Los motores paso a paso son dispositivos electromecánicos sin escobillas que convierten la energía eléctrica en energía mecánica. Dividen el movimiento de rotación en un número igual de pasos con la ayuda de actuadores, dependiendo de los requisitos de la aplicación. Existen muchos tipos de motores paso a paso, como el motor paso a paso lineal, y se fabrican en función del número de pasos por revolución. Para el movimiento, utilizan actuadores. Los motores paso a paso ofrecen una repetición consistente del movimiento, control de velocidad y precisión en el posicionamiento. Tienen una serie de aplicaciones industriales, como la impresión 3D, la robótica, el mecanizado CNC, la imagen médica, etc. Este artículo analiza las diversas aplicaciones de los motores paso a paso y el papel de los actuadores lineales en los motores paso a paso.
¿Qué es un Motor Paso a Paso Lineal?
Un motor paso a paso lineal es un tipo de motor paso a paso que genera movimiento lineal en lugar de rotatorio. En lugar de un eje giratorio, un motor paso a paso lineal tiene un deslizador que se mueve hacia adelante y hacia atrás a lo largo de una tutorial. Este tipo de motor es ideal para aplicaciones donde se necesita un movimiento preciso y controlado, como en la impresión 3D, el mecanizado CNC y la robótica.
Tipos de Motores Paso a Paso Lineales
Hay varios tipos de motores paso a paso lineales disponibles, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Algunos de los tipos más comunes incluyen:
- Motores Paso a Paso Lineales de Base y Deslizador: Estos motores son sistemas de bucle abierto con una base y un deslizador. Ofrecen altas velocidades y resoluciones. Los deslizadores, también llamados forzadores, contienen un imán permanente, dientes y bobinados del motor. Para equilibrar el espacio de aire, se utilizan rodamientos en estos motores, ya que se crea una atracción magnética entre la base y el deslizador. Los motores paso a paso lineales son rentables y eficientes cuando el movimiento lineal está habilitado internamente en el motor. Esto ayuda a eliminar la necesidad de varios puntos mecánicos externos y se elimina un sistema de transmisión separado.
- Motores Paso a Paso Lineales de Deslizamiento: Estos motores ofrecen varios sistemas y ejes de posicionamiento, y convierten el movimiento rotatorio en movimiento lineal. Ofrecen movimiento libre unidireccional con la ayuda de rodamientos. Hay actuadores paso a paso lineales de deslizamiento que facilitan el movimiento en deslizamientos motorizados, como mesas de máquina y mesas de rodillos.
- Motores Paso a Paso Lineales Miniatura: Como su nombre indica, estos son motores de tamaño extremadamente pequeño con actuadores lineales de motor paso a paso mini. Pero vienen con tecnología avanzada de control de movimiento. Hay actuadores miniatura para estos motores, que facilitan movimientos complejos y proporcionan el empuje requerido.
Actuadores Lineales Accionados por Motor Paso a Paso
Los actuadores son dispositivos que facilitan el movimiento y se instalan en componentes o herramientas que requieren movimiento. Comúnmente, los actuadores de motor paso a paso son del tipo lineal, de ahí el nombre. Un actuador de motor paso a paso produce fuerza y movimiento a lo largo de una trayectoria lineal o recta. Comparten la mayoría de las propiedades con los motores paso a paso, aunque existen algunas diferencias. Un motor paso a paso tiene un eje, mientras que un actuador paso a paso tiene un tornillo de avance de precisión y una tuerca de precisión que juntos facilitan el movimiento lineal. También tienen un estator y un rotor al igual que los motores paso a paso, que de hecho tienen una resistencia mejorada ya que están laminados con revestimientos metálicos robustos como acero al silicio. El controlador o controlador del motor paso a paso controla los movimientos de los actuadores lineales del motor paso a paso, en términos de encendido o apagado, velocidad y rotación. Los controladores traducen las señales y los pulsos de reloj que reciben en corrientes de fase para que los actuadores paso a paso los interpreten y actúen.
Aplicaciones de los Motores Paso a Paso
Los motores paso a paso se utilizan en una amplia gama de industrias, desde la fabricación y la seguridad hasta la medicina y la electrónica. Estas son algunas áreas de aplicación de los motores paso a paso:
- Máquinas herramienta automatizadas
- Medidores automotrices
- Equipos de vigilancia, como cámaras
- Funciones de zoom en cámaras digitales
- Imágenes médicas y muestreadores
- Máquinas de análisis de sangre
- Equipos de fotografía dental
- Bombas de fluido
- Respiradores
- Camas de hospital
- Camillas e incubadoras
¿Cuál es la diferencia entre un motor paso a paso lineal y un motor paso a paso?
