Recursos actuales para automatizar movimientos

Efectivamente, el automatizar los procesos productivos es nuestro reto, hacer que nuestros procesos sean más eficientes, que incluyan menos factores humanos, que permitan procesos de fabricación flexibles, tolerantes a cambios de modelos o especificaciones, que a la vez los cambios de modelos o especificaciones sean rápidos y con bajos riesgos de fallo, que el propio proceso de fabricación implique control de calidad y un largo etc.

En el presente artículo vamos a definir los puntos básicos que nos ayuden a incorporar a máquinas y procesos todos los actuales recursos de movimiento de ejes. Todo ello fruto de la experiencia acumulada en el departamento de Mecatrónica de Larraioz.

Definimos ‘automatizar movimientos’ a la tarea de desplazar un mecanismo, hacerlo rotar, ubicarlo en una zona determinada con unas determinadas condiciones, dotarlo de una velocidad función de cualquier otro parámetro, realizar una fuerza determinada o la combinación de dos o más de los factores anteriores.

a) Por fuente de energía usada diferenciamos: sistemas neumáticos, hidráulicos y eléctricos.
b) Por tipo de movimiento podemos detallar los siguientes: lineales, rotativos o la combinación de ambos.
c) Como modo de funcionamiento podemos hacer dos grandes grupos: servosistemas y sistemas de lazo abierto.

En este artículo nos centraremos en la definición de sistemas de movimiento eléctricos (punto b) y servosistemas (punto d). Eléctricos pues son los que aportan las flexibilidades de posicionado necesarias dentro de un ahorro energético (ver punto 8) y servosistemas pues son los únicos que garantizan la ejecución del movimiento dentro de los parámetros requeridos. Todos nuestros sistemas posen realimentación tanto de velocidad como de posición y opcionalmente de fuerza.

a) Los sistemas rotativos son los más conocidos, y se basan en hacer rotar un campo magnético para arrastrar de esta forma un eje y producir su rotación. Los tipos más empleados de motores son paso-paso, síncronos de CA, síncronos de CC y asíncronos.

b) Los sistemas lineales intrínsecamente son sistemas magnéticos que se basan en el desplazamiento de un campo magnético durante todo el recorrido, arrastrando de esta forma una corredera o un vástago. Por su concepción podemos diferenciar los sistemas que hacen mover las bobinas y mantienen los imanes fijos y los que mueven los imanes manteniendo las bobinas fijas.

c) Los sistemas pseudolineales son sistemas que producen el movimiento lineal desde un movimiento rotativo y una transmisión mecánica, típicamente son motores paso a paso o síncronos y un husillo o cremallera.

a) Sistemas rotativos con eje, son los más habituales y normalmente disponen de un eje de longitud y diámetro definido donde acoplar la carga, los hay con eje liso o con chaveta.

b) Sistemas rotativos huecos, también llamados motores de par, se caracterizan por disponer de un espacio en el radio del motor que permite su montaje directo en el eje de máquina, evitando de esta forma el uso de transmisiones.

c) Sistemas lineales sin guías, pueden ser sistemas lineales intrínsecos o pseudolineales, pero en ambos casos no se permiten cargas distintas a la de dirección del movimiento (axiales).

a) Características mecánicas, tamaño, peso.

b) Ciclo de trabajo, ‘dutty cycle’. Normalmente definido como el tiempo de funcionamiento respecto al de reposo, un 100% de ‘dutty cycle’ significaría un funcionamiento garantizado de forma continua. Aunque siendo rigurosos este factor se da para el caso en que el motor realiza su máxima fuerza, con lo que un sistema preparado para funcionar al 50% ‘dutty cycle’ podría funcionar continuamente a la mitad de su régimen de carga máxima.

c) Vida útil, medida en horas de funcionamiento, ciclos de trabajo o kilómetros recorridos para sistemas lineales.

d) Grado de protección, según el ambiente de uso los sistemas pueden definirse con protección normal (grados de IP40 a IP55), para ambientes limpios (IP69K por ejemplo) o ‘explosión Proof’ (Atex en sus distintas categorías).

a) Par necesario de forma continua, par pico necesario.

b) Tipo de acoplamiento, de eje hueco o convencional.

c) Revoluciones necesarias y par necesario, o mejor una curva de velocidad/par. Según el tipo de motor paso a paso o asíncrono, el par puede variar en todo su rango de velocidades de funcionamiento, por ello es muy importante esta definición.

d) Aceleración y deceleración requeridas, para elevadas aceleraciones y deceleraciones se requieren sistemas de baja inercia, por lo que típicamente la inercia del rotor debe definirse según la aplicación, como ejemplo un motor de elevada inercia en rotor es adecuado para un husillo de máquina herramienta, pero no para un eje de dinámica elevada.

e) Resolución y precisión del sistema, que resolución angular es necesaria y que precisión. Esto define el sistema transductor necesario y muchas veces el tipo de motor.

