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Llegar lejos

Los conjuntos de reductor, piñón y cremallera son un sistema cuya demanda ha crecido considerablemente en los últimos años, permitiendo un movimiento de gran precisión, incluso a lo largo de longitudes prácticamente ilimitadas

El movimiento lineal es indispensable para mover máquinas; transporta herramientas y productos de una manera eficiente y controlable. Los mecanismos que generan movimiento lineal se clasifican generalmente en función de su velocidad y su aceleración, las fuerzas que transmiten al eje frente al volumen estructural, la vida útil, la rigidez y la precisión del posicionamiento.

Dos de los sistemas lineales más habituales son los motores lineales y los accionamientos con husillo de bolas. Los accionamientos por cremallera se dejan normalmente de lado por considerarse una tecnología anticuada con una precisión limitada para el posicionamiento, lo cual es totalmente falso. Por ejemplo, hoy día es posible mover con un sistema reductor-piñón-cremallera de módulo 3, un coche de 1 tonelada de peso, con una aceleración de 2G, con una precisión de posicionamiento de sólo algunas micras.

El rendimiento de un sistema piñón cremallera es superior en el rectificado de alta precisión de superficies de montaje, los tratamientos de superficies resistentes al desgaste, el desbarbado individual de dientes de engranajes y los diseños compactos de baja masa. En realidad, los accionamientos por cremallera presentan muchas ventajas en relación con los motores lineales, así como con los husillos de bolas y de rosca rectificada.

Los sistemas de piñón y cremallera de nueva generación ofrecen unas altas prestaciones dinámicas y una distancia de recorrido prácticamente ilimitada. Algunos incluyen reductores y motores servo con reductor integrado de alta calidad y precisión con un juego inferior a 1 minuto de arco, una eficiencia de hasta el 98,5% y unos tamaños mucho más compactos que los de las combinaciones estándar de servomotor y reductor. Algunas unidades de reductor con piñón montado de fábrica pueden presentar una precisión de hasta 10 µm para un movimiento seguro y suave.

Las aplicaciones típicas de los sistemas de piñón y cremallera incluyen los pórticos gantry, ejes horizontales y verticales de tornos y freasdoras de múltiples tipos que desplazan varias toneladas, y las máquinas de embalaje que desplazan desde unos pocos kilos hasta cientos de ellos. Los conjuntos de piñón y cremallera de siguiente generación también se utilizan en la industria maderera, en máquinas para el corte de metales de alta velocidad y las máquinas de montaje.

Geometría y detalles de la superficie

Los avances tecnológicos han permitido una mejora de las prestaciones de los sistemas de piñón y cremallera. Por ejemplo, su precisión es mucho más alta gracias al mecanizado y el rectificado de última generación.

Concretamente, algunas de las unidades de cremallera de calidad premium se graban con láser para un error de paso acumulativo de ±12 µm en un recorrido de 500 mm, lo cual permite seleccionar manualmente la precisión deseada.

Esto resulta muy útil para alinear unidades de cremallera en paralelo en aplicaciones de pórtico de doble accionamiento. En realidad, este grado de precisión permite que varios tipos de máquinas diferentes puedan funcionar sin ningún dispositivo de realimentación externo como un encoder lineal; otros sistemas lineales, en cambio, exigen el uso de unos dispositivos de realimentación muy caros para la conmutación y el posicionamiento del eje.

Gracias a su relación más alta de contacto de los dientes, para un funcionamiento más silencioso a alta velocidad y una mayor capacidad de transporte de carga es preferible utilizar una cremallera helicoidal con un ángulo de hélice optimizado. El error de paso entre los dientes helicoidales puede ser de hasta 3 μm. Un desplazamiento del perfil del piñón evita los socavados y también compensa las tensiones de flexión permitiendo una mayor capacidad de carga. El engranaje helicoidal se acopla de manera suave y silenciosa, lo cual ayuda a mejorar el acabado de la superficie, por ejemplo al mecanizar piezas con un margen de tolerancia muy limitado.

La lubricación resulta clave

Si se lubrican adecuadamente, la vida útil de los conjuntos de piñón y cremallera será más larga. Unos conjuntos perfectamente lubricados también pueden alcanzar unas velocidades nominales más altas. En la mayoría de los sistemas de piñón y cremallera, el método más habitual es un kit de lubricación o un dispositivo de engrasado automático. Estos dispositivos están disponibles en varios tamaños y volúmenes y se controlan automáticamente.

