¿Cómo elegir el servomotor adecuado?
El campo de la automatización es un tema de gran actualidad, y los servomotores desempeñan un papel importante en él, utilizándose habitualmente para accionar componentes de control de velocidad o posición más precisos en proyectos. Los diseñadores de equipos de automatización suelen enfrentarse a diversos problemas de selección de motores según las diferentes necesidades, y los proveedores ofrecen una amplia gama de motores con numerosos parámetros, lo que suele confundir a los principiantes. Este artículo se basa únicamente en la experiencia laboral del autor y pretende ser de ayuda para quienes lo necesiten.
1. Conceptos básicos del servomotor:
Los servomotores son parte de un sistema de circuito cerrado y se componen de varias partes, a saber, un circuito de control, un servomotor, un eje, un potenciómetro, engranajes de transmisión, un amplificador y un
codificador o resolver.
Un servomotor es un dispositivo eléctrico autónomo que hace girar partes de una máquina con alta eficiencia y gran precisión.
El eje de salida de este motor se puede mover a un ángulo, posición y velocidad particulares que un motor normal no tiene.
El servomotor utiliza un motor normal y lo acopla a un sensor para obtener información de posición.
El controlador es la parte más importante del servomotor diseñado y utilizado específicamente para este propósito.
El servomotor es un mecanismo de circuito cerrado que incorpora retroalimentación posicional para controlar la velocidad y la posición rotacional o lineal.
El motor se controla con una señal eléctrica, ya sea analógica o digital, que determina la cantidad de movimiento que representa la posición de comando final para el eje.
Un tipo de codificador funciona como sensor y proporciona retroalimentación de velocidad y posición. Este circuito está integrado en la carcasa del motor, que suele estar equipada con un sistema de engranajes.
2. Tipos de servomotores:
Los tipos de servomotores se clasifican en diferentes tipos según su aplicación. Hay tres consideraciones principales para evaluar los servosmotores:
- En primer lugar, en función de su tipo actual: CA o CC,
- En segundo lugar, del tipo de conmutación utilizada, si el motor utiliza escobillas,
- El tercer tipo de consideración es el campo giratorio del motor, el rotor, si la rotación es sincrónica o asincrónica.
3. Aplicaciones del servomotor:
Los servomotores se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones industriales y de automatización que requieren un control preciso del movimiento. Su capacidad para proporcionar un control preciso de la posición, la velocidad y el par los hace adecuados para una amplia gama de tareas. A continuación, se presentan algunas aplicaciones comunes de los servomotores:
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Robótica: Los servomotores se utilizan ampliamente en sistemas robóticos para el movimiento preciso y fluido de articulaciones, pinzas y efectores finales de robots. Permiten a los robots realizar tareas complejas con alta precisión y repetibilidad.
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Máquinas CNC: En las máquinas de control numérico por computadora (CNC), los servomotores impulsan los ejes (por ejemplo, X, Y, Z) para controlar con precisión el movimiento de la herramienta, lo que permite operaciones de mecanizado y fabricación precisas.
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Máquinas de embalaje y etiquetado: Los servomotores se utilizan en máquinas de embalaje y etiquetado para controlar el movimiento de cintas transportadoras, cuchillas de corte y cabezales de impresión con precisión.
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Industria textil: Los servomotores se utilizan en máquinas textiles como telares y máquinas de hilar para controlar la tensión del hilo y guiar la tela con precisión.
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Impresión y manejo de papel: En las imprentas, los servomotores controlan la alimentación del papel, el registro y el movimiento del cabezal de impresión, lo que garantiza una alineación precisa y una salida de alta calidad.
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Industria automotriz: Los servomotores se utilizan en diversas aplicaciones automotrices, incluidos sistemas de dirección asistida eléctrica, control del acelerador y líneas de ensamblaje robóticas de precisión.
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Aeroespacial y Aviación: Los servomotores se utilizan en los sistemas de control de aeronaves para el movimiento preciso y confiable de superficies de control de vuelo como alerones, elevadores y timones.
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Equipo Médico: En dispositivos y equipos médicos, se emplean servomotores para un posicionamiento preciso, como en sistemas de cirugía robótica y dispositivos de imágenes médicas.
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Estabilización de la cámara: En fotografía y cinematografía, se utilizan servomotores en cardanes y sistemas de estabilización de cámaras para lograr tomas suaves y estables.
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Sistemas transportadores: Los servomotores controlan el movimiento de las cintas transportadoras en los sistemas de manipulación de materiales y logística, garantizando un posicionamiento y clasificación precisos de los productos.
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Automatización industrial: Los servomotores desempeñan un papel crucial en diversas aplicaciones de automatización, incluidas operaciones de selección y colocación, manipulación de materiales y procesos de ensamblaje.
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Industria de Alimentos y Bebidas: Los servomotores se utilizan en máquinas de procesamiento y envasado de alimentos para el llenado, sellado y etiquetado precisos de productos alimenticios.
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Energía renovable: Los servomotores se utilizan en sistemas de seguimiento solar y turbinas eólicas para orientar los paneles solares y las palas de los vientos para una captura óptima de energía.
Estos son solo algunos ejemplos de cómo se emplean los servomotores en diversas industrias y aplicaciones. Su capacidad para proporcionar un movimiento preciso y controlado los convierte en un componente vital de los sistemas modernos de automatización y control de movimiento.
En comparación con los motores paso a paso, los servomotores:
a) El servomotor adopta un control de bucle cerrado, mientras que el motor paso a paso adopta un control de bucle abierto;
b) El servomotor utiliza un codificador rotatorio para medir la precisión, mientras que el motor paso a paso utiliza un ángulo de paso. La precisión del primero, a nivel de producto convencional, puede ser cien veces mayor que la del segundo.
c) El método de control es similar (pulso o señal direccional).
