precarga eléctrica un piñón acciona el sistema mientras que el otro hace las veces de freno
foto
Los sistemas precargados eléctricamente utilizan dos servomotores y alcanzan la precarga frenando un piñón en dirección contraria al otro

Comparativa de los tres tipos de accionamientos para máquina-herramienta

• Precisión

La precisión de posicionado y la repetibilidad son función del error de paso de la cremallera, del husillo a bolas, de la deflexión torsional, tolerancias de montaje, sistemas de medición y compensación lineal del servocontrolador. Aunque cada aplicación es diferente, tanto los husillos a bolas como los sistemas doble piñón cremallera son capaces de posicionar en tolerancias de micras cuando se elimina el juego.

Sin embargo, la precisión de posicionamiento en los husillos a bolas decrece a medida que aumentamos su longitud, mientras que en los ejes piñón cremallera la precisión se mantiene invariable no importando la longitud alcanzada. La longitud crítica de un husillo a bolas de precisión empieza a estar restringida a aproximadamente 4 metros debido a las limitaciones de longitud de rectificado de las rectificadoras. Además, la rigidez, los bajos valores de inercia y de carga axial son bazas que juegan a favor de los sistemas doble piñón cremallera.

La precisión de posicionado de los sistemas de motores lineales está limitada principalmente por los sistemas de medida y las tolerancias de montaje. Estos sistemas son capaces de alcanzar tolerancias de posicionado de decenas de micras.

• Velocidad lineal

La velocidad máxima en un eje accionado por un sistema piñón cremallera solo está limitada por el sistema de lubricación y por el ratio de reducción de los reductores. En general los máximos valores de velocidad lineal alcanzados por un accionamiento piñón cremallera son unas 5 veces mayor que en el husillo a bolas. Por su parte, los motores lineales, trabajando en las mismas condiciones de carga, alcanzan unos ratios similares a los sistemas piñón cremallera.

En cualquier caso, los ratios de velocidad alcanzados por los sistemas piñón cremallera y los motores lineales exceden con creces los requerimientos de los fabricantes de máquina-herramienta.

• Construcción modular

Uno de los objetivos que están permanentemente buscando los diseñadores de máquinas-herramienta es la estandarización. El hecho de poder contar con elementos modulares que permitan cambiar de un modelo de máquina a otro sin necesidad de variar el diseño y concepto de la misma es un aspecto muy apreciado por los directores técnicos, tanto para fabricantes de máquina-herramienta como para talleres de retrofitting.

La transmisión piñón-cremallera es, por tanto, un ejemplo de construcción modular. Como ejemplo podemos exponer la necesidad de un fabricante de fresadoras, centros de mecanizado, tornos, etc. de actualizar un modelo dentro de una serie existente, cuya única modificación sea la ampliación o reducción en uno o dos metros del recorrido longitudinal en un eje. En el caso del concepto de husillo a bolas, dicha variación requeriría tener que adquirir nuevas unidades con la longitud requerida. Por el contrario, si la máquina incorporaba un sistema de accionamiento piñón-cremallera, la única diferencia en lo que a los componentes de transmisión de refiere es la adaptación o desmontaje de esos metros de cremallera.

• Accesibilidad

El postventa es un aspecto muy apreciado por los clientes de máquina-herramienta y, por tanto, muy tenido en cuenta por los fabricantes.

Redex es consciente de ello y propone dentro de su gama de producto la posibilidad de que los reductores estén integrados en una caja cuyo montaje en la máquina sea especialmente sencillo y polivalente, sin la necesidad de tener que adaptar dichos accionamientos en lugares internos que requieran la modificación de otros elementos de la máquina y dificulten en gran medida el acceso a ellos. El concepto modular de Redex permite adaptar las cajas reductoras en lugares exteriores de la máquina, fácilmente accesibles para trabajos de reparación o mantenimiento.

Como contrapartida, una de las principales dificultades que ofrecen las transmisiones motor lineal y husillos a bolas es la intercambiabilidad y accesibilidad. Así, retirar un husillo a bolas de una máquina significa disponer de un espacio adicional en la planta, lo cual, para largas longitudes de husillo y espacios reducidos de planta puede presentar serias dificultades.