Es posible seleccionar diferentes ajustes para controlar la cantidad de grasa que fluye a lo largo del tiempo, según el ciclo de movimiento del sistema de piñón y cremallera. Un depósito cargado mantiene la presión cuando no está en uso y el cierre de un interruptor de dos hilos activa el flujo.

La grasa circula por un tubo hasta un piñón de engrase hueco, un engranaje de fieltro con orificios radiales a través de los cuales la grasa se aplica a la cremallera o al piñón. En cualquier caso, es posible aplicar de manera automática y precisa la cantidad correcta de grasa necesaria para cada aplicación para reducir así el mantenimiento al mínimo.

Integración de piñón y cremallera

Los conjuntos de piñón y cremallera disponen de numerosas opciones de montaje. Algunas cremalleras utilizan superficies de montaje especiales para garantizar la precisión, mientras que otras ofrecen un rendimiento adecuado incluso con una instalación básica. La flexibilidad inherente del diseño puede aprovecharse para obtener un mayor control; a diferencia de los motores lineales de accionamiento directo, los conjuntos de piñón y cremallera permiten ajustes en el tamaño del piñón, las relaciones de transmisión y la amortiguación para estabilizar el control de bucle cerrado.

También existen obstáculos. La separación excesiva entre los dientes de la cremallera y el piñón provoca holgura, lo cual afecta a la precisión. Un montaje inadecuado o mal alineado también puede dañar los rodamientos de la transmisión, lo cual provoca un mayor consumo de corriente por parte del motor, ruidos e incluso fallos. Para obtener un rendimiento óptimo, en la mayoría de las aplicaciones el piñón debe estar a la distancia correcta de la cremallera, debe estar instalado sobre una superficie plana y debe ser perpendicular a la transmisión con un margen de unos 25 µm.

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Los conjuntos de piñón y cremallera pueden utilizarse en aplicaciones verticales. Los dos factores que limitan la velocidad práctica son el dispositivo de accionamiento del piñón (por ejemplo, el servomotor) y el proceso para mantener lubricado el sistema de piñón y cremallera

Las mejoras en los dentados de piñón y cremallera y el descenso de los precios de la tecnología servo implican que, normalmente, los servomotores son utilizados en los sistemas de piñón y cremallera. Los motores paso a paso son una opción viable, pero los servomotores son preferibles por su precisión y controlabilidad.

Precarga

Algunas veces, los conjuntos de piñón y cremallera están precargados para eliminar la holgura y aumentar la rigidez. En estos casos, dos piñones actúan sobre una misma cremallera. Un piñón principal acciona el mecanismo en un sentido tal como lo hace en la configuración habitual, mientras que un piñón secundario aplica una fuerza en sentido opuesto, en el diente de la cremallera que engrana. De esta manera, se evita la holgura, incluso durante los cambios de sentido de la carga; también aumenta la rigidez del sistema y se refuerza el control dinámico.

Si se seleccionan los componentes correctos, la precarga de un sistema de piñón y cremallera no presenta ningún problema.Por otro lado, la precarga mecánica con un piñón partido precargado mecánicamente puede reducir la rigidez total de la máquina.

Por ejemplo, un piñón partido con un resorte reduciría la rigidez del sistema de acuerdo a la siguiente fórmula:

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Hay que tener en cuenta que, a diferencia de la más sofisticada precarga electrónica, estos piñones de precarga tradicional no pueden trabajar conjuntamente; uno se opone siempre al otro, lo cual reduce ligeramente la eficiencia.

En los conjuntos de piñón y cremallera más sofisticados, la precarga electrónica se mantiene a su máximo mientras el sistema está parado. Los piñones principal y secundario, ambos impulsados activamente, presionan sobre los dientes de la cremallera en direcciones opuestas. Seguidamente, cuando la máquina acelera, el piñón principal impulsa la máquina hacia delante, mientras que el piñón secundario reduce la precarga de la fuerza que se opone. Cuando el sistema pasa a una velocidad constante, el piñón secundario entra en contacto con el flanco del diente equivalente al acoplado por el piñón principal; entonces los dos piñones impulsan en la misma dirección y, al mismo tiempo, evitando la holgura.

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Los motores paso a paso son una opción viable para los conjuntos de reductor, piñón y cremallera, pero con estos mecanismos es más habitual utilizar servomotores

Por último, cuando el sistema reduce la velocidad, el piñón secundario vuelve a aplicar fuerza sobre el flanco del diente opuesto para ayudar a reducir la velocidad de la carga.

