Un motorreductor armónico logra un juego nulo mediante la deformación elástica, el engranaje de múltiples dientes y la precarga permanente. El generador de ondas remodela la flexspline, manteniendo sus dientes perfectamente engranados con la spline circular. Dado que los dientes permanecen totalmente engranados durante la rotación y el cambio de sentido de la carga, el reductor puede eliminar el holgura que provoca el juego.
¿Qué es el juego en un motorreductor?
El juego es el pequeño espacio entre los dientes de los engranajes acoplados. En los sistemas de engranajes tradicionales, suele ser necesaria una cierta holgura para la lubricación, la expansión térmica, la tolerancia de fabricación y una rotación suave.
Sin embargo, esta holgura puede provocar errores de movimiento. Cuando el motor invierte la dirección, el eje de entrada puede girar ligeramente antes de que el eje de salida responda. Este retraso se denomina juego.
En aplicaciones de precisión, el juego puede provocar:
- Errores de posicionamiento
- Vibración
- Ruido
- Mala repetibilidad
- Reducción de la precisión del control de movimiento
- Movimiento inestable de las articulaciones del robot
Por ejemplo, si un brazo robótico utiliza una caja de engranajes con holgura, es posible que el brazo no se detenga exactamente donde el controlador le ordena que se detenga. Esto puede afectar a la precisión del montaje, a la estabilidad de la sujeción y al rendimiento general del robot.
Estructura básica de un motor de engranajes armónicos
Un motor de engranajes armónicos combina un motor eléctrico con un reductor armónico. El reductor armónico se compone principalmente de un generador de ondas, una flexspline y una spline circular. Harmonic Drive describe el engranaje de onda de deformación como un sistema basado en la mecánica elástica de los metales, que utiliza estas tres piezas básicas para lograr características de holgura cero y una estructura compacta.
| Componente | Estructura | Función en el juego cero |
| Generador de ondas | Leva elíptica con cojinete | Deforma el flexspline en una elipse |
| Flexspline | Copa delgada y flexible con dientes externos | Se acopla firmemente con la spline circular |
| Espline circular | Anillo rígido con dientes internos | Proporciona un acoplamiento fijo del engranaje |
| Motor | Servomotor, motor paso a paso o motor BLDC | Proporciona rotación de entrada |
| Brida/eje de salida | Conectado a un eje flexible o a la estructura de salida | Proporciona una velocidad reducida y un par elevado |
La diferencia clave con respecto a las cajas de engranajes normales es que uno de los componentes del engranaje es flexible. Esta flexibilidad permite que los dientes del engranaje mantengan el contacto sin depender de un juego holgado.
Cómo funciona el mecanismo de engranaje armónico
El motor acciona el generador de ondas. El generador de ondas elíptico se encuentra dentro del flexspline. Cuando gira, obliga al flexspline a deformarse en forma de elipse.
El flexspline tiene dientes externos, mientras que el spline circular tiene dientes internos. El flexspline engrana con el spline circular en dos puntos opuestos de la elipse. Harmonic Drive explica que la flexspline es ligeramente más pequeña y tiene menos dientes que la spline circular, a menudo con una diferencia de dos dientes. A medida que gira el generador de ondas, cada vuelta completa desplaza la flexspline en esta diferencia de dientes.
Esto permite una gran reducción de velocidad en un espacio limitado. Y lo que es más importante, los dientes no están engranados de forma holgada. Se acoplan mediante deformación elástica.
Cómo se consigue la ausencia de holgura
La deformación elástica elimina el juego entre los dientes
En una caja de cambios tradicional, existe holgura porque los dientes necesitan espacio libre. En un motor de engranajes armónicos, el generador de ondas deforma elásticamente el flexspline. Esta deformación empuja los dientes del flexspline contra los dientes del spline circular.
Dado que el flexspline es flexible, puede mantener un contacto estrecho entre los dientes durante la rotación. Esto reduce o elimina el espacio libre que normalmente crea la holgura.
En términos sencillos, la caja de engranajes no depende de un espaciado holgado entre los dientes. Utiliza una presión elástica controlada para mantener los dientes de los engranajes engranados.
Múltiples dientes engranan al mismo tiempo
Los engranajes rectos o planetarios tradicionales suelen transmitir la carga a través de un número limitado de dientes. Un reductor de engranajes armónicos engrana muchos dientes en áreas de contacto más amplias.
Harmonic Drive señala que la flexspline y la estría circular se acoplan a lo largo de dos regiones a lo largo del eje mayor de la elipse del generador de ondas, no solo en un único punto. El acoplamiento continuo de los dientes a lo largo del eje mayor permite un juego nulo en los reductores de engranajes de onda de deformación.