Un motor es uno de los primeros dispositivos eléctricos utilizados a escala mundial, y no existe una alternativa a los motores eléctricos. Sin embargo, a medida que la tecnología evolucionó, los motores también cambiaron mucho, y hoy en día, encontrará diferentes tipos de motores. Entre los diferentes tipos de motores, los motores lineales y los motores paso a paso se utilizan ampliamente en todas partes.
Estos motores tienen toneladas de aplicaciones, y uno puede llamarlos uno de los motores más eficientes y duraderos. Pero aquí hay un giro. ¿Qué motor es mejor y qué debería elegir una persona? Por lo tanto, aquí en este blog, haremos una comparación detallada entre los motores lineales y los motores paso a paso. Así que, sin más preámbulos, vamos a sumergirnos en la comparación entre el motor lineal y el motor paso a paso.
¿Qué es un Motor Lineal?
El motor lineal es uno de los motores más utilizados en la actualidad debido a sus ilimitadas aplicaciones. Un motor lineal es un motor lineal básico que funciona con el principio de inducción magnética. Como su nombre indica, es un dispositivo eléctrico que toma pulsos eléctricos como entrada y proporciona movimiento o fuerza lineal como salida. Ahora, lo interesante es que los motores lineales no tienen ningún sistema de conversión mecánica, lo que los lleva a un rendimiento altamente eficiente, simple y, por supuesto, más rápido.
¿Qué es un Motor Paso a Paso?
El motor paso a paso es como una versión personalizada de los motores eléctricos tradicionales, ya que funciona de manera similar a los motores tradicionales ofreciendo movimiento rotatorio. Ahora, la diferencia con los motores paso a paso es que el movimiento mecánico se divide en secciones, cambiando todo el principio de funcionamiento. Estos segmentos se llaman pasos.
En pocas palabras, la rotación o el movimiento mecánico no es continuo en el caso de los motores paso a paso. Ahora, esta funcionalidad lo hace adecuado para toneladas de aplicaciones, y por lo tanto, se utiliza ampliamente en diferentes industrias.
Motor Lineal vs. Motor Paso a Paso: Aspecto Técnico
Aquí hay una comparación detallada entre el motor lineal y el motor paso a paso.
Funcionalidad
Los motores lineales son bastante simples en funcionalidad porque no hay un sistema de conversión mecánica. Toda la máquina se basa en las propiedades magnéticas básicas de repulsión y atracción. Debido a las simples propiedades magnéticas y a la ausencia de conversión mecánica, un motor lineal ofrece una fuerza lineal precisa y rápida.
Los motores paso a paso, por otro lado, tienen una funcionalidad bastante compleja debido a la participación de la conversión mecánica y, lo que es más importante, la introducción de múltiples pasos en el proceso. Esto hace que su funcionalidad sea compleja, pero al mismo tiempo útil. Hay múltiples aplicaciones donde el movimiento/fuerza no se requiere continuamente, y por lo tanto, en este caso, no hay mejor opción que los motores paso a paso.
Rendimiento
Ahora, cuando se trata de rendimiento, ambos son perfectos en sus aplicaciones. Los motores lineales ofrecen altas velocidades y baja fuerza, mientras que los motores paso a paso ofrecen baja velocidad y alta fuerza. Lo interesante es que los motores paso a paso pueden ofrecer múltiples movimientos dependiendo de su sistema de conversión mecánica, pero los motores lineales solo proporcionan movimiento/fuerza lineal. Por lo tanto, debido a la ventaja técnica y la participación de múltiples partes, un motor paso a paso puede superar al motor lineal en términos de rendimiento.
Control de Movimiento
Ahora, el control de movimiento es muy importante en el caso de cualquier tipo de motor. Los motores paso a paso tienen una pequeña ventaja sobre los motores lineales; pueden controlarse fácilmente mediante sistemas de bucle abierto y cerrado. Por otro lado, los motores lineales generalmente son adecuados solo para sistemas de bucle abierto. No significa que no puedan controlarse en sistemas de bucle cerrado, pero proporcionan una funcionalidad óptima en sistemas de bucle abierto.
Usabilidad
Cuando se trata de usabilidad, el motor lineal es un campeón. La razón es muy simple. Funciona con un principio muy simple y básico de inducción magnética, por lo que puede utilizarse en cualquier lugar y de cualquier manera. Cualquiera puede integrarlo rápidamente. Lo más importante es que no tienes que buscar cambios, ya que solo proporcionará movimiento lineal.
