Mejore sus procesos de manufactura

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Los ingenieros que diseñan maquinaria conocen muy bien la importancia del desempeño. Hoy, por ejemplo, el ensamble de un estator convencional que solía requerir un día o día y medio ahora se logra en tan sólo 20 minutos. Esta propuesta, de la firma estadounidense Baldor, se logra utilizando la tecnología de servomotores. Además de ello se obtienen otras mejoras en la maquinaria.

Entre las principales mejorías figuran las siguientes:

  • Rendimiento -- mayor capacidad de la maquinaria
  • Exactitud -- mayor uniformidad entre las piezas
  • Mantenimiento -- tiempo menor y ahorro en costos
  • Proceso -- menor número de piezas descartadas
  • Calidad -- consistencia mejorada del bobinado

El diseño de los servomotores se puede incorporar, y de hecho así se hace, en muchas de las máquinas modernas. Los beneficios de las mejoras se están poniendo en práctica en las operaciones, procesos y aplicaciones de las plantas de manufactura en el mundo entero.

El mundo de la tecnología de servomotores
Dado que hay diversas tecnologías entre las cuales escoger --de inversor, vector o servo--- es preciso indagar cómo éstos se comparan entre sí y cuáles son las aplicaciones típicas de cada una de ellas.

Un inversor se utiliza para controlar la velocidad de un motor asincrónico de CA. Las especificaciones del diseño incluyen una capacidad máxima de sobrecarga de 150 a 200%, tal como se aprecia en el perfil de rendimiento de un inversor característico en la  gráfica 1 . Entre las características adicionales del diseño se incluyen la inversión controlada, las velocidades preestablecidas y los I/O programables, para mencionar unas pocas. La controlabilidad de la velocidad se reduce a sólo 300 rpm aproximadamente. Este hecho no permite la utilización de los inversores en sistemas de posicionamiento. Sin embargo, los inversores se prestan muy bien, y de hecho también se utilizan, para aplicaciones típicas de velocidad ajustable, tales como ventiladores centrífugos, cintas transportadoras, bombas, mezcladores y muchas otras.

Basta con incorporar una retroalimentación de codificación en este motor asincrónico de CA, y se obtiene una tecnología de vectores. Las especificaciones del diseño incluyen propiedades tales como una capacidad máxima de sobrecarga de 150 a 200%  (véase la gráfica 2) , junto con las características mencionadas anteriormente, además de una adecuada regulación de la velocidad y un control de velocidad hasta cero rpm. Estas características se prestan para múltiples aplicaciones, bien sea para velocidades ajustables o como una posibilidad para aplicaciones de posicionamiento de servomotores.

Con todo, para poder ofrecer el conjunto más confiable para las aplicaciones, el motor vectorial debe incluir un diseño de bobinado y laminación de alta eficiencia, y el bobinado eléctrico debe incluir protección contra picos de corriente alta y reflexiones de voltaje que puedan deteriorar la vida útil del bobinado eléctrico.

Los servomotores se diseñan para brindar un tamaño optimizado de torque por conjunto y mejorar la relación entre parte fuerzas e inercia. Presentan características lineales y capacidad máxima de sobrecarga de 200 a 400%  (véase la gráfica 3) , además de las propiedades de diseño enumeradas --y ofrecen la mayor rapidez de aceleración y posicionamiento. Los servos ofrecen arranques y paradas rápidos así como un posicionamiento exacto.

La tecnología de servo sin escobillas incluye asimismo una mayor capacidad en velocidades, torques máximos más altos en un conjunto más pequeño, inercias mucho menores (y, por consiguiente, una capacidad de aceleración más rápida) y, desde luego, una duración prolongada y confiable, libre de mantenimiento en sus aplicaciones. Por este motivo se utilizan en robótica, embalajes, ensambles electrónicos, equipos de semiconductores, textiles, corte, impresión, etiquetas y muchas otras aplicaciones de los servomotores.

