En muchos sistemas de automatización, un servomotor puede accionar un husillo de bolas directamente sin utilizar una caja de cambios. Esto se debe a que el avance del husillo de bolas ya convierte la rotación del motor de alta-velocidad en un movimiento lineal de menor-velocidad y alto-empuje.
Sin embargo, esto no significa que nunca se utilice una caja de cambios con un husillo de bolas. En ejes de carga alta-, sistemas de elevación vertical, mecanismos-críticos para la seguridad o aplicaciones con un gran desajuste de inercia, todavía se puede considerar una caja de cambios, un freno u otra estructura de sujeción. La elección correcta depende del par del motor, el avance del husillo de bolas, la velocidad requerida, la carga, la dirección de montaje y los requisitos de seguridad.
Respuesta rápida:
La mayoría de los sistemas de husillos de bolas no necesitan caja de cambios. Solo se considera una caja de cambios cuando el accionamiento directo del motor no puede satisfacer los requisitos correspondientes de par, seguridad, velocidad o inercia.
1. Por qué la mayoría de los husillos de bolas no necesitan caja de cambios
Un husillo de bolas no es sólo un componente de transmisión. Ya es un mecanismo de conversión de rotativo-a-lineal. El avance del tornillo define cuánto recorrido lineal se produce con una rotación completa del tornillo.
Por ejemplo, si un husillo de bolas tiene un avance de 10 mm, la tuerca se mueve 10 mm cuando el husillo gira una revolución. Si el motor funciona a 3000 rpm, la velocidad lineal teórica es:
Fórmula de velocidad lineal:
Velocidad lineal=avance del tornillo × velocidad del motor
10 mm/revolución × 3000 rpm=30000 mm/min=30 m/min
Esto significa que el husillo de bolas ya convierte la rápida rotación del motor en un recorrido lineal controlado. Una ventaja más pequeña produce una velocidad más baja y un mayor empuje. Un cable más grande produce una mayor velocidad pero requiere más torque del motor para el mismo empuje.
Para muchos ejes de posicionamiento horizontal, máquinas empaquetadoras, ejes auxiliares CNC, módulos lineales y sistemas de automatización, elegir el paso del husillo de bolas y el servomotor correctos es suficiente. Agregar una caja de cambios a menudo aumenta el costo y la complejidad sin mejorar el resultado.
2. Avance, velocidad y empuje del husillo de bolas
Muchos ingenieros primero piensan en el plomo como un parámetro de velocidad. De hecho, el plomo también afecta al empuje y al par motor. Un avance más pequeño actúa como una reducción mecánica más fuerte, mientras que un avance más grande es mejor para la velocidad.
| Plomo del husillo de bolas | Velocidad lineal | Capacidad de empuje | Uso típico |
|---|---|---|---|
| pequeña ventaja | Velocidad lineal más baja | Mayor empuje para el mismo par motor | Ejes de elevación, carga pesada, avance fino, ajuste de precisión |
| Plomo medio | Velocidad equilibrada | Empuje equilibrado | Automatización general, ejes CNC, maquinaria de embalaje. |
| Plomo grande | Mayor velocidad lineal | Requiere más par motor para el mismo empuje. | Ejes de transferencia rápida, movimiento-de carrera larga, posicionamiento a alta-velocidad |
Una fórmula útil para calcular el par es:
Fórmula de par requerida:
T=F × ventaja / (2π × η)
T=par de torsión requerido del tornillo, F=empuje requerido, avance=avance del tornillo, η=eficiencia de transmisión.
3. Por qué las transmisiones por correa y por engranajes suelen necesitar una caja de cambios
Las transmisiones por correas, cadenas y engranajes no proporcionan naturalmente el mismo tipo de reducción rotativa-a-lineal que un husillo de bolas. Si un motor acciona un sistema de correa directamente, la velocidad lineal puede ser demasiado alta y el par disponible puede no ser suficiente para la carga.
En los sistemas de transmisión por correa o engranajes, una caja de cambios se utiliza comúnmente para:
- Reducir la velocidad del motor a una velocidad de salida utilizable.
- Aumentar el par de salida
- Mejorar la coincidencia de inercia entre el motor y la carga.
- Mejorar la estabilidad del control de baja-velocidad
- Proteger el motor de sobrecargas en determinadas aplicaciones.
4. Problemas causados al agregar una caja de cambios a un husillo de bolas
Es técnicamente posible añadir una caja de cambios entre el motor y el husillo de bolas. Sin embargo, si el par y la velocidad del motor ya son adecuados, la caja de cambios puede crear más problemas que beneficios.
| Posible problema | Efecto sobre el sistema de husillo de bolas |
|---|---|
| Reacción | Puede reducir la precisión y repetibilidad del posicionamiento. |
| Elasticidad torsional | Puede reducir la respuesta dinámica y afectar la estabilidad del control. |
| Inercia adicional | Puede disminuir la aceleración y reducir la respuesta del servo. |
| Más componentes | Aumenta los errores de montaje y los puntos de mantenimiento. |
| Estructura más grande | Requiere más espacio de instalación y un diseño de soporte más complejo |
| Mayor costo | Puede no proporcionar suficientes beneficios prácticos para un eje de husillo de bolas normal |
5. ¿Cuándo se necesita una caja de cambios para un husillo de bolas?
