La mayoría de los ejes electromecánicos utilizan perfiles de aluminio extruido en varios tamaños con un único carril de guía y una estructura del cojinete accionada por un motor eléctrico mediante una cinta o una configuración de tornillo de bolas. Hay limitaciones físicas a las fuerzas que un sistema de este tipo puede guiar de forma precisa y fiable. En este artículo se exploran algunas estructuras de diseño alternativas para hacer frente a aplicaciones de mayor carga, y se identifican consideraciones de diseño observadas durante el desarrollo de un sistema de doble raíl de carga elevada de Festo.
Desde hace años, se fabrican ejes electromecánicos muy demandados por el mercado, como el que se muestra en la figura 1. Estos ejes se componen de una fijación para el motor, una estructura de transmisión por husillo o por cinta acoplada a un carro, que va montado sobre un carril de guía de rodadura.
Estos elementos están montados dentro de un perfil de aluminio muy rígido, diseñado según el principio de bóveda de cañón. Los tipos de cojinete utilizados son los de bolas de recirculación enjauladas (EGC-KF), considerados los de mejores prestaciones.
Dentro del mercado de la automatización hay muchas aplicaciones para cargas elevadas, donde el tamaño de una disposición sencilla de perfil y cojinete sería demasiado grande y costoso. Debido a esto, la idea del proyecto fue diseñar una unidad de guía rentable, dinámica, fácil de instalar y para cargas elevadas. Las aplicaciones habituales son el uso como eje Y en un sistema de manipulación de varios ejes (ver fig. 2 y fig. 4 los requisitos básicos del sistema: carrera, carga, momentos).
Muchos diseñadores han logrado una gran capacidad de carga utilizando dos unidades de guía electromecánicas en paralelo. La distancia entre las dos unidades de cojinete aumenta considerablemente la capacidad del sistema para resistir pares más elevados. Aunque ofrece un nivel elevado de flexibilidad al diseñador, esta solución es el doble de costosa y no resulta fácil predecir la vida útil del sistema.
El diseñador debe encargarse de establecer la disposición para un rendimiento óptimo, así como de añadir el coste adicional que supone intentar alinear los componentes en una estructura de la máquina muy rígida, y de construir las placas de acoplamiento personalizadas, los ejes motrices, etc. La estructura seleccionada para la guía debe permitir cargas en todas las direcciones necesarias, así como ofrecer una larga vida útil de todo el sistema, con o sin mantenimiento predeterminado. Los conjuntos modulares físicos están disponibles para permitir la combinación de dos ejes electromecánicos individuales, pero sigue existiendo el problema de calcular el rendimiento final, la precisión y la vida útil.
La compañía pensó ofrecer a los fabricantes de maquinaria una solución de eje combinado único, con un perfil individual más ancho y con varios carriles de guía para las aplicaciones de carga elevada (tipo EGC «carga pesada» o EGCHD. Ver fig. 3). Aunque esto parecía una tarea sencilla, en realidad, desarrollar una solución como esa ha sido más difícil de lo que se creía al principio y se han extraído algunas nociones útiles para los ingenieros de diseño.
Los diseños iniciales requerían un concepto basado en un perfil de aluminio muy rígido con bóveda de cañón, dos carriles de guía montados de forma precisa y rígida, lo más separados posible, así como los cartuchos de cojinete de jaula de bolas, que se habían probado hasta ahora. El proceso de diseño duró más de dos años y se probaron varios sistemas de cojinetes de diferentes fabricantes.
Diseño del soporte perfilado
Para lograr mantener la vida útil del cojinete en el eje de cojinete doble, las tolerancias se definieron cuidadosamente para las superficies de contacto del perfil con el carril de guía del cojinete lineal. Se determinó que, para ofrecer un sistema de guía de alto rendimiento, el perfil de aluminio de soporte debería ser extremadamente fuerte, rígido y se debería fabricar de forma precisa. Para garantizar la vida útil del sistema, el eje debería ser válido para longitudes de hasta 9 m y estar instalado con un paralelismo de ±0,05 mm y una desviación de la planicidad inferior a 0,2 mm.
Debido a que el proceso de extrusión se tenía que realizar con diferentes fabricantes, se decidió usar un perfil con el principio de arco interno para dotarlo de la rigidez y tolerancias necesarias para el eje. El problema es que no se podía conseguir una superficie lo suficientemente plana para el montaje del cojinete.
