Elegir el tipo de acoplamiento adecuado para las aplicaciones de servo motores puede ser confuso. Este artículo analiza las ventajas y desventajas de las distintas tecnologías.
La selección de un acoplamiento para una aplicación de servo motor puede ser un proceso complejo. Implica muchos factores de rendimiento diferentes, que incluyen: torque, desalineación del eje, rigidez, rpm, requisitos de espacio, entre otros, que deben satisfacerse para que el acoplamiento funcione correctamente.
Antes de seleccionar un acoplamiento, es útil conocer las especificaciones de estos aspectos para la aplicación en la que se utilizará el acoplamiento. Existen muchos tipos diferentes de acoplamientos de servo con sus propios puntos fuertes y débiles. Este artículo está diseñado para introducir a los usuarios finales en los diferentes tipos de acoplamientos disponibles para aplicaciones de servo. También ayuda al usuario a seleccionar el acoplamiento adecuado para su aplicación al destacar los factores que deben considerarse en el proceso de toma de decisiones y cómo se relacionan con las diferentes ofertas de productos disponibles.
Tipos de Acoplamientos de Servo Motor
Aquí se describen los tipos de acoplamientos de servo motor más comunes y sus características:
Acoplamientos de Viga
Los acoplamientos de viga se fabrican a partir de una sola pieza de material, generalmente aluminio, y utilizan un sistema de cortes en espiral para acomodar la desalineación y transmitir el torque. Generalmente tienen buenas características de rendimiento y son una opción económica. Para muchas aplicaciones, los acoplamientos de viga son un buen punto de partida. El diseño de una sola pieza permite que el acoplamiento transmita el torque con cero backlash y no requiere mantenimiento.
Hay dos variaciones básicas de este tema: un estilo de viga simple y un estilo de viga múltiple. El estilo de viga simple tiene un corte largo y continuo que generalmente consiste en múltiples rotaciones completas. Esto da como resultado un acoplamiento que es muy flexible y produce cargas ligeras en los rodamientos. Es capaz de acomodar todos los tipos de desalineación, pero funciona mejor con la desalineación angular y el movimiento axial. Las capacidades de desalineación paralela se reducen porque la viga única debe doblarse en dos direcciones diferentes al mismo tiempo, creando mayores tensiones en el acoplamiento que podrían causar una falla prematura.
Aunque la viga única larga permite que el acoplamiento se doble fácilmente en condiciones de desalineación, tiene el mismo efecto en la rigidez del acoplamiento bajo cargas torsionales. La cantidad relativamente grande de enrollamiento bajo cargas torsionales afecta negativamente la precisión del acoplamiento y reduce su rendimiento general.
Los acoplamientos de viga simple son una opción económica que se utiliza mejor en aplicaciones de torque más bajo, especialmente en conexiones a codificadores y otros instrumentos ligeros.
Los acoplamientos de viga múltiple, que generalmente consisten en 2 o 3 vigas superpuestas, abordan el problema de la baja rigidez torsional. El uso de múltiples vigas permite que las vigas sean más cortas sin sacrificar gran parte de las capacidades de desalineación. Las vigas más cortas hacen que el acoplamiento sea más rígido torsionalmente y superponerlas para que las vigas funcionen en paralelo aumenta el torque máximo permitido. Esto los hace adecuados para su uso en aplicaciones de servicio ligero con conexiones como un servo a un husillo de bolas. Este aumento en el rendimiento no se produce sin penalización: las cargas de los rodamientos aumentan considerablemente con respecto a la variedad de viga simple, pero, en la mayoría de los casos, permanecen lo suficientemente bajas como para proteger los rodamientos de manera efectiva. Algunos fabricantes llevan el concepto de viga múltiple a otro nivel, también. En lugar de un solo conjunto de cortes múltiples, se utilizan dos conjuntos de cortes múltiples. El uso de múltiples conjuntos de cortes le da al acoplamiento flexibilidad adicional y capacidad de desalineación.
