El control del movimiento rotatorio es fundamental en la automatización moderna, impulsando el movimiento preciso de brazos robóticos, cintas transportadoras, máquinas CNC e innumerables otras aplicaciones. Tradicionalmente, los servomotores con engranajes han sido la solución predilecta para lograr un movimiento rotatorio controlado en estos sistemas. Su versatilidad, su relativa asequibilidad y su capacidad para adaptar el par y la velocidad les han otorgado un papel fundamental en la maquinaria industrial.
Sin embargo, con el auge de alternativas avanzadas como los servomotores rotativos de accionamiento directo y los sistemas de bucle cerrado, los ingenieros están reevaluando el papel de los motorreductores en el control de movimiento moderno. ¿Siguen siendo los servomotores reductores la solución óptima? ¿O las nuevas tecnologías los han superado en rendimiento y fiabilidad?
La propuesta de valor de los servomotores con engranajes
Los servomotores con engranajes combinan un servomotor rotatorio tradicional con un reductor de engranajes, lo que les permite ofrecer un mayor torque a velocidades más bajas mientras mantienen un control preciso sobre la posición, la velocidad y el torque.
Ventajas clave:
- Amplificación de par: las cajas de engranajes multiplican el par del motor, lo que permite que un motor más pequeño impulse una carga mayor.
- Adaptación de velocidad: al reducir la velocidad del motor, las cajas de engranajes ayudan a adaptar la velocidad de funcionamiento óptima del servomotor a los requisitos de la aplicación.
- Ventaja mecánica: Las aplicaciones que requieren un alto par de retención (como cargas verticales o mecanismos de elevación) se benefician de la resistencia mecánica adicional.
Los servomotores con engranajes se utilizan ampliamente en aplicaciones como:
- Maquinaria de embalaje
- Sistemas transportadores
- Lineas de montaje automatizadas
- Aplicaciones de bobinado y tensado
- Robótica y pórticos con restricciones de par articulares
Han sido los preferidos durante décadas gracias a su facilidad de integración y rentabilidad, especialmente cuando la reducción de velocidad y la amplificación del torque son fundamentales.
Entendiendo las desventajas: juego y rigidez
A pesar de su ubicuidad, los servomotores con engranajes presentan desafíos que pueden degradar el rendimiento del servo, especialmente el juego y la rigidez torsional limitada.
¿Qué es el contragolpe?
El juego mecánico se refiere a la holgura entre los dientes de los engranajes u otros componentes de la transmisión. Crea un desfase entre el movimiento del motor y la respuesta de la carga. Cuando cambia la dirección del movimiento, el motor debe compensar esta holgura antes de transferir eficazmente el par a la carga.
This introduces:
- Incertidumbre posicional: las lecturas del codificador reflejan la posición del eje del motor, no la posición de la carga.
- Comportamiento de acoplamiento/desacoplamiento: la carga y el motor se desconectan y vuelven a conectar temporalmente durante los cambios de dirección, lo que afecta la precisión del control.
- Dificultades de ajuste: el sistema de control tiene dificultades para optimizar el rendimiento ya que el comportamiento mecánico introduce ruido y retrasos.
El juego se mide generalmente en minutos de arco (1 minuto de arco = 1/60 de grado). Incluso las cajas de engranajes de alta precisión pueden presentar un juego de entre 3 y 9 minutos de arco.
¿Qué es la rigidez torsional?
La rigidez torsional es la resistencia del sistema (eje, engranaje, acoplamiento) a la torsión bajo par. Un sistema perfectamente rígido tendría una deflexión cero, transmitiendo el par de forma instantánea y precisa. En la práctica, todos los materiales se deforman ligeramente bajo carga, y los acoplamientos mecánicos actúan como resortes de torsión.
La baja rigidez conduce a:
- Almacenamiento y liberación de energía: como un resorte comprimido, la energía se acumula y luego se libera, provocando oscilación.
- Resonancia: Ciertas velocidades pueden hacer que el sistema vibre sin control.
- Respuesta más lenta: el controlador debe limitar los ajustes de ganancia para evitar sobreimpulsos o inestabilidad.
Combinada con el juego, la rigidez torsional insuficiente introduce una elasticidad mecánica que complica el control del movimiento y alarga los tiempos de asentamiento del sistema.
Servomotores rotativos de accionamiento directo: ¿una mejor solución?
A diferencia de las soluciones con engranajes, los servomotores rotativos de accionamiento directo montan la carga directamente en el rotor del motor sin una caja de engranajes o un sistema de transmisión.
Ventajas de rendimiento:
- Juego cero: sin engranajes ni correas, no hay retraso en el movimiento durante las inversiones de dirección.
- Alta rigidez torsional: el recorrido mecánico corto y rígido garantiza una desviación mínima bajo torsión.
- Respuesta suave: el motor reacciona instantáneamente a los comandos del controlador, lo que permite altas ganancias de ajuste y un asentamiento rápido..
- Mantenimiento mínimo: sin lubricación de engranajes, ajuste de juego ni desgaste mecánico.
Los motores de accionamiento directo están diseñados con un gran número de polos y bobinados personalizados para ofrecer un alto torque a bajas velocidades, coincidiendo con la función del motorreductor sin necesidad de una caja de cambios.