4. Fuente de alimentación
Los servomotores se pueden dividir en servomotores de CA y servomotores de CC según su fuente de alimentación.
Es relativamente fácil elegir entre ambos. Para equipos de automatización general, la Parte A proporcionará una fuente de alimentación industrial estándar de 380 V o una fuente de alimentación de 220 V. En este caso, se puede seleccionar el servomotor correspondiente para evitar la conversión del tipo de alimentación. Sin embargo, algunos equipos, como las plataformas de transporte y los vehículos guiados automáticos (AGV) en almacenes tridimensionales, suelen utilizar una fuente de alimentación de CC integrada debido a su movilidad inherente, por lo que generalmente se utilizan servomotores de CC.
5. Freno de banda
Según el diseño del mecanismo de acción, considere si provocará una tendencia inversa en el motor durante un corte de energía o en estado estacionario. Si existe una tendencia inversa, es necesario elegir un servomotor con freno de banda.
6. Cálculo de selección
Antes de seleccionar y calcular, primero se deben determinar los requisitos de posición y velocidad del extremo del mecanismo y, a continuación, el mecanismo de transmisión. En este punto, se puede seleccionar el servosistema y el reductor correspondiente.
Durante el proceso de selección se consideran principalmente los siguientes parámetros:
6.1. Potencia y velocidad
Calcule la potencia y la velocidad requeridas del motor según la forma estructural y los requisitos de velocidad y aceleración de la carga final. Cabe destacar que, en general, es necesario seleccionar la relación de reducción de la caja de cambios en función de la velocidad del motor seleccionado.
En el proceso de selección, por ejemplo, cuando la carga se mueve horizontalmente, la fórmula P=T * N/9549 a menudo no se puede calcular con precisión (el par no se puede calcular con precisión) debido a la incertidumbre del coeficiente de fricción y del coeficiente de carga del viento de cada mecanismo de transmisión. En la práctica, también se ha observado que la potencia máxima requerida para el uso de servomotores suele encontrarse en las etapas de aceleración y desaceleración. Por lo tanto, utilizando T=F * R=m * a * R, se puede calcular cuantitativamente la potencia del motor requerido y la relación de reducción del reductor (m: masa de la carga; a: aceleración de la carga; R: radio de rotación de la carga).
Es necesario tener en cuenta los siguientes puntos:
a) El coeficiente de excedente de potencia del motor;
b) Considere la eficiencia de transmisión del mecanismo;
c) Si el par de entrada y salida del reductor están de acuerdo con el estándar y tienen un cierto factor de seguridad;
d) ¿Existe la posibilidad de aumentar la velocidad en la etapa posterior?
Cabe mencionar que en industrias tradicionales como la de grúas, se utilizan motores de inducción convencionales para el accionamiento, y no existen requisitos claros de aceleración. El proceso de cálculo utiliza fórmulas empíricas. Nota: Cuando la carga se desplaza verticalmente, preste atención al cálculo de la aceleración gravitacional.
6.2. Adaptación de inercia
Para lograr un control de alta precisión de la carga, es necesario considerar si la inercia del motor coincide con la del sistema.
No existe una declaración unificada en línea sobre la necesidad del ajuste de inercia. Mi conocimiento personal es limitado, por lo que no lo explicaré aquí. Quienes estén interesados pueden investigar por su cuenta y compartirlo. El principio del ajuste de inercia consiste en convertir la inercia del sistema al eje del motor, y la relación de inercia con el motor no debe ser mayor que 10. Cuanto menor sea la relación, mejor será la estabilidad del control, pero se requiere un motor más grande, lo que resulta en una menor rentabilidad. Si no comprende el método de cálculo específico, estudie Mecánica Teórica por su cuenta.
6.3. Requisitos de precisión
Calcule si la precisión de control del motor cumple con los requisitos de carga tras modificar el reductor y el mecanismo de transmisión. Es necesario considerar una cierta holgura de retorno para reductores o ciertos mecanismos de transmisión.
6.4. Control de correspondencia
Este aspecto implica principalmente la comunicación y confirmación con los diseñadores eléctricos, por ejemplo, si el método de comunicación del servocontrolador coincide con el PLC, el tipo de codificador y si es necesario extraer datos.
7. Marca
Actualmente, existen muchas marcas de servomotores en el mercado, y su rendimiento varía considerablemente. En general, si no se necesita dinero, conviene optar por modelos europeos, estadounidenses y japoneses, y luego por los de Taiwán, China y China continental. No se trata de una admiración del autor por productos extranjeros, sino de una lección práctica. Según la experiencia, el rendimiento básico de los servomotores nacionales no presenta problemas, pero existe una cierta brecha en el algoritmo de control, la integración y la estabilidad de los principales servocontroladores. Espero que los fabricantes nacionales sigan trabajando arduamente para reducir la brecha con los productos extranjeros.
Cabe mencionar que, al diseñar sistemas de automatización, es importante aprender a aprovechar recursos externos. Especialmente en sistemas de automatización no estándar, la gran cantidad de selecciones y cálculos de equipos suele ser abrumadora, y las horas extras son la norma. Hoy en día, los fabricantes de servomotores ofrecen soporte técnico. Si se les proporcionan los requisitos de parámetros como carga, velocidad y aceleración, cuentan con su propio software para ayudarle automáticamente a calcular y seleccionar el servomotor adecuado, lo cual resulta muy práctico.