Sin embargo, en el caso de un motor paso a paso, debes buscar el movimiento mecánico de salida según los requisitos. Del mismo modo, debes establecer los pasos o fases. El control de retroalimentación o de movimiento debe tenerse en cuenta en el caso de un motor paso a paso. Por lo tanto, utilizarlo es un poco complejo, lento y enfocado.
Mantenimiento
Aquí también, los motores lineales tienen la ventaja, y hay dos razones detrás de ello. En primer lugar, hay muy poco o ningún contacto físico entre las partes móviles, y en segundo lugar, hay muy pocas partes involucradas. Por lo tanto, los motores lineales son fáciles de mantener y tienen una larga vida útil.
Los motores paso a paso también tienen una larga vida útil, pero debido a la participación de múltiples partes y al contacto físico, hay más posibilidades de daños. Pero aún así, tienen vidas impresionantes, y cuando se trata de confiabilidad, no hay razón para dudar de ellos.
Motor Lineal vs. Motor Paso a Paso: Aplicaciones
Estas son las aplicaciones de los motores lineales y los motores paso a paso:
| Motores Lineales | Motores Paso a Paso |
|---|---|
| Procesos de automatización lineal | Procesos de automatización |
| Transporte | Dispositivos médicos/electrónicos |
| Sistemas de posicionamiento | |
| Robótica |
Palabras Finales
Tanto los motores lineales como los motores paso a paso son dispositivos eléctricos que proporcionan un movimiento mecánico. Los motores lineales son simples. Por otro lado, los motores paso a paso son avanzados. Pero nadie puede ignorarlos porque ambos tienen importancia en casi todas las industrias. Como todos los productos, los motores lineales y los motores paso a paso tienen ventajas y desventajas, pero hacen su trabajo perfectamente en su aplicación adecuada. El punto a tener en cuenta es que los motores paso a paso pueden funcionar de manera similar a los motores lineales, pero los motores lineales no pueden funcionar de manera similar a los motores paso a paso.
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¿Cuál es mejor, un actuador lineal servo o paso a paso?
Introducción
Los cilindros neumáticos (de aire) se utilizan ampliamente en la automatización industrial debido a su bajo costo por eje y sus altas capacidades de velocidad/fuerza. Tienen una larga historia de ser caballos de batalla populares en la industria de la automatización. Sin embargo, hay muchas razones para utilizar actuadores eléctricos en lugar de cilindros de aire: reducción del tiempo de inactividad de la máquina, reducción del consumo de energía, aumento de la precisión y aumento de la velocidad. Además, los actuadores eléctricos pueden ser accionados por motores servo o paso a paso en conjunto con un dispositivo de control para proporcionar movimiento lineal.
Este documento se centrará en las ventajas que los actuadores lineales eléctricos pueden proporcionar sobre los neumáticos, junto con las ventajas y limitaciones de utilizar tecnologías de motor servo o paso a paso para producir movimiento lineal.
Ventajas de los actuadores lineales eléctricos
Reducción del tiempo de inactividad
Los actuadores lineales eléctricos (ya sean de tornillo o de correa) requieren muy poco mantenimiento. El engrase puede ser el único mantenimiento regular necesario, y muchos modelos con accionamiento por tornillo están lubricados para toda la vida útil del actuador.
Los actuadores eléctricos suelen utilizar motores paso a paso o motores servo de CC sin escobillas (BLDC) para generar par. Debido a que ambos motores son sin escobillas, no hay contacto entre el rotor y el estator que no sean los cojinetes de carga. Esto elimina el mantenimiento del motor y permite que la vida útil del motor sea igual a la vida útil de los cojinetes.
Un cilindro de aire, por otro lado, debe sacarse de servicio con regularidad para ser reconstruido o reemplazado. En operación de ciclo de trabajo completo, los cilindros neumáticos pueden necesitar reconstrucción o reemplazo con la misma frecuencia que una vez al mes, dependiendo del estilo del cilindro. La reconstrucción incluye la limpieza; la inspección de elementos desgastados o rayados; el reemplazo de sellos, amortiguadores y bujes; y la reaplicación de grasa. Las fugas de aire en las líneas y las conexiones también deben identificarse y repararse. Este tipo de mantenimiento requiere varias horas de inactividad, lo que aumenta los costos debido a la pérdida de producción.