Aunque la mayoría de ejes de husillo de bolas no necesitan caja reductora, existen algunos casos especiales en los que puede resultar útil.
| Condición | ¿Se necesita caja de cambios? | Razón |
|---|---|---|
| Eje de carga media-horizontal | Generalmente no | Un servomotor adecuado y un husillo de bolas suelen ser suficientes |
| Carga elevada con paso muy pequeño | Tal vez | El par del motor requerido puede exceder la capacidad de transmisión directa- |
| Eje Z vertical | Tal vez | Se debe evaluar la seguridad de retención durante la pérdida de energía. |
| Gran desajuste de inercia | Tal vez | Un reductor puede ayudar a mejorar la adaptación de inercia en algunos sistemas |
| Tamaño de motor limitado | Tal vez | Una caja de cambios puede aumentar el par de salida disponible cuando el espacio limita la selección del motor. |
| Eje de posicionamiento de alta-velocidad | Generalmente no | Las cajas de cambios pueden reducir la respuesta dinámica y aumentar la inercia |
6. Seguridad del eje vertical: la caja de cambios no es la única solución
Para los ejes verticales, el problema principal no es sólo el par. La seguridad durante un corte de energía también es importante. Una caja de cambios puede ayudar a aumentar el par de retención, pero no debe considerarse como el único dispositivo de seguridad.
Dependiendo del diseño de la máquina, los ingenieros también pueden considerar:
- freno servomotor
- Freno mecanico
- Estructura de contrapeso
- Tuerca de seguridad o tope mecánico
- Apagar{0}}diseño de retención
- Selección adecuada del avance del husillo de bolas y del par del motor
7. Ejemplo de selección de motor real: no se necesita caja de cambios
Considere un eje de posicionamiento horizontal típico:
| Carga | 30 kilogramos |
| velocidad lineal | 300 mm/s |
| Aceleración | 0.5 g |
| Ataque | 800 milímetros |
| Precisión de posicionamiento | ±0,02 milímetros |
| husillo de bolas | Ø20 mm, cable 10 mm |
| Eficiencia de transmisión | 0.9 |
Paso 1: Estime el empuje requerido. Para esta aplicación horizontal, después de considerar la aceleración y el margen práctico, el empuje requerido es de unos 250 N.
Paso 2: Calcule el par requerido en el eje del tornillo:
T=250 × 0,01 / (2π × 0,9) ≈ 0,44 Nm
Un servomotor de 400 W con un par nominal superior a 1 Nm tiene suficiente margen de par para esta aplicación.
Paso 3: verifique el requisito de velocidad. Un husillo de bolas de 10 mm necesita aproximadamente 1800 rpm para alcanzar 300 mm/s:
300 mm/s ÷ 10 mm/revolución=30 rev/s=1800 rpm
Esto está dentro del rango de velocidad de trabajo de muchos servosistemas. En este ejemplo, la transmisión directa es práctica y no se necesita caja de cambios.
8. ¿Caja de cambios o transmisión directa? Tabla de decisión rápida
| Pregunta | En caso afirmativo | Dirección de selección |
|---|---|---|
| ¿Es suficiente el par del motor? | Sí | Generalmente se prefiere la transmisión directa |
| ¿El avance del tornillo coincide con la velocidad requerida? | Sí | Generalmente no se necesita caja de cambios |
| ¿El eje es vertical o es-crítico para la seguridad? | Sí | Verifique el freno, el mecanismo de retención o la caja de cambios si es necesario |
| ¿La carga es muy alta y el plomo muy pequeño? | Sí | Calcule el margen de torque antes de decidir |
| ¿Una caja de cambios reducirá el rendimiento de posicionamiento? | Sí | Evite la caja de cambios si es posible la transmisión directa. |
9. ¿Qué información deben proporcionar los compradores?
Para decidir si un eje de husillo de bolas necesita una caja de cambios, primero se debe confirmar la siguiente información:
- Peso de carga
- Dirección de montaje horizontal o vertical
- Velocidad lineal requerida
- Requisito de aceleración
- Longitud del trazo
- Diámetro y paso del husillo de bolas
- Precisión de posicionamiento requerida
- Potencia del servomotor y par nominal
- Ciclo de trabajo y horas de trabajo.
- Requisito de seguridad para pérdida de energía o retención vertical.
10. Soporte para la selección de husillos de bolas relacionados
En la mayoría de los casos, seleccionar el paso del husillo de bolas, el par del motor, la unidad de soporte y el acoplamiento correctos es más importante que agregar una caja de engranajes. Un sistema de husillo de bolas bien-compatible puede reducir costes, ahorrar espacio y mejorar la respuesta dinámica.
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Conclusión
La mayoría de los sistemas de husillos de bolas no necesitan una caja de engranajes porque el avance del husillo ya convierte la rotación del motor en velocidad lineal controlada y empuje utilizable. Para muchos ejes de automatización, un servomotor y un husillo de bolas seleccionados correctamente pueden proporcionar suficiente par, velocidad y rendimiento de posicionamiento sin reducción adicional.
Solo se debe considerar una caja de cambios cuando la transmisión directa no puede cumplir con los requisitos de torque, seguridad vertical, adaptación de inercia o instalación especial. En otros casos, agregar una caja de cambios puede aumentar el juego, el costo, el tamaño y la inercia, al tiempo que reduce la respuesta dinámica.
La mejor solución es calcular el empuje requerido, el par del motor, la velocidad del tornillo y el margen de seguridad antes de decidir si es necesaria una caja de cambios.
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