En la  gráfica 4  se ilustra la relación entre tiempo y velocidad correspondiente a las tecnologías de vectores y servos. Al utilizar servomotores los equipos de manufactura se benefician de un aumento en su rendimiento. Por ejemplo, en el tiempo que tarda un motor vectorial característico de ½ HP para producir una pieza un servo CD produce 3 piezas, mientras que un servomotor estándar inercial sin escobillas produce 6 piezas y un servo de inercia baja sin escobillas produce 40 piezas (este último caso no aparece ilustrado). El servomotor, debido a su tasa de respuesta más ágil, logra un posicionamiento más rápido y produce un mayor número de piezas por hora, por lo cual alcanza niveles de productividad más elevados -- esto se refleja directamente en los resultados financieros finales.

Consideraciones sobre las aplicaciones
Los siguientes aspectos se deben tener en cuenta al principio de la fase de diseño de una máquina de movimiento y posicionamiento. Si se abordan desde temprano, la labor se facilita.

En cualquiera que sea la aplicación el diseñador debe saber qué es lo que se pretende impulsar, movilizar y posicionar. En otras palabras, tiene que analizar bien la carga. Y esto cobra especial importancia en las aplicaciones que exigen un gran número de arranques y paradas. El diseñador debe comparar la carga y la inercia del motor, ya que esta proporción afecta la respuesta de la máquina, así como la resonancia y la potencia correspondientes.

Respuesta de la máquina -- al aumentarse la relación entre la inercia de la carga y la inercia del motor, se tienden a producir oscilaciones y, por tanto, se prolonga el tiempo necesario para que la carga se asiente, como se puede observar en la  gráfica 5. Para evitar las oscilaciones, se debe reducir la ganancia o respuesta del control. Sin embargo esto extiende, de todas maneras, el tiempo de asentamiento e implica una operación de posicionamiento más lenta.

Resonancia mecánica -- una ecuación que incluye inercia de carga, inercia de motor y rigidez de la máquina muestra cuál es su relación con la frecuencia de resonancia mecánica. La forma de esta ecuación es la siguiente:

**B2BIMGEMB**1**

donde JL es la inercia de la carga, JM la inercia del motor y K la rigidez de transmisión de la máquina.

La anterior ecuación indica que la frecuencia de resonancia mecánica depende de la rigidez de transmisión de la máquina, pero también la inercia de la carga. Asimismo señala que la frecuencia mecánica de la máquina se disminuye a medida que se incrementa la desigualdad de las inercias -- esto se ilustra en la respuesta del ciclo de velocidad que aparece en la  gráfica 6. Y cuando este punto de resonancia se reduce, la respuesta del sistema queda restringida, es decir, que se torna más lento. Para obtener la mejor respuesta, esta frecuencia de resonancia mecánica debe estar por fuera del ancho de banda del sistema, que típicamente suele ser de 5 a 10 veces el ancho de banda del bucle del servo.

Energía -- cuando se presentan desfases, se requiere corriente adicional cuando la aplicación exige realizar un movimiento idéntico en el mismo tiempo. Esto también ocasiona una disipación adicional de energía dentro del motor --lo que a su vez requiere un motor más potente.

Por ejemplo, si se toma una cierta aplicación que necesita una movilización específica con una proporción de inercia de 1:1. Si la relación de inercia se convierte en 2:1 y la máquina tiene que realizar un movimiento idéntico, en el mismo tiempo anterior --se necesitará un 23% más de corriente y, por consiguiente, un 50% más de capacidad de disipación de energía dentro del motor.

Y esto se empeora aún más cuando aumenta la desigualdad inercial, como se observa a continuación:

Desigualdad

inercial

Corriente

adicional

Potencia

adicional

2:1

23%

50%

5:1

74%

200%

10:1

135%

450%

Así pues, la energía del sistema en general se minimiza igualando las inercias.

Para obtener la mejor respuesta de la máquina, mejorar la resonancia y diluir la disipación de la potencia, el diseñador debe optimizar las inercias de la carga y del motor a fin de lograr la mejor relación entre éstas. Los métodos más fáciles, más rápidos y menos costosos de mejorar la relación mencionada consisten en utilizar engranajes, en optimizar el paso de los tornillos de esferas o en emplear un motor más grande y de mayor inercia.

Beneficios de los servomotores
A continuación se presenta un breve análisis de algunas de las aplicaciones y las mejoras a los productos que los servomotores han aportado a estas máquinas.

