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Motores de avance Heidenhain para máquinas-herramienta

La calidad en la fabricación comienza con el motor

Redacción Interempresas24/01/2018
Precisión y calidad superficial: éstos son los objetivos de procesos productivos exigentes. Por este motivo invierten las empresas de mecanizado mucho tiempo y dinero en máquinas-herramienta, en controles numéricos con funciones y opciones especiales, en herramientas, en tecnología de medición y, naturalmente, en la cualificación de sus empleados. Lamentablemente, los motores de avance reciben aún poca atención a este respecto, a pesar de ser un factor decisivo en la calidad de la producción.

Los motores eléctricos se utilizan en una gran variedad de aplicaciones diferentes y deben por ello cumplir un amplio espectro de requerimientos. Por ejemplo, en los motores de avance de máquinas-herramienta son factores cruciales, además del par máximo del motor, el rizado de par y la relación de inercias entre el motor y la carga. Estos criterios tienen un efecto directo sobre la calidad de la pieza a fabricar. Los motores de avance de Heidenhain para máquinas-herramienta ofrecen una relación de inercias equilibrada y un rizado de par muy bajo para unos resultados de mecanizado y una regulación dinámica del movimiento excepcionales.

Resistentes frente a interferencias

La rigidez del sistema es un factor decisivo para la resistencia frente a interferencias provocadas por vibraciones o fuerzas de fresado. Cuanto mayor sea la rigidez, mejor. Por su parte, la rigidez se ve fuertemente influida por la relación de inercias entre el motor y la masa móvil del eje de avance (carga). Esto significa que cuanto mayor sea el motor en comparación con la carga, mayor será también la rigidez del sistema frente a fuerzas de fresado o vibraciones. La figura 1 muestra, en función de la relación de inercias entre el motor y la carga, cómo de grande debe ser un cambio súbito de la carga a fin de generar temporalmente un determinado error de posición en un accionamiento.

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Figura 1. Cambio súbito de carga necesario para una desviación determinada de la posición en función de la relación de inercias entre el motor y la carga.

A modo de ejemplo: Un pequeño remolque arrastrado por un vehículo grande y de elevado par, expuesto a fuertes ráfagas de viento o defectos de la calzada, introduce menores perturbaciones en el sistema completo que las producidas por un remolque pesado arrastrado por un vehículo ligero con el mismo par. Esto es cierto a pesar de que el remolque más ligero es obviamente mucho más susceptible a estas influencias que el remolque más pesado. En una máquina-herramienta esto significa que un motor lo más grande posible debería mover una mesa lo más ligera posible, a fin de minimizar los efectos de las perturbaciones sobre el sistema completo (tales como fuerzas de fresado o vibraciones que aparecen en la mesa).

No obstante, si hay una gran diferencia entre las inercias del motor y de la carga, también es necesario reducir la ganancia de los lazos de regulación. Ello conlleva una menor rigidez, de modo que todo el sistema reacciona más fuertemente a perturbaciones de la carga, por ejemplo, debidas a fuerzas de fresado o vibraciones.

Por ello, en máquinas-herramienta debería seleccionarse una relación de inercias equilibrada entre el motor y la carga. Una relación de inercias equilibrada garantiza la rigidez suficiente para hacer al sistema completo insensible frente a influencias externas sobre la carga, de tal modo que no tengan ningún efecto sobre el resultado del mecanizado, y al mismo tiempo permitan trabajar con elevadas ganancias de los lazos de regulación. En otras palabras, el remolque y el vehículo que lo arrastra deben estar adecuados entre sí.

La dinámica correcta

Un diseño de un motor con un momento de inercia lo más elevado posible contradiría el siguiente requerimiento: una capacidad de aceleración lo más elevada posible. Esto es así, porque la inercia del propio motor tiene una influencia significativa sobre la capacidad de aceleración del sistema completo. Esta correlación directa puede demostrarse empleando la fórmula para calcular la capacidad de aceleración, tal como se ve en la figura 2:

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Para un determinado par máximo del motor Mmax y una determinada inercia de la carga JLast, la capacidad de aceleración del sistema completo ὠ se reduce cuando la inercia del motor JMotor aumenta. Dicho de forma sencilla, un motor con una inercia baja alcanza una aceleración más elevada. Cuanta más inercia tiene un motor, mayor par debe producir para acelerar la carga en la forma deseada.

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Figura 2. Evolución de la capacidad de aceleración de un motor en función de la relación de inercias entre el motor y la carga.