Para solucionarlo, se desarrolló una máquina-herramienta especial que permitía fresar la superficie de la extrusión donde se une al carril de guía en el perfil estándar de 5,5 m o con el perfil extendido especial de 9 m de longitud. Es conocido que estos tamaños de perfil abarcan la mayoría de las aplicaciones requeridas por los clientes. Aunque este proceso añade costes de producción adicionales, se estima que superan los beneficios obtenidos, gracias a una mejora diez veces superior en la precisión.
La creación de esta máquina resultó ser un reto, ya que los perfiles pueden pesar hasta 125 kg, por lo que nuevamente hubo que hacer un desarrollo personalizado para este producto.
Bóveda de cañón: utilizada en la arquitectura y ahora en los ejes electromecánicos
Frecuentemente, los fabricantes de ejes mecánicos desarrollan carriles de gran calidad, pero están atornillados a perfiles que no son especialmente rígidos; el resultado es que toda la estructura se flexiona, al igual que sucedería con un motor de gran rendimiento para automóviles atornillado a un chasis, que se flexiona y se dobla al tomar una curva. El resultado, es que se reduce el rendimiento general del vehículo.
Para el eje estándar original y durante el desarrollo del sistema de eje doble, se desarrolló un perfil muy rígido usando un sistema de bóveda de cañón. Un diseño creado por Da Vinci y utilizado en gran medida por Gaudí.
Este tipo de perfil es increíblemente rígido, lo que permite que haya un carril en el perfil para que no ceda. El propio eje se utiliza como parte estructural del sistema. En lugar de atornillar un eje mecánico a una parte estructural, con el sistema de bóveda de cañón, el eje mecánico se convierte en la parte estructural, lo que reduce considerablemente el peso, así como el tiempo de montaje y los costes asociados.
Fase de pruebas inicial
Gracias a la experiencia obtenida de la guía lineal utilizada en el eje estándar (EGC), el siguiente paso fue hacer una prueba de durabilidad. Las muestras se llevaron a un laboratorio de ensayos de resistencia a la fatiga y se hicieron funcionar con la fuerza de avance máxima especificada en el catálogo.
En estas pruebas iniciales, se tomaron tres muestras de cada tamaño con una vida útil superior a los 5 millones de ciclos, lo que equivale a unos 5000 km. Después de solo 500 km de prueba, se produjo el primer fallo no esperado en los ejes, cuando las bolas del casette del cojinete salieron expulsadas de la carcasa.
Inicialmente, la investigación del equipo de diseño sobre el fallo se centró en la propia guía lineal y se decidió repetir la prueba con las mismas guías lineales pero desde un aspecto de producción diferente. Se inició una nueva prueba de durabilidad y se observaron rápidamente los mismos resultados deficientes.
La investigación se centró entonces en el propio sistema de cojinete. Está claro que, en un sistema de doble raíl, los dos ejes nunca están completamente paralelos, siempre hay algo de tolerancia a la desviación. En los sistemas habituales que utilizan dos ejes electromecánicos separados pero alineados, la placa que conecta los dos carros de cojinetes compensa una parte de este error de alineación, deformándose hasta cierto grado. El problema con el nuevo sistema de bóveda de cañón era que no había prácticamente elasticidad, tenía una estructura muy rígida y los cojinetes luchaban entre sí, lo que provocó un desgaste prematuro y el fallo. Se determinó que esta era la causa de los malos resultados de las pruebas iniciales.
Sistema de cojinete
Durante la fase de desarrollo, el enfoque principal era la rigidez del sistema de cojinete. En los ensayos iniciales se utilizó el sistema de jaula de bolas probado en el sistema de eje único existente (EGC), pero como ya se había verificado, estos sistemas fallaron a los 500 km, no solo una vez, sino también en la repetición de la prueba.
La guía lineal seleccionada en un principio era idéntica al diseño ya experimentado en los sistemas de raíl único, una solución de gran rendimiento y muy rígida. Pero en esta ocasión, las bolas y el raíl del cojinete no estaban diseñados para sufrir una desviación y, por tanto, no compensaron las tolerancias de alineación en el diseño de doble raíl y se produjo el fallo.
