Dimensionar un actuador lineal implica determinar la fuerza, la velocidad y la carrera necesarias, y luego comparar estas cifras con la capacidad real del actuador. También se debe considerar el ciclo de trabajo, el lugar de funcionamiento y el montaje. No olvide los márgenes de seguridad, ya que se requieren entre 1,5 y 2 veces los requisitos mínimos calculados.
Paso 1: Determine los requisitos de fuerza y calcule la entrada del motor
Lo primero que debe determinar es cuánta potencia de empuje o tracción necesita su actuador. Aquí intervienen diferentes fuerzas, y todas se suman.
Fuerza estática
Esta es la parte sencilla. Considera el peso de lo que estás moviendo, multiplica la masa por la gravedad y suma la fricción con la que estás lidiando. Si levantas algo en línea recta, la gravedad lucha contra ti todo el tiempo. ¿Mover cosas horizontalmente? En cambio, luchas principalmente contra la fricción.
Fuerza dinámica por inercia
Aquí es donde la cosa se pone más interesante. Al acelerar o frenar la carga, entra en juego la inercia, lo que requiere una fuerza adicional. La matemática es bastante simple:
- La fuerza es igual a la masa por la aceleración
- Para encontrar la aceleración, divide la velocidad a la que quieres ir por el tiempo que te toma llegar allí.
- Los perfiles de movimiento triangular (pasan de cero a la velocidad máxima y luego vuelven inmediatamente a cero) necesitan las mayores fuerzas de aceleración.
- Los perfiles trapezoidales (aceleración, velocidad constante y luego desaceleración) distribuyen las fuerzas y reducen los requisitos máximos.
Cargas angulares y factores de seguridad
Si el actuador empuja o tira en ángulo en lugar de en línea recta, debe calcular el componente de fuerza a lo largo de su línea central. El caso más complejo suele ocurrir cuando está completamente retraído, ya que es ahí donde el ángulo es más pronunciado.
Después de sumar todo, multiplique por un factor de seguridad entre 1,5 y 2. Este colchón maneja situaciones inesperadas y mantiene las cosas funcionando de manera confiable a largo plazo.
Calcular los requisitos de entrada del motor
Una vez que conozcas las fuerzas y velocidades para cada paso del ciclo, puedes calcular la potencia que el motor necesita proporcionar. Para cada paso del ciclo, necesitarás:
Par de entrada: Mín. = (F · p · 100) / (2π · ηtornillo) · 100 / (i · ηacoplador)
Dónde:
- F = Fuerza requerida en este paso (N)
- p = Paso del tornillo (mm)
- ηscrew = Eficiencia del tornillo (%)
- i = Relación de reducción
- ηcoupler = Eficiencia del acoplador (%)
Velocidad de entrada: nin = (60 · i · v) / p
Dónde:
- v = Velocidad de salida del tornillo requerida en este paso (mm/s)
- i = Relación de reducción
- p = Paso del tornillo (mm)
Estos cálculos le indican qué par y velocidad debe entregar el motor en cada punto del ciclo, lo que le ayuda Seleccione el motor adecuado para emparejar con su actuador.
Paso 2: Definir los requisitos de velocidad y carrera
Una vez que sabes la fuerza que necesitas, es hora de planificar cómo se mueve realmente tu carga.
Longitud del trazo
Mida la distancia que recorre su carga de un extremo al otro. Esa distancia es la carrera requerida, y el actuador que elija debe soportar al menos ese recorrido.
Perfil de velocidad y movimiento
¿A qué velocidad necesita moverse su carga? Normalmente verá la velocidad medida en milímetros o pulgadas por segundo. Recuerde: la velocidad y la fuerza actúan en contra de la otra en la mayoría de los actuadores. Una mayor potencia de empuje suele significar una velocidad máxima más lenta debido a la configuración de los engranajes.
Calcula la velocidad a la que necesitas alcanzarla y la rapidez con la que necesitas frenar. Esto se relaciona directamente con tus cálculos de fuerza:
- Los perfiles triangulares se mueven más rápido pero exigen mayores fuerzas
- Los perfiles trapezoidales requieren más tiempo pero reducen las necesidades de fuerza máxima
- Una aceleración más rápida siempre equivale a mayores fuerzas dinámicas
Paso 3: Verificar los requisitos de velocidad frente a los límites del actuador
Su actuador no funciona en un entorno de laboratorio perfecto, por lo que las condiciones reales y los límites mecánicos son fundamentales. Debe verificar tres comprobaciones de velocidad diferentes para asegurarse de que el actuador pueda manejar lo que le pide.
Comprobación 1: Velocidad crítica vs. velocidad máxima
Los husillos de avance largos pueden resonar a ciertas velocidades, como la vibración de una cuerda de guitarra. Esta velocidad crítica depende de la longitud de carrera y del soporte del husillo. Encontrará la velocidad crítica estándar (Vcr_std) en la hoja de datos del actuador, según la configuración del rodamiento (fijo libre o fijo con soporte único).