En cuanto a la cantidad de par necesario, la viabilidad económica también es un factor a tener en cuenta, dado que cuanto mayor sea el par máximo requerido, más caro será el motor. Esto es debido al hecho de que unas mayores prestaciones requieren más o mejores materiales magnéticos para motores mayores o más optimizados. Por ello, tanto el comportamiento de aceleración como el coste hablan a favor de una relación entre el motor y la carga equilibrada y adaptada a la aplicación pretendida.

Velocidad del motor estable

Además de las influencias exteriores descritas anteriormente, el propio motor también puede introducir perturbaciones en el sistema que pueden influir sobre el mecanizado y la calidad superficial de la pieza. En este caso es especialmente relevante el rizado de par que generan los motores, a pesar de la corriente sinusoidal. El par del motor entregado fluctúa así ligeramente en el transcurso de una vuelta completa del eje del motor.

Para las mediciones comparativas utilizadas en el análisis del rizado de par de diversos diseños de motores, se movió el eje Z de una misma máquina-herramienta bajo exactamente las mismas condiciones de prueba en primer lugar mediante un motor de avance Heidenhain fabricado específicamente para máquinas-herramienta, y a continuación mediante un motor fabricado para la industria de automatización y no diseñado específicamente para máquinas-herramienta, sino simplemente adaptado a esta aplicación particular. Se procedió a mecanizar una superficie inclinada en una pieza de muestra. Para ello, en el planeado se movió el eje Z con un avance F = 6.250 mm/min en 60 mm en dirección Y, y en 17,5 mm en dirección Z.

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Figura 3. Configuración del test: Mecanizado de una superficie inclinada con diferentes diseños de motores en el eje Z.

Estas pruebas confirman el efecto anticipado del rizado de par, no sólo por medio de los datos de medición del error del contorno (la diferencia entre el contorno deseado y el contorno realmente fresado, figura 4), sino también a través de efectos visibles en la superficie de la pieza de muestra. El motor de avance HEIDENHAIN, que ha sido optimizado para máquinas-herramienta, dispone de un rizado de par reducido y genera una superficie uniformemente creciente sin sombras visibles (figura 5). Con el motor de avance procedente de la industria de automatización, y que ha sido simplemente adaptado como motor de avance para máquina-herramienta, los efectos del rizado de par en forma de sombreados son claramente visibles sobre la superficie inclinada (figura 6).

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Figura 4. Desviaciones del contorno medidas durante el mecanizado de prueba: Motor de avance Heidenhain con rizado de par reducido (línea verde), motor adaptado con desviaciones significativamente mayores (línea roja) - Factor de magnificación de los errores de contorno: 1.000.
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Figura 5. El motor de avance Heidenhain, diseñado específicamente para máquinas-herramienta, genera una superficie uniformemente creciente sin sombras visibles.
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Figura 6. Pieza con sombras claramente visibles sobre la superficie inclinada, mecanizada con un motor simplemente adaptado a la máquina-herramienta.

Expresado en valores medidos: El motor de avance Heidenhain consigue un error efectivo de contorno de tan sólo 0,2 µm en el rango de desviaciones ópticamente visibles. Por el contrario, en el motor de avance simplemente adaptado a la máquina-herramienta, la desviación efectiva fue de 1,2 µm, con lo que es 5 veces mayor.

Conclusión

Para poder alcanzar resultados de mecanizado perfectos, todos los componentes de la máquina-herramienta deben estar adaptados a este particular requisito y deben haber sido diseñados para ello. Esto también es válido para los motores de avance. Por ejemplo, los motores fabricados para la tecnología de automatización tienden a estar diseñados teniendo en mente la capacidad de aceleración del sistema completo, por lo que poseen un momento de inercia lo más reducido posible en relación al par máximo. Además, en los motores para la automatización se considera aceptable un rizado de par significativamente mayor. Este rizado de par más elevado se manifiesta en forma de una calidad superficial inferior, perceptible a simple vista.

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Los motores de la gama QSY de Heidenhain, presentan una rigidez equilibrada, una capacidad de aceleración excelente y un rizado de par reducido.

Por el contrario, motores de avance especialmente diseñados para la máquina-herramienta, como es el caso de los motores de la gama QSY de Heidenhain, presentan no solamente una rigidez equilibrada y una capacidad de aceleración excelente, sino también un rizado de par reducido. Las máquinas-herramienta se benefician también de los encoders ópticos altamente precisos integrados en estos motores, así como de su elevada rigidez mecánica.

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