Motores lineales para Mecanizado de Alta Velocidad

La técnica denominada mecanizado de alta velocidad hace referencia a procesos de mecanizado en los cuales la velocidad de corte se ha incrementado de manera notable, elevando los niveles de exigencia a gran parte de las tecnologías implicadas en el proceso de corte.

Uno de los elementos clave es, evidentemente, la máquina herramienta, a la cual se le exige un mayor grado de rapidez y precisión, lo que hace que los accionamientos empleados en los ejes de avance cobren una importancia fundamental en el buen hacer de la misma.

Dependiendo de las aplicaciones, se exigen máquinas cuyas velocidades de avance superen los 100 m / min, y más importante quizás que el valor del avance es el valor de la aceleración, sobre todo cuando se mecanizan formas complejas, considerándose necesarios valores de al menos 1g o incluso mayores.

Hoy por hoy, la tecnología de los accionamientos en máquina herramienta está dominada por los servomotores rotatorios usados en conjunción con una serie de componentes mecánicos de transmisión como los husillos a bolas, los engranajes o las correas dentadas, siendo dichos componentes los que limitan en la actualidad los valores de velocidad y aceleración alcanzables. Los motores lineales juntamente con potentes CNCs, aparecen como una gran fuente potencial de prestaciones para máquinas herramienta de alta velocidad.

La explicación habitual de lo que es un motor lineal es que se trata de un motor rotatorio “desenrollado”, es decir, que se ha cortado por uno de sus radios y se ha estirado hasta dejarlo plano.

Hablando de un modo más preciso, un motor lineal consiste en un elemento primario, donde se encuentran los devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer, aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario. Al igual que en el caso de los motores rotatorios, pueden existir modelos síncronos y asíncronos. Junto con las guías lineales, el sistema de medida lineal y el regulador electrónico forman el conjunto activo de accionamiento lineal.

Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos, el valor limitado de la rigidez junto con la existencia de posibles holguras en la transmisión mecánica restringe el uso de husillos a bolas hasta una longitud de unos 6m, una velocidad de unos 60 m / min, y una aceleración de hasta 1g en el mejor de los casos. Las aplicaciones con motores lineales eliminan los elementos de transmisión mecánica, que debido a su elasticidad, hacen que los accionamientos se comporten con una naturaleza oscilatoria, limitando la dinámica y la ganancia del factor Kv. La transmisión de la fuerza se realiza ahora directamente por el campo magnético. Todo ello proporciona una serie de ventajas sobre los accionamientos tradicionales basados en transmisiones mecánicas:

• Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min.
• Mayores valores de aceleración, lo que es muchas veces mas importante que el valor de la velocidad máxima para reducir los tiempos de mecanizado. Los valores típicos andan en torno a 1 ó 2g, o incluso más.
• Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento y mayores valores del factor Kv, que dan una idea de la rapidez y calidad de respuesta del eje. El sistema es más preciso cuando se desplaza a altas velocidades, por lo que la calidad de la interpolación así como la velocidad y precisión en aplicaciones de contorneado se incrementan notablemente
• Reducción de los niveles de vibración Mayores cursos sin comprometer el grado de prestaciones

La tabla muestra una pequeña comparación entre las prestaciones típicas que ofrecen los motores lineales y los husillos a bolas

(Fuente: High Speed Machining with GE-FANUC Linear Motors. Technical brief)

Por otro lado, tal y como era de esperar, no son todo virtudes. El uso de motores lineales presenta una serie de inconvenientes. Una de las pegas de motores lineales es la necesidad de disipación del calor que se genera, por lo que es necesario disponer se sistemas de refrigeración y/o aislamiento térmico de los accionamientos para que puedan operar con precisión. Si los motores no se refrigeran adecuadamente, las dilataciones térmicas conducidas al resto de elementos de la máquina pueden comprometer su nivel de precisión y prestaciones. Todo ello incrementa el coste de las soluciones basadas en motores lineales. La no existencia de elementos de transmisión mecánica que amortigüen los cambios de carga repentinos o cualquier otro tipo de perturbación mecánica, hace que esta tarea tenga que realizarla el controlador electrónico, por lo que éste tiene que ser extremadamente rápido parta mantener la estabilidad. Es habitual emplear técnicas de filtrado sofisticadas que evitan las resonancias mecánicas cuando los motores se utilizan en condiciones dinámicas exigentes.

Los motores lineales eliminan los componentes mecánicos de las transmisiones utilizadas en los accionamientos tradicionales, proporcionado un importante incremento en los niveles de velocidad, aceleración y precisión a alta velocidad, lo cual presenta evidentes ventajas, abriéndoles un amplio campo de aplicación y de futuro. Sin embargo, los motores lineales no sustituirán los accionamientos rotatorios de forma inmediata. No es suficiente colocar motores lineales en diseños ya existentes, sino que es necesario realizar un completo rediseño de la máquina herramienta para aprovechar las ventajas que ofrecen. Es necesario seguir de cerca la evolución de esta tecnología y tenerla en cuenta a la hora de realizar nuevos desarrollos.