Donde brillan:
- Sistemas de posicionamiento de precisión (por ejemplo, fabricación de semiconductores)
- Sistemas ópticos y equipos de inspección
- Mesas giratorias y indexadores de gran tamaño
- Robótica que requiere una alta respuesta dinámica
- Servoprensas y máquinas herramienta
El factor costo
A pesar de su rendimiento, los motores de accionamiento directo tienen un precio elevado. El alto contenido de material magnético (a menudo imanes de tierras raras), las estrictas tolerancias de fabricación y el diseño personalizado aumentan el coste. Además, tienden a ser más voluminosos que los motorreductores con una capacidad de par equivalente.
Dicho esto, cuando se tiene en cuenta:
- Mantenimiento reducido
- Mayor vida útil
- Sin desgaste mecánico
- Rendimiento mejorado
- Eliminación de técnicas de corrección del codificador
El retorno de la inversión a largo plazo de los sistemas de accionamiento directo puede superar la inversión inicial, especialmente en aplicaciones de alto rendimiento.
The Middle Ground: Closed-Loop Geared Systems with Load Encoders
Para superar la brecha de rendimiento sin adoptar por completo la transmisión directa, algunos sistemas utilizan un codificador secundario en el lado de la carga, formando un sistema de control de circuito completamente cerrado.
Esta configuración:
- Compensa el juego y el cumplimiento midiendo la posición de carga real.
- Permite un control más preciso que depender únicamente de la retroalimentación del lado del motor.
- Enmascara el retraso mecánico mediante correcciones algorítmicas.
Sin embargo, esto introduce:
- Mayor complejidad del sistema: dos codificadores, cableado adicional, acondicionamiento de señales.
- Mayor costo: Componentes adicionales, calibración e integración.
- No se eliminan los problemas mecánicos: el juego y el cumplimiento aún existen físicamente.
These systems are effective when direct-drive is cost-prohibitive, but geared motors alone are insufficient for required precision.
Comparación de configuraciones: con engranajes, transmisión directa y bucle cerrado
| Característica | Servo Motor con Engranajes | Servo Motor de Accionamiento Directo | Con Engranajes y Encoder en la Carga |
| Juego (Backlash) | Moderado (3–9 minutos de arco) | Nulo | Compensado (no eliminado) |
| Rigidez Torsional | Baja a Moderada | Alta | Baja a Moderada |
| Precisión de Posición | Moderada | Alta | Alta |
| Relación Velocidad/Torque | Excelente (mediante engranajes) | Buena (mediante bobinados) | Excelente |
| Complejidad del Sistema | Baja | Media | Alta |
| Mantenimiento | Moderado | Bajo | Alto |
| Costo | Bajo a Medio | Alto | Medio a Alto |
| Mejor Aplicación | Uso industrial general | Tareas de alta precisión | Retroadaptaciones o presupuestos limitados |
Consideraciones clave al elegir una solución de movimiento rotatorio
Al determinar qué tecnología de control de movimiento rotatorio utilizar, los ingenieros deben sopesar múltiples factores:
- Precisión requerida: ¿Es crítica la precisión inferior a un minuto de arco?
- Inercia de la carga: Las cargas de alta inercia se benefician de sistemas rígidos y sin holgura.
- Tiempo y velocidad del ciclo: Los sistemas más rápidos requieren una mejor respuesta y ajuste.
- Restricciones presupuestarias: Los motorreductores ofrecen una mejor relación calidad-precio, pero no una mejor rentabilidad a largo plazo.
- Tolerancia al mantenimiento: Los sistemas de engranajes se desgastan; los accionamientos directos no.
- Espacio de instalación: Los accionamientos directos pueden ser grandes y no caber en los espacios existentes.
¿Cuál es la mejor opción?
No existe una solución única para todos, pero surgen algunas pautas claras:
- Para la automatización industrial general con necesidades de precisión moderadas, los servomotores con engranajes siguen siendo una opción sólida y rentable. Ofrecen suficiente flexibilidad y adaptación de par para una amplia gama de máquinas.
- Para aplicaciones de alto rendimiento, especialmente aquellas que requieren holgura cero, respuesta rápida y alta resolución, los servomotores rotativos de accionamiento directo son la tecnología superior, ofreciendo un control de movimiento inigualable con una complejidad de sistema reducida (aunque a un coste mayor).
- Para sistemas heredados o aplicaciones de gama media, donde existe una sensibilidad al coste pero se requiere una mayor precisión, los sistemas con engranajes de lazo cerrado con retroalimentación del lado de la carga pueden ofrecer una solución práctica.
En última instancia, la decisión depende de las necesidades de rendimiento específicas de su aplicación, su presupuesto y las expectativas de vida útil. Si bien los servomotores con engranajes siguen siendo herramientas valiosas en el control de movimiento, los avances en el diseño de motores han introducido mejores soluciones, especialmente para aplicaciones donde la precisión y la capacidad de respuesta son primordiales.
Entonces, ¿son los servomotores con engranajes los mejores? En muchos casos, sí. ¿Pero son siempre los mejores? No: las soluciones de accionamiento directo y bucle cerrado están redefiniendo las posibilidades del control de movimiento rotatorio para la próxima generación de automatización.