Cuando el piñón y la cremallera superan a los tornillos de bola y a los motores lineales en ejes de largo recorrido

Un sistema de piñón y cremallera, junto con una caja de cambios, proporciona el eje 7, o movimiento lateral, para un robot articulado. (Imagen: GAM.)

Si se saca una cinta métrica unos pocos centímetros, la hoja es rígida. Si se sigue tirando, en algún momento comienza a flexionarse y tambalearse, hasta que finalmente se pandea. Es un problema que los ingenieros conocen bien al diseñar ejes de largo recorrido.

Existen tres formas principales de crear un movimiento rectilíneo preciso en las máquinas: piñón y cremallera, husillos de bolas y motores lineales. En este artículo, exploraremos cuándo es la mejor opción el piñón y la cremallera, y cuándo podrían ser mejores otras alternativas.

Entendiendo las tres tecnologías

El piñón y la cremallera funciona haciendo que un engranaje giratorio, llamado piñón, engrane contra una barra dentada, llamada cremallera. Dependiendo de la configuración, ya sea la cremallera se mueve mientras el piñón permanece fijo, o el conjunto del piñón se desplaza a lo largo de una cremallera fija.

Un husillo de bolas funciona con una idea similar. Es esencialmente una barra roscada de precisión con una tuerca que se desliza sobre ella. Si se gira la barra, la tuerca se desplaza linealmente hacia adelante y hacia atrás; si se mantiene fija la tuerca, es la barra la que se desplaza.

Un motor lineal toma un enfoque diferente. Imagina un motor eléctrico abierto y extendido de forma plana. Una parte contiene imanes permanentes e electroimanes, mientras que la parte móvil tiene imanes correspondientes. Mediante la entrada de un controlador servo, la interacción magnética mueve la carga en línea recta.

Piñón y cremallera frente a husillos de bolas

En distancias más cortas, el piñón y la cremallera y los husillos de bolas compiten en el mismo ámbito; de hecho, los husillos de bolas pueden ofrecer una mayor precisión. Su orientación también puede ser más fácil de integrar en ciertos diseños de máquinas, dependiendo de cómo se distribuya la misma.

Sin embargo, al igual que la cinta métrica, el husillo de bolas tiene una longitud (alrededor de 2-3 metros) a partir de la cual surgen problemas, siendo la distancia dependiente del tamaño del husillo.

«A medida que se aumenta la distancia con los husillos de bolas, aparece un fenómeno llamado «latigazo»», dice Matt Ruggles, ingeniero de diseño senior en GAM, un fabricante estadounidense de reductores de engranajes servo y otros componentes de control de movimiento. «Básicamente, el husillo de bolas se convierte en una cuerda de saltar, y eso puede causar todo tipo de problemas en tu sistema: desgaste prematuro, vibración, a veces una falla catastrófica».

A diferencia de los husillos de bolas, el piñón y la cremallera es muy fácil de personalizar en longitud.

«La ventaja es que el piñón y la cremallera puede básicamente escalar infinitamente», dice Ruggles. «Puedes cortar un trozo de cremallera más corto o puedes ensamblar múltiples piezas de cremallera para obtener un recorrido mucho más largo».

Piñón y cremallera frente a motores lineales

Los motores lineales tienen dos ventajas principales: velocidad y control altamente preciso. Sin embargo, dado que un motor lineal depende del flujo magnético, la rigidez puede ser más difícil de gestionar. Los imanes introducen otras complicaciones también.

«He tenido experiencias en las que, durante las instalaciones, las llaves de los bolsillos de las personas se magnetizan», dice Ruggles. «Puede ser muy incómodo cuando de repente el reloj de pulsera comienza a recoger objetos. Esto puede afectar al entorno en el que trabajan, donde pueden recoger virutas y otros residuos mientras se desplazan».

Ambas tecnologías pueden escalar a distancias más largas, pero el costo por metro de extender un motor lineal es mucho mayor: los imanes permanentes y electroimanes involucrados son costosos, en comparación con añadir otra sección de cremallera. Los motores lineales también necesitan energía constante solo para mantener la posición, y su consumo de energía está directamente relacionado con la fuerza de alimentación que tienen.

Por el contrario, un piñón y la cremallera no está magnetizado. Las fuerzas de retroceso significan que el sistema mantiene la posición tan pronto como el motor se detiene, y el freno del motor integrado se encarga del resto sin un consumo continuo de energía. Los componentes tienden a ser menos costosos también.

«Tienes que comprar la cremallera y el piñón, y generalmente una caja de cambios y un motor, pero ese costo combinado suele ser menor que la implementación del motor lineal», dice Ruggles. «Puedes obtener un sistema mucho más rígido y fuerzas de alimentación mucho mayores por el costo, el tamaño del paquete y el consumo de energía».

El piñón y la cremallera tiene un entorno en el que no destaca: las salas limpias. Los dientes del engranaje necesitan lubricación para funcionar correctamente, lo que significa grasa expuesta al entorno. Esto puede mitigarse con cubiertas, sellos y la elección correcta del lubricante, pero añade complejidad.

Los husillos de bolas tienen el mismo problema, aunque pueden protegerse con fuelles y soluciones similares. Los motores lineales no tienen partes móviles expuestas, por lo que no hay nada que sellar o cubrir, lo que los convierte en la mejor opción para entornos de salas limpias como la fabricación médica o de semiconductores.

GAM vende la cremallera en barras estándar de un metro que pueden encadenarse, y también puede cortar la cremallera en longitudes más cortas. Las barras más largas están disponibles bajo pedido especial. Para los ingenieros que trabajan en la selección de componentes, el equipo de GAM puede ayudar a identificar los componentes y cantidades adecuados para cumplir con los requisitos de cada aplicación.

«Es una de esas cosas en las que obtienes lo que pones en ella», dice Ruggles. «Si te tomas tu tiempo y instalas con precisión y cuidado, obtendrás un piñón y una cremallera, husillo de bolas, etc., que funcionará muy bien. Si ensamblas las cosas a la fuerza, podrías tener problemas».

Para obtener más información sobre el piñón y la cremallera, visita GAM.