Si su recorrido difiere del estándar, calcule la velocidad crítica real:
Vcr_l = Vcr_std · (lstd² / ls²)
Dónde:
- Vcr_std = Velocidad crítica estándar de la hoja de datos (mm/s)
- lstd = Longitud de carrera estándar (mm)
- ls = Su longitud de carrera real (mm)
Asegúrese de que la velocidad máxima del ciclo se mantenga por debajo de esta velocidad crítica, de lo contrario se producirán vibraciones y un desgaste acelerado.
Comprobación 2: Velocidad máxima de salida vs. velocidad máxima requerida
Consulte la hoja de datos de cada relación de transmisión disponible y verifique que la velocidad máxima de salida (Vp máx.) supere la velocidad máxima requerida (Vmáx.). No todas las relaciones de transmisión son compatibles, ya que una mayor relación de fuerza perjudica la capacidad de velocidad máxima.
Comprobación 3: Velocidad de salida continua vs. velocidad promedio
Su actuador podría soportar velocidades pico sin problemas, pero se sobrecalentaría si la velocidad promedio durante todo el ciclo supera su valor nominal continuo. Calcule su velocidad de salida promedio a lo largo del ciclo:
Vm = Σ(vi · ti / ttot)
Dónde:
- vi = Velocidad en cada paso del ciclo (mm/s)
- ti = Tiempo transcurrido a esa velocidad (s)
- ttot = Tiempo total del ciclo (s)
Este promedio ponderado le indica la capacidad de velocidad continua que realmente necesita. Compruebe que la velocidad de salida continua nominal (Vc máx.) para la relación de transmisión elegida supere este promedio.
Consideraciones sobre el ciclo de trabajo
El ciclo de trabajo indica el porcentaje de tiempo que el actuador trabaja y el tiempo que permanece inactivo. Un ciclo de trabajo del 25% significa que funciona una cuarta parte del tiempo y permanece inactivo los tres cuartos restantes. Para trabajos ligeros, se pueden utilizar valores nominales más bajos, pero si el funcionamiento es frecuente o continuo, se necesita un actuador con valores nominales para ciclos de trabajo más altos o funcionamiento continuo.
Si se fuerza un actuador más allá de su ciclo de trabajo nominal, se sobrecalienta. Este calor degrada los lubricantes y desgasta los componentes más rápidamente, especialmente en diseños de husillos de avance y de bolas, donde la lubricación garantiza el correcto funcionamiento de todo.
Paso 4: Verificar los requisitos de fuerza y las condiciones ambientales
Ahora es necesario comprobar que el actuador pueda soportar las fuerzas sin doblarse, sobrecargarse o fallar con el tiempo.
Comprobación 1: Fuerza de pandeo vs. Fuerza máxima
Las carreras largas bajo compresión pueden pandear como una columna que soporta demasiado peso. La hoja de datos proporciona la fuerza de pandeo estándar (Fb_std) para la configuración del rodamiento. Si su carrera difiere de la estándar, calcule la fuerza de pandeo real:
Fb_l = Fb_std · (lstd² / ls²)
Dónde:
- Fb_std = Fuerza de pandeo estándar de la hoja de datos (N)
- lstd = Longitud de carrera estándar (mm)
- ls = Su longitud de carrera real (mm)
Asegúrese de que esta fuerza de pandeo supere la fuerza máxima requerida (Fmáx) con un margen adecuado. Observe cómo las carreras más largas reducen drásticamente la resistencia al pandeo, ya que la longitud de la carrera se eleva al cuadrado en el denominador.
Comprobación 2: Fuerza axial máxima vs. fuerza máxima requerida
Para cada relación de transmisión disponible, verifique que la fuerza axial máxima nominal (Fp máx.) supere la fuerza máxima requerida (Fmáx.). La hoja de datos muestra estos límites para cada relación de transmisión y etapa de transmisión.
Comprobación 3: Fuerza axial continua vs. fuerza promedio
Al igual que con la velocidad, es necesario calcular la fuerza promedio a lo largo del ciclo para verificar que no exceda los valores nominales continuos. Esto utiliza un cálculo de la media cúbica, ya que la fuerza afecta el desgaste de forma más drástica que la velocidad:
Fm = ³√[Σ(Fj³ · nj · tj / ttot) / nm]
Dónde:
- Fj = Fuerza en cada paso del ciclo (N)
- nj = Número de cambios de dirección en ese nivel de fuerza
- tj = Tiempo empleado en esa fuerza (s)
- ttot = Tiempo total del ciclo (s)
- nm = Número total de cambios de dirección en el ciclo
Compruebe que la clasificación de fuerza axial continua (Fc máx.) para la relación de engranaje elegida supere esta fuerza promedio calculada.