También agrega una dimensión a la capacidad de desalineación de este tipo de acoplamiento al aceptar más fácilmente la desalineación paralela. En contraste con los acoplamientos con una viga o un solo conjunto de vigas, bajo desalineación paralela, un conjunto de vigas se dobla en una dirección y el segundo conjunto se dobla en la otra dirección, lo que hace que el acoplamiento sea más adaptable a este tipo de desalineación.
Con mayor frecuencia, se utilizan versiones de aluminio de estos acoplamientos. Sin embargo, varios fabricantes ofrecen diseños disponibles en acero inoxidable también. El uso de acero inoxidable, además de la protección contra la corrosión, también aumenta la capacidad de torque y la rigidez del acoplamiento hasta duplicar la de las piezas de aluminio del mismo diseño. El aumento en el torque y la rigidez se compensa con un aumento dramático en la masa y la inercia.
A menudo, los efectos negativos superarán los positivos y obligarán al usuario a buscar otro tipo de acoplamiento. En aplicaciones que utilizan motores más pequeños, un gran porcentaje del torque del motor se utiliza para superar la inercia del acoplamiento, lo que reduce seriamente el rendimiento del sistema.
Acoplamientos Oldham
El acoplamiento Oldham es un acoplamiento de tres piezas compuesto por dos cubos y un miembro central. El disco central, que generalmente está hecho de un plástico o, menos comúnmente, un material metálico, es el elemento de transmisión de torque. La transmisión de torque se logra acoplando ranuras en el disco central, ubicadas en lados opuestos del disco y orientadas 90 grados entre sí, con tenones de accionamiento en los cubos. Las ranuras del disco encajan en los tenones del cubo con un ligero ajuste a presión. Este ajuste a presión permite que el acoplamiento opere con cero backlash. Los acoplamientos Oldham tienen una alta capacidad de desalineación paralela.
Con el tiempo, debe tenerse en cuenta que el deslizamiento del disco sobre los tenones creará desgaste hasta el punto en que el acoplamiento dejará de tener cero backlash. Sin embargo, los discos son elementos económicos que se reemplazan fácilmente y un nuevo inserto restaurará el rendimiento original del acoplamiento. En funcionamiento, el elemento central se desliza sobre el tenón del cubo para acomodar la desalineación. Debido a que la única resistencia a la desalineación es la fuerza de fricción entre el cubo y el disco, los acoplamientos Oldham tienen cargas de rodamientos que no aumentan a medida que aumenta la desalineación. A diferencia de otros tipos de acoplamientos, no hay miembros de flexión que actúen como resortes, haciendo que las cargas de los rodamientos aumenten a medida que los ejes se desalínean más.
Sin embargo, estas clasificaciones pueden superarse a expensas de la vida útil del acoplamiento. La capacidad de elegir diferentes materiales de disco es una ventaja de este tipo de acoplamiento. Varios fabricantes ofrecen opciones de material para satisfacer las necesidades de la aplicación. Generalmente, un material se utiliza mejor cuando se requiere cero backlash, alta rigidez torsional y torque, y otro material para aplicaciones que tienen requisitos de posicionamiento menos precisos, no requieren cero backlash y pueden beneficiarse de un acoplamiento que puede absorber algo de vibración y reducir el ruido. Los insertos no metálicos también aíslan eléctricamente y pueden actuar como un fusible mecánico. Cuando el inserto de plástico falla, se rompe limpiamente y no permite la transmisión de energía, evitando que se produzcan daños en otros componentes de maquinaria más costosos. El área a la que este diseño es particularmente adecuado es el manejo de cantidades relativamente grandes de desalineación paralela (de 0,025" a 0,100" o más, dependiendo del tamaño del acoplamiento). Los fabricantes de acoplamientos generalmente proporcionan clasificaciones de desalineación más pequeñas que permiten a los usuarios obtener la máxima vida útil.
Acoplamientos de Mandíbula con Cero Backlash
Hay dos tipos generales de acoplamientos de mandíbula: los acoplamientos de mandíbula recta convencionales y los acoplamientos de mandíbula con cero backlash curvos. Los acoplamientos de mandíbula recta convencionales no suelen ser muy adecuados para aplicaciones de servo cuando se requiere precisión en la transmisión de torque.