• Desgaste y limitaciones térmicas

Los motores lineales no muestran desgaste mecánico como los accionamientos piñón cremallera y husillos a bolas. Sin embargo, deben ser especialmente bien protegidos de virutas para que estas no entren en el hueco entre el rotor y el estator. Además, normalmente requieren una refrigeración por agua para disipar el calor generado por el relativo bajo rendimiento.

Los husillos a bolas experimentan un desgaste excesivo cuando se producen movimientos repetitivos en un determinado espacio de distancia corta, ya que, en estos casos, las bolas no obtienen la lubricación adecuada. Esto conlleva un incremento térmico en la zona y puede derivar en variaciones dimensionales (dilatación) que provoquen inestabilidad en el posicionamiento. La lubricación de la cremallera es más sencilla y el posible calor generado en ellas es conducido a la estructura de la máquina, por lo tanto, el desgaste es menor que en los husillos a bolas.

• Coste

Resulta importante mencionar que el coste del sistema es siempre función de los requerimientos de la aplicación, pero aún así, es posible ofrecer una comparativa general de costos entre los tres sistemas.

Los sistemas de husillos a bolas resultan más económicamente efectivos cuando las longitudes de husillo son menores que 4 m porque pueden ser accionados directamente por el servomotor o utilizar un reductor convencional de bajo ratio. Un sistema piñón cremallera con precarga puede ser hasta dos veces más caro que un sistema de husillo a bolas para longitudes inferiores a 4 m. Para ejes más largos de 4 m el coste global de los sistemas de accionamiento piñón cremallera se empiezan a equiparar a los husillos a bolas y por encima de distancias cercanas a los 7 m empiezan a ser más económicos, dependiendo de si se utiliza uno o dos reductores.

El mayor handicap de los sistemas de motores lineales es el alto coste económico de la solución. Es aproximadamente el doble que un sistema piñón cremallera.

Otros artículos de interés

Foto de Mitigación de cargas en aerogeneradores con técnicas de control robusto

Mitigación de cargas en aerogeneradores con técnicas de control robusto

Asier Díaz de Corcuera, investigador en IK4-Ikerlan y premio Eolo a la innovación 2014
Los aerogeneradores de nueva generación que se están construyendo poseen una capacidad y un tamaño considerables, ya que tienen potencias tan elevadas como 5-7 MW, una altura de torre de 100 metros y diámetros de rotor de entre 120 y 130 metros... [+]
Foto de Máxima precisión incluso con las máquinas de mayor tamaño

Máxima precisión incluso con las máquinas de mayor tamaño

Eneko Gómez-Acedo. Coordinador de la línea de investigación Medcon en IK4-Tekniker
CIC marGUNE, Centro de Investigación Cooperativa de Fabricación de Alto Rendimiento, coordina la línea de investigación Medcon, cuyo objetivo es maximizar la precisión de la máquina-herramienta vasca y aumentar su competitividad mediante una nueva metodología... [+]
Foto de Hexagon lleva la tecnología de medición en el entorno de la manufactura al siguiente nivel

Hexagon lleva la tecnología de medición en el entorno de la manufactura al siguiente nivel

Redacción Interempresas
Hexagon Metrology ha lanzado al mercado Leitz Sirio Xi, el nuevo estándar para el taller... [+]
Foto de Hexagon Metrology presenta los nuevos cabezales de medición HH-A-T2.5 y HH-A-H2.5 para MMCs

Hexagon Metrology presenta los nuevos cabezales de medición HH-A-T2.5 y HH-A-H2.5 para MMCs

Redacción interempresas
La serie de los nuevos cabezales de medición HH-A-2.5  de Hexagon Metrology presenta numerosas innovaciones, por ejemplo un controlador completamente integrado, la protección capacitiva contra colisiones, así como el alojamiento cinemático desarrollado recientemente para solicitación extremadamente alta... [+]
Foto de Faro lanza el software de metrología integral Faro CAM2 Measure 10.3

Faro lanza el software de metrología integral Faro CAM2 Measure 10.3

Redacción Interempresas
Faro Technologies, proveedor de soluciones portátiles de medición 3D y captura de imágenes, anuncia el lanzamiento del nuevo software Faro CAM2 Measure 10.3 para sus brazos FaroArm, ScanArm y Laser Tracker.
[+]
Newsletter
Acepto las
condiciones de uso y registro