Reducción del consumo de energía
La tendencia de la "máquina verde" de ahorro de energía impulsa a los fabricantes a pensar en el uso de energía a lo largo del tiempo. Los actuadores lineales eléctricos con accionamiento servo consumen solo la energía necesaria para realizar el movimiento programado. Cuando están inactivos, se consume poca energía.
Un motor paso a paso puede funcionar al 100 por ciento de su corriente nominal durante un movimiento y también tener una corriente de retención en estado estacionario sustancial. Esta corriente de retención puede desperdiciar energía porque bloquea el rotor en una posición independientemente de si se está realizando algún trabajo. Sin embargo, muchos controladores de motores paso a paso pueden reducir la corriente a niveles mínimos.
Los cilindros neumáticos suelen tener un tamaño excesivo para el trabajo, ya que un cilindro de mayor diámetro puede no costar mucho más. Los sistemas de actuadores neumáticos consumen mucha energía cuando no se dimensionan correctamente al compresor o si las fugas de aire no se monitorean y contienen. Los sistemas neumáticos solo son eficientes cuando se dimensionan correctamente para el número de cilindros neumáticos en uso y cuando el ciclo de trabajo de la aplicación es alto.
Aumento de la precisión y la velocidad
A medida que la tecnología mejora, los ingenieros y los usuarios finales exigen más capacidad a menores costos. En el caso de la automatización industrial, esto significa que el producto debe fluir más rápido a través de las líneas de producción y cumplir con especificaciones cada vez más estrictas con un mínimo tiempo de inactividad de la máquina y consumo de energía.
Los actuadores lineales eléctricos pueden satisfacer estas demandas porque ofrecen más control sobre la posición, la velocidad y la fuerza. Los dispositivos de retroalimentación de alta resolución son comunes en la actualidad y permiten fácilmente una precisión a escala micrométrica. El ajuste avanzado del accionamiento puede compensar aspectos como las cargas cambiantes, la inercia y la prevención de la resonancia mecánica. Los fabricantes de actuadores eléctricos a menudo proporcionan software de dimensionamiento para dimensionar con precisión un actuador eléctrico a la aplicación y seleccionar un motor con suficiente par para alcanzar las velocidades deseadas.
Cómo seleccionar un motor para un actuador eléctrico: Elegir entre paso a paso o servo
Al seleccionar un motor para un actuador lineal eléctrico, el tipo de motor es una consideración importante. Dos opciones de motor comunes para actuadores eléctricos son los motores paso a paso y los motores servo BLDC, cada uno con ventajas y limitaciones.
Motores paso a paso
Un motor paso a paso tiene la ventaja de ser controlado con precisión en control de posición de bucle abierto. El control de bucle abierto significa que no se necesita información de retroalimentación para posicionar el motor. Esto proporciona un ahorro de costos sobre los motores servo BLDC, ya que no se requiere ningún sensor de retroalimentación de posición ni cableado asociado.
La posición del motor paso a paso se conoce por el número de pulsos de entrada o pasos que se le ordenan. Un motor paso a paso común puede tener 1,8 grados mecánicos por paso, lo que resulta en 200 pasos por revolución. Los fabricantes especificarán una precisión del ángulo de paso del 3 al 5 por ciento de un paso no acumulativo en un motor paso a paso típico.
En un motor paso a paso, los numerosos dientes magnéticos del rotor (Figura 1) "se bloquean" o se alinean con los polos electromagnéticos en el estator creados por las fases del motor energizadas. Este diseño proporciona un alto par a baja velocidad y una alta precisión de posición de bucle abierto. Sin embargo, la precisión se pierde si no hay suficiente par para impulsar la carga, lo que hace que el motor se salte pasos. Para evitar que se salten pasos, los motores paso a paso que funcionan con control de bucle abierto suelen dimensionarse aproximadamente un 50 por ciento por encima del par máximo requerido en la aplicación. La resonancia del motor es un problema común con el diseño de motores paso a paso. La resonancia puede ocurrir en un rango de velocidad específico y puede provocar una pérdida de par y ruido audible. Ajustar el perfil de movimiento, la velocidad de micro-pasos y la inercia de carga puede reducir la resonancia.
Cuando se combinan con actuadores eléctricos, los motores paso a paso ofrecen una gran repetibilidad en aplicaciones como los sistemas de cámara que requieren una captura de imagen en la misma posición cada vez. En estas aplicaciones, el alto par y el "bloqueo" del rotor a los polos, combinado con una precisión de paso del 3 al 5 por ciento, proporcionan resultados muy consistentes y reducen la cantidad de procesamiento de imagen requerido para corregir el error de posición.
