Un motor de transmisión armónica es una opción excelente para equipos de automatización que requieren una estructura compacta, una alta densidad de par, un juego mínimo y un posicionamiento preciso. Sin embargo, es fundamental seleccionar el tamaño adecuado. Los ingenieros no deben elegir un motor de transmisión armónica basándose únicamente en el par nominal o el tamaño del bastidor.

Un proceso completo de dimensionamiento debe tener en cuenta el par de salida, el par máximo, la velocidad, la relación de reducción, la inercia, el ciclo de trabajo, la carga sobre los cojinetes de salida, la precisión, el espacio de montaje y el rendimiento térmico.

Por qué es importante la selección del tamaño

En los equipos de automatización, el motor de transmisión armónica suele funcionar con arranques y paradas frecuentes, tiempos de aceleración cortos, posicionamientos repetidos y cambios continuos de carga. Si el tamaño seleccionado no puede soportar el par máximo durante la aceleración y la desaceleración, el reductor puede sufrir desgaste o ver reducida su vida útil. La información del catálogo de Harmonic Drive señala que, durante la aceleración y la desaceleración, el engranaje experimenta un par máximo causado por el momento de inercia de la carga de salida.

Un dimensionamiento correcto ayuda a garantizar:

• Un par de salida estable
• Un posicionamiento preciso
• Bajas vibraciones
• Una larga vida útil del reductor
• Un funcionamiento seguro durante las paradas de emergencia
• Mejor control del calor
• Mayor fiabilidad de los equipos

Guía de tamaños habitual de los motores Harmonic Drive

Tamaño del motor Harmonic Drive	Rango típico de potencia del motor	Nivel de par típico	Tipo de carga recomendado
Tamaño 8 / 11	10 W–50 W	Par muy bajo	Carga ultraligera
Tamaño 14	30 W–100 W	Par bajo	Carga ligera
Tamaño 17	50 W–200 W	Par bajo a medio	Carga ligera a media
Tamaño 20	100 W–400 W	Par medio	Carga media
Tamaño 25	200 W–750 W	Par medio a alto	Carga de servicio medio
Tamaño 32	400 W–1,5 kW	Par elevado	Carga media a pesada
Tamaño 40 / 45	750 W–2,5 kW	Par elevado	Carga pesada
Tamaño 50	1,5 kW–3 kW	Par muy elevado	Carga de servicio pesado
Tamaño 65	2 kW–5 kW	Par muy elevado	Carga pesada / momento elevado
Tamaño 80+	5 kW+	Par extraalto	Carga pesada especial

Factores principales para el dimensionamiento de los motores Harmonic Drive

Par de salida requerido

El primer factor de dimensionamiento es el par de salida. Es necesario calcular cuánto par necesita el mecanismo de automatización en el eje de salida.

Entre las fuentes de carga más comunes se incluyen:

• El peso del brazo giratorio o del dispositivo de sujeción
• Peso de la pieza de trabajo
• Par de fricción
• Fuerza de corte, presión, sujeción o manipulación
• Carga por gravedad en aplicaciones de eje vertical
• Par de aceleración

Una fórmula inicial sencilla es:

Par de salida requerido = par de carga + par de aceleración + par de fricción

Tras calcular este valor, añada un margen de seguridad. Para la automatización de servicio ligero, puede ser aceptable un factor de seguridad más bajo. Para máquinas de alto ciclo, ejes verticales, cargas de impacto o líneas de producción que funcionan las 24 horas del día, los 7 días de la semana, se recomienda un margen de seguridad mayor.

Par continuo y par máximo

No dimensione el motor basándose únicamente en el par máximo. Debe comprobar tanto el par continuo como el par máximo.