Piñón y cremallera frente a husillos de bolas

Los husillos de bolas no pueden acelerar igual que los conjuntos de piñón y cremallera, ni tampoco pueden mantener las mismas velocidades. Su rigidez suele ser menor y menos constante.

En comparación con los husillos de bolas, los conjuntos de piñón y cremallera tienen un menor momento de inercia de masa y una frecuencia natural y una eficiencia superiores. Están formados por menos componentes [es decir, su fiabilidad es superior], lo cual permite ahorrar tiempo durante la instalación. Además, su longitud es ilimitada.

Los husillos de bolas pueden ir acumulando unos errores importantes a lo largo de toda su longitud de recorrido. Por ejemplo, la desviación a lo largo de cuatro metros de recorrido para un husillo de bolas laminado puede variar entre 300 y 1.700 μm. Incluso con los husillos de bolas de rosca rectificada, la desviación a lo largo de cuatro metros puede ir de 30 a 110 μm. Con dos sistemas de piñón y cremallera combinados, el error acumulativo para la misma distancia de recorrido es de sólo 12 a 40 μm, lo cual convierte a los conjuntos de piñón y cremallera en el sistema adecuado incluso para pórticos gantry.

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Los actuadores de piñón y cremallera acostumbran a tener unos índices de aceleración y unas velocidades punta prácticamente tan buenos como los de los motores lineales. En muchos casos, el bastidor y la estructura de la máquina, pero no el actuador en sí, son los que limitan las velocidades punta de los sistemas de piñón y cremallera y de motor lineal

Para aplicaciones con recorridos largos, los husillos de bolas tienen unos altos momentos de inercia de masa que limitan la velocidad crítica y la capacidad de carga axial; la eficiencia de los husillos de bolas precargados llega sólo hasta el 90% aproximadamente. Tales aplicaciones de carrera larga pueden beneficiarse de un cambio a un conjunto de piñón y cremallera, cuya eficiencia llega hasta el 97%.

Los demás componentes, como los rodamientos, los agujeros de los alojamientos o los alojamientos de las tuercas; influyen en la rigidez de los husillos de bolas, lo cual no permite garantizar un comportamiento estable del sistema en condiciones dinámicas. A este problema hay que añadirle la desviación de la rigidez del husillo según la posición de la tuerca a lo largo de la longitud del husillo.

En cambio, los accionamientos de piñón y cremallera ofrecen una rigidez constante a lo largo de todo el recorrido, además de un buen comportamiento del sistema, lo cual permite un mejor control del mismo.

Por último, a diferencia de los sistemas de piñón y cremallera, por su principio los husillos de bolas sólo permiten portar una masa por eje lineal y no son adecuados para aplicaciones de recorrido corto. ¿Por qué? Las necesidades de engrasado hacen que sólo algunas bolas circulen a través de la tuerca.

Piñón y cremallera frente a motor lineal

En comparación con los motores lineales, los sistemas de piñón y cremallera pueden ofrecer un rendimiento similar pero a un coste muy inferior. Son más pequeños, lo que permite un diseño de máquina más compacto y menos complejo. La ausencia de fuerzas magnéticas reduce drásticamente la necesidad de estructuras para absorber las altas fuerzas normales que se producen, por lo que pueden utilizarse carriles guía estándar. Los motores lineales presentan una eficiencia general de hasta el 90%, aunque algunas veces es considerablemente inferior. Debido a esta ineficiencia inherente, los motores lineales exigen a menudo una refrigeración por agua.

En comparación, los sistemas de piñón y cremallera no necesitan ninguna cubierta que absorba las fuerzas normales; el sistema de guía puede estar expuesto a partículas metálicas y las restricciones de seguridad son mínimas. Los conjuntos de piñón y cremallera de mejor calidad no exigen costosas guías lineales ni frenos externos, los dispositivos de realimentación del motor y los frenos estándar son suficientes en función de la precisión y la construcción de la aplicación.

En muchos casos, los motores lineales exigen un rediseño completo de la máquina, en parte debido a que las enormes fuerzas normales generadas por la atracción entre el primario y el secundario tienen unas consecuencias de gran alcance. Como opción más sencilla, los sistemas de piñón y cremallera facilitan el montaje para conseguir unos ahorros adicionales y un reducción del tiempo de montaje hasta unos 10 minutos por metro de recorrido.

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