Los acoplamientos de mandíbula con cero backlash son una variación del mismo tema, pero las diferencias en el diseño los hacen muy adecuados para aplicaciones de servo. Las mandíbulas curvadas ayudan a reducir la deformación de la araña, lo que limita los efectos de las fuerzas centrífugas durante el funcionamiento a alta velocidad. Los acoplamientos de mandíbula son los mejores para la absorción de impactos.
Los acoplamientos de mandíbula con cero backlash consisten en dos cubos metálicos y un inserto de elastómero, que comúnmente se conoce en la industria como una "araña". La araña es un inserto de múltiples lóbulos que se ajusta entre las mandíbulas de accionamiento en los cubos de acoplamiento con una mandíbula de cada cubo ajustada alternativamente entre los lóbulos de la araña. Al igual que en el acoplamiento Oldham, hay un ajuste a presión entre las mandíbulas y la araña que permite que el acoplamiento permanezca con cero backlash. En contraste con el acoplamiento Oldham, el disco de torque está en cizallamiento bajo cargas torsionales, la araña del acoplamiento de mandíbula funciona en compresión.
Cuando se utiliza un acoplamiento de mandíbula con cero backlash, el usuario debe tener cuidado de no exceder la clasificación del fabricante para el torque máximo con cero backlash, que puede ser significativamente inferior a las limitaciones físicas de la araña. Si esto ocurre, la araña se puede comprimir para que ya no haya precarga y se producirá backlash, posiblemente sin que el usuario se dé cuenta hasta que se produzca un problema.
Los acoplamientos de mandíbula están bien balanceados y pueden manejar muy bien las aplicaciones de alta RPM (los fabricantes califican velocidades de hasta 40,000 RPM), pero no pueden manejar cantidades muy grandes de desalineación, especialmente el movimiento axial. Cantidades grandes de desalineación paralela y angular causan cargas de rodamientos que son más altas que la mayoría de los otros tipos de acoplamientos de servo. Otro factor que el usuario debe tener en cuenta es la situación cuando falla un acoplamiento de mandíbula. Si una araña falla, el acoplamiento no se desacoplará. Las mandíbulas de los dos cubos se acoplarán de forma similar a los dientes de dos engranajes y continuarán transmitiendo torque con contacto metal-metal, lo que, dependiendo de la aplicación, puede ser deseable o podría causar problemas en el sistema general en el que está instalado el acoplamiento. Una ventaja del acoplamiento de mandíbula es la capacidad de mezclar y combinar arañas en función de la aplicación. Los fabricantes de acoplamientos de mandíbula con cero backlash ofrecen múltiples materiales con diferentes durezas y capacidades de temperatura que permiten al usuario elegir exactamente el inserto que cumple con los criterios de rendimiento de la aplicación.
Acoplamientos de Disco
Los acoplamientos de disco son rígidos torsionalmente con una alta capacidad de desalineación. Los acoplamientos de disco están compuestos, como mínimo, por dos cubos y un disco metálico o compuesto delgado que es el elemento de transmisión de torque. El disco se fija a los cubos generalmente con un pasador de ajuste apretado que no permite ningún juego o backlash entre el disco y los cubos. Algunos fabricantes ofrecen acoplamientos de disco con dos discos separados por un miembro central rígido y unidos a un cubo en cada extremo.
La diferencia entre las dos variaciones es bastante similar a la diferencia entre el acoplamiento de estilo de viga simple y el acoplamiento de viga múltiple que consta de dos conjuntos de cortes. El acoplamiento de disco único no es muy hábil para acomodar la desalineación paralela debido a la compleja flexión del disco que se requeriría. El estilo de dos discos permite que cada disco se doble en direcciones opuestas para aprovechar el desplazamiento paralelo.