Robots para manipulación -- estos equipos introducen aislamientos a las laminaciones del estator del motor. Gracias a la utilización de los servomotores, el equipo adquiere la capacidad de ajustarse a nuevos requerimientos de especificaciones de productos en forma ultrarrápida -- eliminando el tiempo de arreglo entre cambios de trabajos. Los servos han mejorado el control de la velocidad de bobinado - y logrado una mayor uniformidad entre una pieza y otra. Mediante los servomotores los requisitos de mano de obra se han reducido 6 veces, y la capacidad de producción se ha aumentado más de 10 veces -- todo lo cual mejora enormemente la productividad.

Prensas -- las prensas de impresión de 10 colores producen grandes volúmenes de empaques y envoltorios para productos de consumo, tales como las bebidas. Entre un trabajo y otro es necesario cargar y descargar impresos y rodillos que pesan hasta 2000 lbs. utilizando una aparejo manual de poleas. Este cambio necesita dos operarios de prensa y tarda entre 15 y 20 minutos. El robot de manipulación con servomotor ha mejorado el tiempo total del trabajo. Al ser automatizado, el tiempo de los cambios se reduce a

3 minutos, lo que constituye un considerable avance en cuanto al tiempo de ciclo de la prensa.

Máquinas térmicas -- los fabricantes de productos en espuma, tales como revestimientos de empaques y paneles y aislamientos de cielorrasos utilizan este equipo y otros semejantes para cortar los productos en unos bloques especificados. Anteriormente la maquinaria térmica utilizaba arreglos manuales que consumían una gran cantidad de tiempo ajustando los hilos calientes. En la actualidad, mediante los servomotores que utilizan tornillos con esferas, este proceso es automático. Los servos han permitido aumentar la capacidad de producción en más del 25%. Los servomotores han mejorado la exactitud en el posicionamiento -- y, por lo tanto, disminuido los desperdicios. El tiempo de arreglo se ha reducido de 20 minutos a 90 segundos.

Máquinas de corte y acabado -- la automatización de estos equipos aumentará enormemente la productividad. Otros tipos similares de máquinas de esta categoría serían: equipos automáticos de realización de ensayos, inspección y pruebas de pegado, así como los de halado y corte ajustables a la longitud. La utilización de servomotores ha mejorado la uniformidad y confiabilidad de las piezas de esta maquinaria. Los equipos de acabado y corte automático con servomotores han reducido la necesidad de mano de obra en un factor de 12 veces, y aumentado la capacidad de producción más de 10 veces.

Otras aplicaciones -- Desde luego existen múltiples aplicaciones que resultan favorecidas por la tecnología de los servomotores. Entre ellas se encuentran procesos como ensambles de fábrica, empaques, impresión, alimentos y bebidas, productos químicos y farmacéuticos, textiles, robots para manipulación, corte general, corte longitudinal con láser, equipos de conversión de materiales, bobinadoras, envoltura, halado y corte ajustables a la longitud y coordinación X-Y, además de muchas otras.

Así pues, algunos de los avances en los productos que los servomotores han aportado para el rendimiento de las máquinas comprenden:

  • Capacidad ultrarrápida de ajuste a requisitos de especificaciones de productos -- disminución o eliminación del tiempo de arreglo entre cambios de trabajos.
  • Posicionamiento mejorado -- aumento en la calidad y capacidad de la maquinaria -- con un incremento considerable de la productividad.
  • Eliminación de ajustes manuales de arreglos que consumen mucho tiempo - mediante los servomotores y los tornillos con esferas, el proceso es automático.
  • Mayor rendimiento de máquina y mejoramiento de la exactitud de posicionamiento --con la consiguiente reducción de desperdicios.
  • La automatización del equipo aumenta la productividad.

Resumen

Los servomotores responden más adecuadamente y con mayor rapidez, exactitud y precisión, movilizan cargas ligeras y pesadas, y funcionan en una gama muy amplia. Gracias a los servomotores se disminuye el tiempo de preparación, se reducen los desperdicios, se bajan los costos, se mejora el rendimiento de la maquinaria, se optimiza el tiempo de manufactura, se mejora el proceso y se establecen una mayor calidad y uniformidad en las piezas. Los servomotores representan la mejor inversión a largo plazo para maximizar la operación de planta y maquinaria, el rendimiento de los equipos y la productividad.

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