Tipo de par	Significado	Por qué es importante
Par continuo	Par necesario durante el funcionamiento normal	Influye en el calentamiento, la vida útil y la estabilidad del funcionamiento
Par máximo	Par de breve duración durante la aceleración, la desaceleración o los golpes	Influye en la capacidad de sobrecarga y en la seguridad del reductor
Par de retención	Par necesario para mantener la posición	Importante para ejes verticales y frenos
Par de emergencia	Par de frenado durante una parada brusca o una colisión	Importante para el diseño de seguridad

Por ejemplo, un brazo de «pick-and-place» puede necesitar un par continuo moderado, pero un par máximo elevado cuando arranca y se detiene rápidamente. Si solo se calcula el par medio, el motor de transmisión armónica seleccionado podría resultar demasiado pequeño.

Velocidad de salida

A continuación, calcule la velocidad de salida necesaria. En los equipos de automatización, la velocidad de salida suele definirse en función del tiempo de ciclo.

Por ejemplo:

• Es posible que una mesa giratoria tenga que girar 90 grados en 0,5 segundos.
• Es posible que una articulación de un robot tenga que desplazarse de un ángulo a otro en un tiempo de ciclo fijo.
• El eje de inspección de una cámara puede necesitar un movimiento suave a baja velocidad.

La relación es:

Velocidad del motor = velocidad de salida × relación de reducción

Si la salida requiere 60 rpm y la relación de reducción es de 100:1, la velocidad del motor es de unas 6.000 rpm, sin tener en cuenta los límites del sistema. Debe comprobar si el motor y el reductor pueden soportar de forma segura esa velocidad de entrada. La eficiencia varía en función de la relación, la velocidad, la carga, la temperatura y la lubricación.

Relación de reducción

La relación de reducción vincula la velocidad del motor con la velocidad de salida. También afecta al par de salida, a la resolución de posicionamiento, a la adaptación de la inercia y a la respuesta del sistema.

Rango de relaciones	Uso típico	Ventajas	Posibles limitaciones
30:1–50:1	Ejes de automatización de alta velocidad	Mayor velocidad de salida	Menor multiplicación del par
80:1–100:1	Automatización de precisión general	Equilibrio entre velocidad y par	Opción habitual para muchos sistemas
120:1–160:1	Posicionamiento de alto par y baja velocidad	Mayor par y resolución	Velocidad de salida más baja
200:1+	Equipos especiales de precisión a baja velocidad	Reducción muy elevada	Puede reducir la eficiencia o la respuesta

Si la relación es demasiado alta, la velocidad de salida puede resultar demasiado baja y el sistema puede parecer menos sensible. Una relación baja puede requerir que el motor suministre un par mayor.

Inercia de la carga

La inercia suele pasarse por alto, pero es fundamental para los equipos de automatización. Una carga giratoria de gran tamaño puede generar un par elevado durante la aceleración y la desaceleración.

La idea básica es la siguiente:

Par de aceleración = inercia de la carga × aceleración angular

En el caso de ejes rotativos, mesas de gran diámetro, brazos robóticos largos y accesorios pesados, la inercia puede ser el factor determinante en el cálculo del dimensionamiento. Aunque la carga estática parezca pequeña, el motor puede necesitar un par elevado para acelerar la carga rápidamente.

Un reductor de transmisión armónica reduce la carga de inercia que se transmite al motor. Sin embargo, el propio reductor también tiene límites de inercia y par, por lo que es necesario comprobar conjuntamente tanto el motor como el reductor.

Cargas radiales, axiales y de momento

Muchos motores de transmisión armónica se conectan directamente a una mesa giratoria, un brazo, una polea o un dispositivo de sujeción. En estos casos, el cojinete de salida debe soportar no solo el par, sino también las cargas externas.