Las propiedades de este tipo de acoplamiento son similares a las de los acoplamientos de fuelle. De hecho, la forma en que los acoplamientos transmiten el torque en general es muy similar. Los discos son muy delgados, lo que les permite doblarse fácilmente bajo carga de desalineación, lo que permite que el acoplamiento acepte grandes cantidades de desalineación (hasta 5 grados) con algunas de las cargas de rodamientos más bajas disponibles en un acoplamiento de servo. Torsionalmente, los discos son muy rígidos. El acoplamiento de disco tiene clasificaciones de rigidez ligeramente inferiores a las de los acoplamientos de fuelle. Una desventaja de estos acoplamientos es que son muy delicados y propensos a daños si se utilizan o instalan incorrectamente. Se debe tener especial cuidado para asegurarse de que la desalineación esté dentro de las clasificaciones del acoplamiento para un funcionamiento adecuado.
Acoplamientos de Fuelle
El acoplamiento de fuelle es un conjunto de dos cubos y un fuelle metálico de paredes delgadas. El ensamblaje se crea en la mayoría de los casos mediante la soldadura de los cubos al fuelle o mediante el uso de un adhesivo de algún tipo. Aunque se pueden utilizar y se utilizan otros materiales, los dos materiales más comunes para el fuelle son el acero inoxidable y el níquel.
Los fuelles de níquel se fabrican utilizando un método de electrodeposición. Este método implica mecanizar un mandril sólido con la forma del fuelle terminado. El níquel se electrodeposita en el mandril y luego el mandril se disuelve químicamente, dejando atrás el fuelle terminado. Este método permite al fabricante controlar con precisión el espesor de la pared del fuelle y también permite paredes más delgadas que otros métodos de formación de fuelles. Las paredes más delgadas le dan al acoplamiento mayor sensibilidad y capacidad de respuesta, lo que los hace idealmente adecuados para aplicaciones de instrumentación pequeña extremadamente precisas. Sin embargo, la pared más delgada también reduce la capacidad de torque del fuelle, lo que pone un límite en las aplicaciones útiles.
Los acoplamientos de fuelle son los más rígidos torsionalmente.
Los fuelles de acero inoxidable son más fuertes que las versiones de níquel y generalmente se fabrican con un proceso llamado hidroformado. Un tubo de paredes delgadas se coloca en una máquina y la presión hidráulica se utiliza para formar las convoluciones del fuelle alrededor de herramientas especializadas. Las características de los fuelles los convierten en un método ideal para transmitir torque en aplicaciones de control de movimiento. Las paredes delgadas uniformes del fuelle le permiten doblarse fácilmente bajo cargas causadas por los tres tipos básicos de desalineación entre los ejes (angular, paralela, movimiento axial). Generalmente, los fuelles permiten hasta 1-2 grados de desalineación angular y 0,010" - 0,020" de desalineación paralela y movimiento axial.
Las paredes delgadas y uniformes dan como resultado cargas de rodamientos bajas que permanecen constantes en todos los puntos de rotación, sin los puntos de carga cíclicos altos y bajos dañinos que se encuentran en algunos otros tipos de acoplamientos. Todo esto se logra al tiempo que se mantiene rígido bajo cargas torsionales. La rigidez torsional es un factor clave para determinar la precisión del acoplamiento. Cuanto más rígido sea el acoplamiento, más precisamente se traducirá el movimiento del motor al componente accionado. En el área de los acoplamientos de servo, los acoplamientos de tipo fuelle son algunos de los más rígidos disponibles, lo que los hace ideales en aplicaciones de alto rendimiento que requieren un alto grado de precisión y repetibilidad. Algunos fabricantes ofrecen acoplamientos de fuelle con cubos de acero inoxidable, lo que puede ser útil en aplicaciones donde la resistencia a la corrosión es importante. La masa de los cubos de acero inoxidable reduce algunos de los beneficios de este tipo de acoplamiento. El uso de cubos de aluminio con un fuelle da como resultado un acoplamiento con muy baja inercia, una característica que es muy importante en los sistemas altamente sensibles de hoy en día. Algunos fabricantes de acoplamientos de fuelle equilibran sus acoplamientos como una oferta estándar, lo que los hace muy adecuados para aplicaciones de mayor rpm (10,000 RPM) también.