Los motores paso a paso también tienen par de retención, que es el par que se observa en el eje de salida cuando el motor no está energizado y el eje se gira externamente. Esto es útil cuando el sistema está apagado, ya que el par de retención puede mantener la posición del actuador. En muchos casos, esto evita que el peso de la carga devuelva la marcha al motor.
Motores servo
Los motores servo BLDC son preferibles en aplicaciones con ciclos de trabajo altos (en comparación con los motores con escobillas) porque no hay desgaste del motor por las escobillas. En ausencia de escobillas para conmutar el motor, el controlador del motor es responsable de la conmutación.
Los circuitos de detección de voltaje y corriente, combinados con la retroalimentación de posición del codificador, permiten al controlador del motor calcular con precisión la posición del rotor. Esto también permite al controlador ordenar corrientes a las fases del motor, lo que produce un par óptimo a cualquier velocidad.
En un motor BLDC, hay tres fases de cableado en el estator. En el rotor, varios pares de imanes permanentes se alinean con polos norte y sur alternos. Normalmente, en tamaños de marco NEMA-17 a NEMA-34, hay cuatro a ocho polos en el rotor (Figura 2).
La energización de los devanados de fase genera par entre el electroimán de fase y los polos magnéticos del rotor, haciendo que el rotor gire. Ajustar la cantidad de corriente en el devanado de fase controla la velocidad. Más corriente crea más par para acelerar el rotor y la carga. Por lo general, hay bucles de control para la corriente, la velocidad y la posición en el accionamiento para ayudar a controlar el movimiento. Estos deben ajustarse para cumplir con los criterios de rendimiento en cada sistema. El ajuste puede afectar a todo el movimiento servo, incluido el tiempo de respuesta del sistema, la sobreoscilación de la posición y la velocidad. Este requisito de ajuste puede hacer que un sistema de motor servo sea más complicado que un sistema de motor paso a paso.
Los motores BLDC mantienen un par relativamente constante en todo el rango de velocidad. También pueden producir breves períodos de par más alto llamados "par de pico", donde se ordena una corriente de hasta el doble de la corriente nominal continua. Los actuadores lineales eléctricos con accionamiento por motor servo son ideales para aplicaciones que requieren alta velocidad y alto empuje, así como aplicaciones que son sensibles al par, como aplicaciones de prensado o soldadura. La soldadura por puntos de piezas de automóviles es un buen ejemplo del uso de actuadores lineales servo. La fuerza de prensado debe ser repetible de soldadura a soldadura para realizar soldaduras consistentemente fuertes.
Comparación de velocidad y par
La siguiente gráfica muestra la comparación de la velocidad frente al par para un motor paso a paso NEMA-23 a 2 Arms de corriente y un motor servo BLDC de tamaño físico equivalente a 7 Arms.
El motor servo BLDC (Figura 3) mantiene un par casi constante en la mayor parte de su rango de velocidad. Luego desciende a cero cuando la velocidad se acerca al límite de contra-EMF del motor (el voltaje inverso generado por el motor a velocidad se acerca al nivel de voltaje de la fuente de alimentación) y ya no puede producir la corriente necesaria para mantener el par. El motor paso a paso comienza con un par más alto que el motor BLDC, incluso con mucha menos corriente del motor. Sin embargo, el par disminuye rápidamente con el aumento de la velocidad. Si se requiere más par del motor BLDC, entonces se podría agregar una caja de cambios a un costo adicional. La gráfica muestra el par para el mismo motor BLDC pero con una caja de cambios de 5:
A diferencia de los motores paso a paso, los actuadores lineales eléctricos con accionamiento servo solo consumen energía cuando están trabajando. Incluso entonces, solo consumen la energía suficiente para realizar el movimiento programado. Cuando están inactivos, requieren muy poca energía.
No siempre es fácil determinar si se deben utilizar actuadores paso a paso o BLDC servo para una aplicación determinada. Los cilindros neumáticos son bien conocidos y ampliamente utilizados debido a sus capacidades de velocidad/fuerza y su bajo costo por eje. Los actuadores eléctricos con motores paso a paso ofrecen un excelente rendimiento y un costo menor para aplicaciones de baja velocidad, alto par y alta repetibilidad con control de bucle abierto. Los actuadores servo funcionan bien a velocidades más altas y en aplicaciones sensibles a la fuerza. La reducción del tiempo de inactividad de la máquina, la reducción del consumo de energía y el aumento de la precisión y la velocidad son factores que pueden influir en la selección entre actuadores eléctricos con accionamiento paso a paso o servo.
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