Condiciones ambientales
Piensa en dónde funcionará realmente este dispositivo. ¿Qué temperaturas soportará? ¿Hay polvo, humedad o productos químicos que puedan causar problemas? Todo esto determina el grado de protección que necesitas. El IP67 resiste bastante bien el polvo y la exposición breve al agua, mientras que el IP68 aumenta la protección para condiciones más duras.
Si se trata de entornos corrosivos o problemas de contaminación, busque recubrimientos protectores y una construcción sellada. Actuadores eléctricos lineales modernos Generalmente vienen con Protección IP67 como estándar, con IP68 disponible si lo necesita, además de acabados resistentes a la corrosión que resisten en entornos industriales hostiles.
Esperanza de vida
¿Cuántas veces necesita este actuador realizar ciclos a lo largo de su vida útil? Los diseños de husillo a bolas suelen durar más y posicionarse con mayor precisión que los de husillo, pero su coste inicial es mayor. Si consideramos millones de ciclos, esto cobra una gran importancia.
Paso 5: Calcular los requisitos de energía y verificar la selección
La comprobación final consiste en asegurarse de que el actuador pueda proporcionar la potencia mecánica que necesita su aplicación.
Calcular potencia mecánica
Para cada paso de su ciclo, calcule la potencia mecánica requerida:
Pj = (vj · Fj) / 1000
Dónde:
- vj = Velocidad en este paso (mm/s)
- Fj = Fuerza en este paso (N)
- El resultado está en vatios (W)
Encuentre la potencia máxima en todos los pasos del ciclo. Esta potencia pico (Pmáx) debe mantenerse por debajo del límite de potencia de salida del actuador (Pout_máx) para la relación de transmisión seleccionada. La hoja de datos muestra estos límites de potencia para cada etapa del variador.
Especificaciones coincidentes con los modelos disponibles
Ahora estás comparando lo que calculaste con lo que los actuadores realmente pueden hacer. Al consultar las hojas de datos, ten en cuenta estas especificaciones clave:
| Especificación | Qué buscar |
| Rango de fuerza | 2000N a 40000N dependiendo de lo que necesites |
| Modos de control | Encendido y apagado, modulación o funcionamiento continuo |
| Integración de sistemas | Opciones de control inteligente o bus de campo si es necesario |
| Protección ambiental | Carcasa a prueba de explosiones para ubicaciones peligrosas |
Requisitos físicos y de potencia
Comprueba que los requisitos de voltaje y corriente coincidan con los de tu fuente de alimentación. Aquí tienes algunos puntos importantes que no puedes pasar por alto:
- Consumo máximo de corriente durante la aceleración, cuando se obtiene la máxima potencia.
- Ajuste físico tanto en posición retraída como completamente extendida
- Espacio para soportes de montaje y cualquier hardware pivotante
- Espacio para enrutamiento de cables y acceso de mantenimiento
Estilo de montaje y características de seguridad
Verifique que la configuración de montaje sea adecuada para su aplicación. Las opciones comunes incluyen soportes de horquilla para pivotar, soportes de brida para instalaciones fijas y soportes de muñón para aplicaciones que requieren rotación alrededor de la línea central del actuador.
Busque funciones de seguridad integradas, como interruptores de límite eléctricos que detienen el recorrido automáticamente y evitan daños por sobrecarrera. La retroalimentación de posición es importante si necesita un control preciso o si se integra en un sistema automatizado. Los diseños compactos modernos facilitan la instalación, pero aun así debe confirmar la compatibilidad con su configuración específica.
Iterar si es necesario
Si después de realizar estos cálculos nada cumple con todos sus requisitos, tiene opciones. Reduzca la velocidad o la aceleración para reducir la demanda de fuerza. Ajuste la geometría de montaje para obtener una mejor ventaja mecánica. O cambie las tecnologías de los actuadores, como cambiar de un husillo de avance a uno de bolas. A veces, una relación de transmisión diferente resuelve varios problemas a la vez.
Uniéndolo todo
Dimensionar correctamente implica seguir estos cinco pasos en orden. Calcule las fuerzas con los topes de seguridad adecuados, trace su perfil de movimiento con los requisitos de par y velocidad de entrada, verifique la velocidad crítica y los límites de pandeo con respecto a la longitud de carrera, compare las clasificaciones continuas con los promedios calculados mediante las fórmulas adecuadas y, finalmente, confirme la potencia de salida y el montaje.
Probablemente iterarás varias veces antes de encontrar algo que satisfaga todos tus requisitos, y eso es normal. Ajusta lo que puedas hasta encontrar una solución que realmente satisfaga tus necesidades y que ofrezca un rendimiento fiable a largo plazo.