Acoplamientos Rígidos
Los acoplamientos rígidos son muy precisos y no requieren desalineación.
Como su nombre indica, los acoplamientos rígidos son acoplamientos rígidos torsionalmente con prácticamente cero windup bajo cargas de torque, pero también son rígidos bajo cargas causadas por la desalineación. Si hay alguna desalineación presente en el sistema, las fuerzas harán que los ejes, los rodamientos o el acoplamiento fallen prematuramente. Esto también significa que los acoplamientos no se pueden ejecutar a rpm extremadamente altas, ya que no pueden compensar ningún cambio térmico en los ejes que puede ser causado por la acumulación de calor del uso a alta velocidad. Esto también significa que los acoplamientos no se pueden ejecutar a rpm extremadamente altas, ya que no pueden compensar ningún cambio térmico en los ejes que puede ser causado por la acumulación de calor del uso a alta velocidad. Sin embargo, en situaciones donde la desalineación se puede controlar estrictamente, los acoplamientos rígidos ofrecen excelentes características de rendimiento en aplicaciones de servo.
Aunque en el pasado muchas personas no considerarían usar este tipo de acoplamiento en una aplicación de servo, recientemente los acoplamientos rígidos de tamaño más pequeño, especialmente en aluminio, se están utilizando cada vez más en aplicaciones de control de movimiento debido a su alta capacidad de torque, rigidez y cero backlash.
Cómo Seleccionar el Acoplamiento Adecuado
Para seleccionar el acoplamiento adecuado para su aplicación, debe considerar los siguientes factores:
- Torque : El torque que el acoplamiento debe transmitir.
- Desalineación del eje : La cantidad de desalineación angular, paralela y axial que el acoplamiento debe acomodar.
- Rigidez : La rigidez torsional del acoplamiento, que afecta la precisión del movimiento.
- RPM : La velocidad máxima a la que el acoplamiento puede operar.
- Requisitos de espacio : La cantidad de espacio disponible para el acoplamiento.
- Backlash : La cantidad de juego o backlash en el acoplamiento, que afecta la precisión del movimiento.
- Absorción de choque : La capacidad del acoplamiento para absorber los impactos.
- Vibración : La capacidad del acoplamiento para atenuar las vibraciones.
- Costo : El costo del acoplamiento.
Tabla Comparativa de Acoplamientos
| Tipo de Acoplamiento | Torque | Desalineación | Rigidez | RPM | Backlash | Absorción de Choque |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Acoplamiento de Viga | Bajo | Alto | Bajo | Medio | Cero | Bajo |
| Acoplamiento Oldham | Medio | Alto | Medio | Medio | Cero | Medio |
| Acoplamiento de Mandíbula | Alto | Bajo | Medio | Alto | Cero | Alto |
| Acoplamiento de Disco | Alto | Alto | Alto | Medio | Cero | Bajo |
| Acoplamiento de Fuelle | Alto | Medio | Alto | Alto | Cero | Bajo |
| Acoplamiento Rígido | Alto | Bajo | Alto | Bajo | Cero | Bajo |
Nota : Esta tabla es solo una tutorial general. Las especificaciones exactas varían según el fabricante y el modelo específico del acoplamiento.
Elegir el acoplamiento de servo adecuado para una aplicación es una parte crítica del diseño del sistema total y afecta en gran medida sus capacidades generales de rendimiento. Por esta razón, considerar el acoplamiento temprano en el proceso de diseño y alinear los atributos de rendimiento del acoplamiento con los objetivos de funcionalidad del sistema puede eliminar muchos problemas que suelen ocurrir en las aplicaciones de control de movimiento. Cada uno de los acoplamientos que se han analizado tiene sus propias características individuales que los hacen ideales para muchos usos diferentes. Sin embargo, un solo tipo de acoplamiento no se puede aplicar a todas las aplicaciones del campo. Esto lleva a la amplia variedad de acoplamientos actualmente disponibles y le da al ingeniero de diseño la capacidad de seleccionar el mejor acoplamiento posible para maximizar el rendimiento y la durabilidad del sistema.
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