a) ¿Hace falta un sistema guiado? Tal como antes se comentó si este es el caso hay que tener en cuenta el par radial que se le aplicará.

b) Recorrido máximo, los recorridos definen muchas veces el tipo de accionamiento dado que por ejemplo un sistema tipo vástago no es habitual en recorridos de 1 metro o superior.

c) Fuerza a ejercer axialmente, normalmente define la potencia del accionamiento. Es conveniente definir como en el caso de los rotativos, de la curva par/velocidad, ya que en el caso de los sistemas lineales intrínsecos es importante comprobar los parámetros de disipación térmica.

d) Forma de montaje. Horizontal o vertical, el uso de sistemas en posición vertical requiere muchas veces de la utilización opcional de freno.

e) Peso o carga que han de soportar las guías, válido sólo para sistemas guiados.

• Mover un tope de una posición a otra como reacción al cambio de una entrada y una confirmación de que el tope se ha movido por medio de una salida.
• Mover un elemento de palpación hasta una determinada posición, aplicar una fuerza determinada (por ejemplo para comprimir un muelle) y medir la posición alcanzada una vez realizada la fuerza.
• Insertar un buje o rodamiento controlando fuerza velocidad y posición
• Realizar un ‘lincado electrónico’ entre dos o más ejes definiendo una curva de sincronismo de forma libre (levas electrónicas)
• Mover una corredera desde velocidad y posición 0 hasta ‘alcanzar’ (sincronizarse) con un producto que se mueve en una cinta con una velocidad variable

Del 100% de la energía consumida:

• Un 50% de la potencia se pierde en el propio compresor de aire, debido a diferentes factores como las propias pérdidas energéticas de compresión de aire, las pérdidas del motor del compresor, las pérdidas de los ciclos de marcha-paro, …
• Un 16% de pérdida de energía en las diferentes válvulas de reducción y adaptación de presión.
• Un 5% de pérdida de energía en el tratamiento del aire, filtros, …
• Un 15% de pérdida de energía en el propio actuador neumático.

El cilindro neumático obtiene la energía a través de la presión de un caudal de aire comprimido sobre un émbolo. Todas las fases del movimiento —aceleración, velocidad constante y desaceleración— consumen potencia producida por el compresor a partir de electricidad. La diferencia de energía entre la consumida y la producida en el movimiento se traduce directamente en pérdidas, ya que los sistemas neumáticos no pueden devolver energía al compresor. En cambio, los actuadores eléctricos utilizan la energía directamente de la red eléctrica con un alto grado de eficiencia, consumiendo únicamente en las fases donde realmente hay trabajo, es decir, en las fases de aceleración, y además devolviendo al controlador la energía producida en las fases de desaceleración.

Si queremos desplazar la masa de 15 kilos un recorrido de 400 milímetros en 500 metros necesitaremos alcanzar una velocidad de 1 metros por segundo, lo que nos resulta en un cilindro neumático de 50 milímetros de diámetro interior como mínimo. Cada ciclo nos resulta en un volumen de aire de 10 litros, y suponiendo 8.000 horas de funcionamiento año, tendremos 24.000 metros cúbicos de aire a 6 bares anuales (145.000 metros cúbicos de aire a 1 bar), unos 25.600 kWh de energía consumida, o, lo que es lo mismo, 3.072 euros anuales de coste de energía eléctrica para mantener este dispositivo neumático en funcionamiento.Una solución tipo con motor lineal de LinMot nos resulta con una potencia de motor inferior a 100 W, una energía anual consumida de 800 kWh, y una factura energética de 98 euros anuales.

Pero no todos los beneficios vienen derivados del ahorro energético. Cada vez más los fabricantes de automóviles, pioneros en estandarizar los procesos de fabricación aún con cambios frecuentes de modelos, optan por evitar el usos de sistemas neumáticos, dado que esta tecnología es difícilmente controlable, es sucia, y hace en general de las máquinas algo más rígido y difícil de configurar.

Dentro del contexto de importantes acuerdos internacionales como el Protocolo de Kioto, del cual Europa es uno de los principales impulsores, la reducción de emisiones de CO₂ se ha convertido en una prioridad política y pública. La producción de CO₂ de las plantas productoras de energía depende del combustible primario empleado y del factor de eficiencia de conversión energética. Es evidente la apuesta de los gobiernos europeos por los medios de producción de energía menos contaminantes y empiezan a proliferar los parques eólicos y solares, las centrales de ciclo combinado, etc. Pero a día de hoy hay mucho trabajo por hacer y la energía producida por las centrales de combustibles fósiles supone una fracción realmente importante, llegando en algunos países de la Europa de los 15 a superar el 90% del total. Según datos del Frauhofer Institut (Alemania), para un factor de eficiencia energética medio de 0,39, nos encontramos con unas emisiones de CO₂ entre 515 gramos y 890 gramos para la generación de 1 kWh de electricidad a partir de centrales de combustión de gas natural y centrales de combustión de carbón respectivamente.