Comprueba estos tres tipos de carga:

Tipo de carga	Dirección	Ejemplo
Carga radial	Carga lateral sobre el eje	Tensión de la correa, brazo montado lateralmente
Carga axial	Empuje o tracción a lo largo del eje	Presión o sujeción vertical
Carga de momento	Carga de inclinación	Brazo robótico descentrado o soporte en voladizo

Algunos reductores de accionamiento armónico utilizan rodamientos de rodillos cruzados en la salida para soportar cargas radiales, axiales y de momento en una estructura compacta. Si su eje de automatización tiene una carga en voladizo, la capacidad de carga de momento puede ser más importante que la capacidad de par.

Selección del tamaño según la aplicación

Los distintos equipos de automatización requieren prioridades de dimensionamiento diferentes.

Aplicación	Prioridad principal de dimensionamiento	Enfoque recomendado
Articulación del robot	Par, inercia, tamaño compacto	Comprobar el par máximo y la carga de momento
Mesa giratoria de indexación	Precisión de posicionamiento, inercia de carga	Compruebe el par de aceleración y la carga sobre los rodamientos
Equipos de semiconductores	Movimiento suave, repetibilidad	Compruebe el bajo juego y las vibraciones
Automatización médica	Diseño compacto, funcionamiento silencioso	Compruebe el ruido, la suavidad y el margen de seguridad
Máquina de envasado	Velocidad de ciclo, durabilidad	Comprobación del par continuo y del ciclo de trabajo
Articulación de un vehículo guiado automáticamente (AGV) o de un robot de servicio	Peso y consumo energético	Elegir un motor compacto con una relación de transmisión eficiente
Equipos de inspección	Posicionamiento estable	Compruebe la repetibilidad y la resolución del codificador

Pasos prácticos para el dimensionamiento

Paso 1: Definir los requisitos de movimiento

Antes de seleccionar un tamaño, defina el perfil de movimiento:

• Ángulo de rotación requerido
• Tiempo de desplazamiento
• Tiempo de aceleración
• Tiempo de desaceleración
• Tiempo de pausa
• Frecuencia de ciclo
• Horas de funcionamiento al día

Sin esta información, el dimensionamiento no es más que una suposición.

Paso 2: Calcular el par de carga

Determine el par necesario en función de las condiciones de movimiento de la carga. Para los ejes verticales, incluya el par de gravedad. Para los ejes rotativos horizontales, incluya la inercia y la fricción. Para los ejes de prensado o sujeción, incluya la fuerza de proceso.

Paso 3: Calcular el par máximo

El par máximo se produce durante la aceleración, la desaceleración, una parada brusca o un impacto. Este valor debe ser inferior al par máximo repetido admisible del reductor y al par máximo del motor.

Paso 4: Elegir la relación de reducción

Seleccione una relación que permita al motor funcionar dentro de un rango de velocidad adecuado, al tiempo que proporciona un par de salida suficiente.

Una buena relación debe:

• Mantener la velocidad del motor dentro del rango nominal
• Proporcionar un par de salida suficiente
• Mejorar la resolución de posicionamiento
• Reducir la inercia reflejada
• Evitar pérdidas innecesarias de velocidad

Paso 5: Comprobar el funcionamiento continuo

Aunque el motor pueda soportar el par máximo, puede sobrecalentarse si el par continuo es demasiado elevado. En el caso de los equipos de automatización de alto rendimiento, el par continuo suele ser el factor decisivo final.

Paso 6: Comprobar la interfaz mecánica

Comprueba las dimensiones de instalación:

• Tamaño de la brida del motor
• Tamaño del eje de salida o del eje hueco
• Disposición de los pernos
• Longitud total
• Dirección del cable
• Espacio para el codificador
• Espacio para el freno
• Orientación de montaje

Un motor técnicamente correcto sigue siendo inservible si no cabe dentro de la máquina.

Errores habituales en el dimensionamiento de los motores Harmonic Drive

Error 1: Seleccionar únicamente en función del par nominal

El par nominal es importante, pero no suficiente. También hay que comprobar el par máximo, la velocidad, la inercia, la carga sobre los rodamientos, el ciclo de trabajo y las condiciones térmicas.