Existen muchas disposiciones para los cojinetes de bolas, y los diferentes fabricantes pueden seleccionar muchas alternativas para optimizar sus soluciones, como el número y el tamaño de las bolas en contacto, su disposición, los ángulos de contacto y la forma en que se retienen las bolas.
Cada fabricante de cojinetes construye estructuras diferentes; un cojinete que tiene una disposición en O y está enjaulado, por ejemplo, no tiene por qué tener las mismas características ni un rendimiento similar de un fabricante a otro. Esto puede deberse a otras diferencias en el diseño, puede que las dimensiones sean mayores o que el tamaño de las bolas no sea el mismo. Efectivamente, las diferentes combinaciones de sistemas en los cojinetes disponibles en el mercado varían enormemente y resulta difícil elegir el sistema óptimo, por lo que es importante establecer una relación cercana con el fabricante del cojinete.
Para el EGC-HD se consideró un sistema de cojinete de guía lineal alternativo, que utilizaba cojinetes con bolas de mayor diámetro.
Las bolas más pequeñas tienen más puntos de contacto para acomodar la carga y ofrecen una buena rigidez.
Las bolas más grandes suponen que haya menos bolas en el casette del cojinete y, por tanto, menos puntos de contacto. No obstante, con tamaños de bola mayores, la propia bola se puede comprimir ligeramente, compensando así las pequeñas pero importantes tolerancias del error de alineación; imagínese un balón de fútbol presurizado a 10 psi, el balón se podrá aplastar o deformar con más facilidad que una pelota de tenis con la misma presión. Por tanto, se determinó que un tamaño de bola superior se deformaría mínimamente y sería técnicamente mejor para este sistema, con una rigidez inherente increíble y, aun así, se cumplirían las tolerancias.
En este sistema de raíl doble, hay cargas pesadas, por tanto, el tamaño de la bola del cojinete está comprometido y el tamaño óptimo debe seleccionarse cuidadosamente. El perfil del raíl es muy rígido, por lo que hay poca deformación y todo movimiento debe ser ajustado por las propias bolas. Por ello, el tamaño de bola elegido para el sistema de raíl doble era ligeramente superior a los utilizados en el eje de raíl único. Se evaluaron diferentes sistemas de cojinetes de distintos proveedores. Los diseñadores seleccionaron una solución que había funcionado de forma fiable durante muchos años, lo que demuestra que a veces, la rueda debe ser reinventada para obtener la solución correcta. Lo que funciona bien en una configuración no se puede simplemente cortar y pegar en otra.
Diferencias fundamentales entre las disposiciones en ”X” y en “O”
La orientación de las bolas dentro de la carcasa del cojinete tiene un impacto significativo en el grado de resistencia a la deformación de la guía lineal. Existen dos geometrías de montaje: cara a cara (X) y espalda contra espalda (O).
En la disposición en “X”, las bolas entran en contacto con el raíl en una configuración orientada hacia el interior, lo que crea un patrón en “X” dentro del raíl. Este espacio pequeño entre las líneas centrales de las bolas ofrece rigidez a la guía, lo que reduce la capacidad de la guía para manipular cargas de momento o de flexión.
En la disposición en “O” (ver fig. 14), donde hay una orientación de las bolas hacia el exterior, el espacio entre las bolas es mucho más ancho, lo que ofrece una mayor resistencia a las fuerzas de momento aplicadas que en la disposición en “X”, así se consigue una mejor rigidez a la guía lineal. En resumen, cuanto más anchamente distribuya las fuerzas la disposición general en “O”, más uniforme será el sistema de guía. En la guía lineal original utilizada en el eje único, no había que gestionar cargas de momento inherentes, por lo que la disposición en “X” ofrecía una solución muy superior; para los ejes de raíl doble, sin embargo, estas fuerzas se materializaron durante la fase de prueba. En resumen, la disposición en “X” aumentaba las fuerzas de contacto en el raíl guía y los bloques de cojinetes, una de las causas principales del fallo.