Este acoplamiento de múltiples dientes mejora el reparto de la carga, reduce el juego local entre los dientes y aumenta la rigidez torsional.
La precarga permanente mantiene los dientes en contacto
Otra razón importante es la precarga. En un sistema de engranajes armónicos, el generador de ondas presiona continuamente la flexspline contra la spline circular.
Esta precarga mantiene un contacto estrecho entre los dientes durante la inversión de la carga. Harmonic Drive SE afirma que, debido a la precarga permanente, los engranajes Harmonic Drive no presentan holgura en los dientes, incluso cuando se invierte la carga.
Por eso los motores de engranajes armónicos son adecuados para aplicaciones que requieren movimientos frecuentes hacia delante y hacia atrás, como las articulaciones de robots y las plataformas de posicionamiento de precisión.
La flexspline compensa pequeños errores
Dado que la flexspline es elástica, puede absorber pequeñas variaciones de fabricación y montaje mejor que un par de engranajes completamente rígido. Esto ayuda a mantener un acoplamiento suave y reduce la holgura.
Sin embargo, esto no significa que la flexspline sea débil. La flexspline está diseñada para ser flexible radialmente pero rígida a la torsión. Esto significa que puede deformarse en su forma sin dejar de transmitir el par con precisión.
Holgura cero frente a alta rigidez torsional
El juego cero no significa que la caja de engranajes no sufra ninguna deformación elástica. Esta es una distinción importante.
El juego se refiere al espacio libre mecánico entre los dientes de los engranajes. La rigidez torsional se refiere a cuánto se tuerce la salida bajo carga.
Un motor de engranajes armónicos puede tener holgura cero, pero seguir mostrando una pequeña deflexión elástica bajo par. Esto es normal en cualquier transmisión mecánica. Para sistemas de alta precisión, los ingenieros deben tener en cuenta tanto la holgura como la rigidez torsional.
| Elemento | Significado | Efecto sobre el movimiento |
| Holgura | Holgura libre entre los dientes del engranaje | Provoca pérdida de movimiento durante el cambio de dirección |
| Rigidez torsional | Resistencia a la torsión bajo carga | Afecta al posicionamiento bajo par |
| Error de transmisión | Diferencia entre la posición de salida ideal y la real | Afecta a la precisión y la suavidad |
| Repetibilidad | Capacidad para volver a la misma posición | Afecta a la precisión y a la estabilidad del movimiento |
En las articulaciones de los robots, la ausencia de holgura ayuda a eliminar la holgura, mientras que una alta rigidez torsional ayuda a la articulación a resistir la torsión bajo carga externa.
Por qué es importante la ausencia de holgura en el control de movimiento
Mayor precisión de posicionamiento
En los servosistemas, el controlador envía comandos de posición precisos. Si la caja de engranajes tiene holgura, el codificador del motor puede indicar movimiento, pero es posible que el lado de salida no se mueva inmediatamente. Esto genera un error de posicionamiento.
Un motor de engranajes armónicos reduce este problema porque la salida responde de forma más directa al movimiento del motor.
Mayor repetibilidad
La repetibilidad garantiza que el sistema vuelva a la misma posición. La ausencia de holgura ayuda a mejorar la repetibilidad porque hay menos holgura aleatoria durante los cambios de dirección.
Esto es importante para:
- Brazos robóticos
- Manipulación de obleas de semiconductores
- Ejes rotativos CNC
- Equipos de imagen médica
- Sistemas de ajuste óptico
- Máquinas de inspección
Inversión de sentido más suave
Muchas máquinas de precisión requieren cambios de dirección frecuentes. Si existe holgura, cada inversión puede provocar impactos, vibraciones o movimientos inestables.
Un motorreductor armónico proporciona una inversión más suave porque los dientes permanecen engranados bajo precarga.
Mayor estabilidad de las articulaciones de los robots
En los robots, el juego puede hacer que las articulaciones se sientan flojas. En robots humanoides, robots colaborativos o robots quirúrgicos, la holgura en las articulaciones puede reducir la seguridad y la calidad del movimiento.
Los motores de engranajes armónicos ayudan a que las articulaciones de los robots se muevan con mayor precisión, mantengan mejor la posición y respondan de forma más natural.