Error 2: Ignorar el tiempo de aceleración

Un tiempo de aceleración más corto implica un par de aceleración mayor. Un motor que funciona bien a baja velocidad puede fallar en ciclos de producción a alta velocidad.

Error 3: Utilizar un factor de seguridad demasiado elevado

El sobredimensionamiento puede parecer seguro, pero puede aumentar el coste, el peso y la inercia. En equipos de automatización compactos, un motor sobredimensionado puede reducir la eficiencia de la máquina.

Error 4: Ignorar la carga del cojinete de salida

En el caso de los brazos en voladizo y las mesas giratorias, la capacidad de los cojinetes de salida puede ser el factor limitante. El reductor puede tener suficiente par, pero no la capacidad de carga de momento necesaria.

Error 5: Olvidarse del calor y del ciclo de trabajo

Un motor utilizado para pruebas breves puede funcionar bien, pero en una producción de 24 horas, el calor puede convertirse en un problema grave. Compruebe siempre el ciclo de trabajo real.

Lista de comprobación rápida para el dimensionamiento de motores Harmonic Drive

Antes de la selección definitiva, confirme lo siguiente:

• Par de salida requerido
• Velocidad de salida requerida
• Par máximo durante la aceleración
• Inercia de la carga
• Relación de reducción
• Ciclo de trabajo continuo
• Carga radial
• Carga axial
• Carga de momento
• Precisión de posicionamiento
• Repetibilidad
• Tensión del motor y compatibilidad del controlador
• Resolución del codificador
• Requisitos de frenado
• Espacio de instalación
• Orientación de los cables y conectores
• Temperatura de funcionamiento
• Vida útil prevista

Ejemplo de lógica de dimensionamiento

Supongamos que un eje giratorio de automatización requiere un juego reducido, un tamaño compacto y un posicionamiento preciso. La mesa gira 180 grados en un segundo y soporta una carga media.

Un buen proceso de dimensionamiento sería:

1. Calcular la velocidad de salida necesaria a partir del tiempo de movimiento.
2. Estimar la inercia de la carga a partir de la mesa y la pieza de trabajo.
3. Calcular el par de aceleración.
4. Añadir el par de fricción y el par de proceso.
5. Elegir una relación de reducción que mantenga una velocidad adecuada del motor.
6. Compruebe si el motor de transmisión armónica puede soportar el par continuo y el par máximo.
7. Compruebe la carga del cojinete de salida, especialmente si la pieza de trabajo está descentrada respecto al centro de rotación.
8. Añada un margen de seguridad adecuado.
9. Confirme las dimensiones de montaje y la compatibilidad del controlador.

Este método es mucho más seguro que elegir un motor basándose únicamente en el tamaño del bastidor o en el par nominal.

Cómo seleccionar el tamaño adecuado de un motor de transmisión armónica

Tamaño del motor	Adecuado para	Ventaja típica	Advertencia de selección
Motor con transmisión armónica pequeño	Pinzas pequeñas, cabezales de inspección, articulaciones de robots compactos	Ligero y de tamaño reducido	Par y capacidad de carga limitados
Motor de accionamiento armónico mediano	Mesas giratorias, ejes de embalaje, articulaciones de robots colaborativos	Par y tamaño equilibrados	Es necesario controlar el calentamiento en condiciones de uso intensivo
Motor de accionamiento armónico de gran tamaño	Articulaciones de robots pesados, mesas indexadoras de gran tamaño, sistemas de posicionamiento industrial	Alto par y rigidez	Mayor coste, peso e inercia

Para la mayoría de los equipos de automatización, la mejor opción no es el motor más pequeño capaz de mover la carga. La mejor opción es el motor más pequeño capaz de soportar de forma segura el par continuo, el par máximo, la velocidad, la inercia, la carga sobre los rodamientos y el ciclo de trabajo con un margen de seguridad razonable.