Mientras que la mayoría de los ingenieros asume que los cojinetes con jaulas de bolas son superiores a los que no tienen jaulas, esta situación no era así de sencilla al tratar con cargas elevadas. Una gran parte del espacio en el interior del cartucho de cojinete con jaula era utilizada por la propia jaula, lo que reducía el espacio disponible para las bolas. Los cojinetes sin jaula ofrecen más espacio para las bolas y, por tanto, una mayor zona de contacto que los diseños con jaula, y esta mayor capacidad de carga ayuda en aplicaciones de tareas pesadas. Al utilizar cojinetes sin jaula, la velocidad máxima permitida del sistema final no es tan elevada como la que se puede alcanzar con cojinetes con jaula. Sin embargo, en un eje capaz de soportar mil kilos, la velocidad no es la consideración principal.
Se determinó que la disposición de las cuatro cadenas de bolas en la guía lineal era un factor clave. La disposición en “X” utilizada en la solución original de eje único ha demostrado ser demasiado rígida en las pruebas para una disposición de doble guía, por lo que se utilizó una disposición en “O”. La selección de una configuración sin jaula compensa en parte el tamaño superior de las bolas, lo que permite que haya más bolas (más zona de contacto) dentro del mismo tamaño de cartucho.
Fase de pruebas final
Una vez finalizado el diseño e integrado el nuevo sistema de cojinetes, se reiniciaron las pruebas con una durabilidad de 6 meses. En esta ocasión, sin fallos. Después de 5.000 km, no se detectaron signos de desgaste, por lo que las pruebas se ampliaron. Incluso después de 10.000 km todo continuó funcionando correctamente. Se calcula que la vida útil media de un eje de este tipo, dentro de una máquina, es de aproximadamente 3.600 km, por lo tanto, el nuevo diseño ofrece cómodamente el margen de seguridad operativa necesario.
Lecciones que se deben aplicar
Cuando se necesite un perfil (bastidor) muy rígido y preciso para aplicaciones de gran precisión, se debe tener una consideración especial con la falta de elasticidad del sistema.
Los sistemas de cojinetes lineales simples pueden ser modificados de forma precisa y se puede predecir su rendimiento, pero estos sistemas de cojinetes pueden volverse complicados y los modelos por ordenador existentes no pueden tener en cuenta todas las variables y predecir con precisión su vida útil.
No hay una selección simple del mejor cojinete: con jaula o sin jaula, con disposición en “X” o en “O”, el tamaño de la bola, etc, todo se debe determinar y ajustar a la aplicación.
Los ingenieros deben tener en cuenta la elección del sistema de guía utilizado en su diseño general, especialmente en los sistemas que llevan grandes masas y que suelen estar conectados a una estructura rígida.
Conclusión
Para un diseñador de máquinas especiales únicas, no sería práctico acometer la evaluación de las opciones (tiempo o coste) y la tentación sería la de aplicar demasiada ingeniería en sus soluciones o arriesgarse a que se produzca un fallo prematuro en la máquina.
Jueves, 21 de noviembre de 2024 
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Frecuentemente, los fabricantes de ejes mecánicos desarrollan carriles de gran calidad, pero están atornillados a perfiles que no son especialmente rígidos; el resultado es que toda la estructura se flexiona, al igual que sucedería con un motor de gran rendimiento para automóviles atornillado a un chasis, que se flexiona y se dobla al tomar una curva. El resultado, es que se reduce el rendimiento general del vehículo.
Gracias a la experiencia obtenida de la guía lineal utilizada en el eje estándar (EGC), el siguiente paso fue hacer una prueba de durabilidad. Las muestras se llevaron a un laboratorio de ensayos de resistencia a la fatiga y se hicieron funcionar con la fuerza de avance máxima especificada en el catálogo.
En la disposición en “O” (ver fig. 14), donde hay una orientación de las bolas hacia el exterior, el espacio entre las bolas es mucho más ancho, lo que ofrece una mayor resistencia a las fuerzas de momento aplicadas que en la disposición en “X”, así se consigue una mejor rigidez a la guía lineal. En resumen, cuanto más anchamente distribuya las fuerzas la disposición general en “O”, más uniforme será el sistema de guía. En la guía lineal original utilizada en el eje único, no había que gestionar cargas de momento inherentes, por lo que la disposición en “X” ofrecía una solución muy superior; para los ejes de raíl doble, sin embargo, estas fuerzas se materializaron durante la fase de prueba. En resumen, la disposición en “X” aumentaba las fuerzas de contacto en el raíl guía y los bloques de cojinetes, una de las causas principales del fallo.