Motor de engranajes armónicos frente a motores de engranajes tradicionales
| Característica | Motor de engranajes armónicos | Motor de engranajes planetarios | Motor de engranajes rectos | Motor de engranaje helicoidal |
| Holgura | Cero o casi cero | Bajo a medio | Medio | Medio |
| Engranaje de los dientes | Múltiples dientes en acoplamiento elástico | Múltiples contactos entre engranajes | Contacto limitado entre los dientes | Contacto deslizante |
| Relación de reducción | Alta en una etapa | De medio a alto | Normalmente más baja | De medio a alto |
| Compacidad | Muy compacto | Compacto | Sencillo, pero más grande para una relación alta | A menudo más voluminoso |
| Precisión | Excelente | Buena | Moderada | Moderado |
| Mejor uso | Robótica, automatización de precisión, sector aeroespacial | Automatización general | Transmisión simple | Transmisión de par a baja velocidad |
Un motor de engranajes planetarios también puede proporcionar un buen par y un tamaño compacto, pero suele requerir un mecanizado muy preciso y múltiples etapas para reducir el juego. Un motor de engranajes armónicos logra un juego bajo o nulo principalmente gracias a su estructura elástica de onda de deformación.
Principales ventajas de los motores de engranajes armónicos sin holgura
Alta precisión
El juego nulo permite que la salida del motor siga el comando de entrada con mayor precisión. Esto resulta útil para máquinas que requieren un posicionamiento angular preciso.
Diseño compacto
Los motores de engranajes armónicos pueden alcanzar altas relaciones de reducción en una sola etapa. Harmonic Drive SE afirma que los engranajes de onda de deformación pueden alcanzar relaciones de reducción de 30:1 a 160:1 con solo tres componentes, mientras que las soluciones específicas para cada cliente pueden alcanzar relaciones aún mayores.
Alta densidad de par
Dado que muchos dientes comparten la carga, los motores de engranajes armónicos pueden transmitir un par elevado en un cuerpo compacto. Por eso son adecuados para las articulaciones de los robots y los módulos de automatización compactos.
Movimiento suave
El engranaje continuo de los dientes ayuda a reducir la vibración y mejora la suavidad del movimiento. Esto resulta valioso para aplicaciones que requieren un funcionamiento silencioso y un movimiento estable.
Áreas de aplicación
Los motores de engranajes armónicos se utilizan ampliamente en industrias de precisión donde el control del juego es fundamental.
| Aplicación | Por qué es importante la ausencia de holgura |
| Robots humanoides | Mejora la estabilidad de las articulaciones, el equilibrio al caminar y la precisión de los movimientos |
| Brazos robóticos industriales | Permite un posicionamiento preciso y movimientos repetibles |
| Equipos de semiconductores | Permite una manipulación precisa de las obleas y movimientos de inspección |
| Dispositivos médicos | Proporcionan movimientos suaves, controlados y precisos |
| Sistemas aeroespaciales | Admite mecanismos de precisión compactos y fiables |
| Instrumentos ópticos | Ayuda a lograr un ajuste angular preciso |
| Mesas giratorias CNC | Mejoran la precisión de indexación y la calidad del mecanizado |
Equívocos comunes sobre la ausencia de holgura
La ausencia de holgura no significa ausencia de error
Un motorreductor armónico puede eliminar el juego entre dientes, pero pueden seguir existiendo otros errores. Estos pueden incluir el error del encoder, el error de ajuste del control, la deformación de los rodamientos, la desalineación del eje y la deflexión elástica relacionada con la carga.
«Sin holgura» no significa «capacidad de carga ilimitada»
Si el motorreductor se sobrecarga, la precisión y la vida útil pueden verse afectadas. Es importante seleccionar el par adecuado.
La ausencia de holgura requiere una instalación adecuada
Incluso un motor de engranajes armónicos de alta calidad puede funcionar mal si la superficie de montaje es irregular, el eje está desalineado o la carga no está correctamente soportada.
Cómo seleccionar un motor de engranajes armónicos sin holgura
A la hora de elegir un motor de engranajes armónicos, los compradores no solo deben preguntar si tiene holgura cero. También deben evaluar el sistema de movimiento completo.
Entre los factores de selección importantes se incluyen:
- Par nominal
- Par máximo
- Relación de reducción
- Rigidez torsional
- Precisión de posicionamiento
- Repetibilidad
- Capacidad de carga del cojinete de salida
- Tipo de motor
- Resolución del encoder
- Ciclo de trabajo
- Espacio de instalación
- Requisitos de vida útil
Para aplicaciones de alta gama, también es importante comprobar la inercia de la carga, la aceleración, la carga de choque, el rendimiento térmico y las condiciones de lubricación.