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Servomotores,
la Misma Potencia con Ahorro para la Industria Carlos Elías Sepúlveda Lozano Periodista Metal Actual
El servomovotor, contrario a motores hidráulicos, consume energía sólo al realizar la tarea programada.
La maquinaria con servomotores tiene tiempos de posicionamiento menores, debido a que el torque, del servomotor, puede funcionar 350 por ciento más rápido que su valor nominal (preestablecido), para alcanzar la velocidad de posicionamiento de la máquina en menor tiempo. Esto hace que pueda tener más arranques/pares por minuto; lo que se deriva en mayor productividad.
En la industria, empieza a evidenciarse un auge importante de la utilización de servomotores en máquinas que, tradicionalmente, trabajan con componentes mecánicos e hidráulicos, no porque estos últimos sean de menor calidad o no cumplan con lo requerido, sino porque los servomotores poseen características de adaptabilidad y flexibilidad mayores. Los servomotores pueden ser utilizados en diversas aplicaciones industriales que requieran de una exigencia elevada en dinámica, precisión de posicionamiento y velocidad, además, de un control confiable y funcionalmente fácil de manejar; factores determinantes para aumentar calidad, competitividad y productividad.
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El reciente auge no quiere decir que los avances con servomotores sean de hace poco, porque a nivel internacional, hay empresas que hace más de una década realizan desarrollos en el campo, para perfeccionarlos y aplicarlos a máquinas que son fundamentales para el buen trasegar productivo de variados sectores industriales, reemplazando la fuerza principal de estas, generada por componentes mecánicos o hidráulicos, con servomotores robustos capaces de generar la misma potencia.
El Servomotor Es pertinente explicar entonces que un servomotor; en su definición más básica, es un motor que puede ser controlado en su velocidad de funcionamiento y en la posición dentro de un rango de operación para ejecutar la actividad requerida. Este control es realizado mediante un dispositivo llamado encoder, que mediante una señal electrónicamente codificada, indica las acciones de velocidad y movimiento a ejecutar. El servomotor es instalado en un equipo o máquina, para permitir que esta tenga control de la posición, dirección y velocidad de una carga o herramienta, mediante su utilización. De hecho, la palabra servo viene de siervo, que básicamente quiere decir que puede cumplir cualquier función que le sea programada desde un control maestro, teniendo siempre el mando de la posición en la que se encuentra. Otras partes del equipo incluyen la fuente de energía y un controlador de movimiento programable o posicionador, que trabajan juntos para desarrollar de forma precisa las tareas o trabajos de la aplicación. Los primeros servomotores utilizaban un sistema de funcionamiento con corriente continua (DC, por sus siglas en inglés), en la que los electrones generadores de corriente se mueven en un solo sentido: del polo negativo al polo positivo, la energía
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necesaria para el movimiento es mínima y puede generarse con pilas y baterías, por lo que los voltajes requeridos son pequeños. En la actualidad, los servomotores utilizados son de corriente alterna (AC por sus siglas en inglés), en estos los electrones cambian de sentido en todo momento (alternan), realizando la transformación de energía mecánica en eléctrica. Este tipo de servomotores admite voltajes más altos, por lo que son ideales para las potencias requeridas por las máquinas al momento de desempeñar el proceso solicitado. Continuando con el funcionamiento interno, las máquinas actuales, que cuentan con esta tecnología, pueden venir con el servomotor eléctrico totalmente o un sistema denominado “hibrido”, que consiste en la combinación de un servomotor eléctrico y uno hidráulico funcionando conjuntamente, la cual consume 70 por ciento menos fluidos hidráulicos que los sistemas tradicionales de este tipo. El sistema eléctrico basa su funcionamiento en, como su nombre lo indica, corriente eléctrica; mientras que el servomotor hidráulico realiza sus movimientos gracias a el aceite, que es el que genera la potencia, al mover los pistones ubicados estratégicamente.
Funcionamiento El sistema servo se comunica mediante pulsos eléctricos a través de un circuito de control para determinar el ángulo de posición del motor, “el servo espera recibir un pulso cada 20 milisegundos (0.02 segundos). La longitud del pulso determinará los giros de motor; un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, hará que el motor vaya a una posición de 90 grados (posición neutra). Si el pulso es menor de 1.5 ms., entonces el motor se acercará a los 0 grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se moverá acercándose a los 180 grados.”¹ Luego de esto, al interior del controlador de movimiento o posicionador está un programa que tiene la capacidad de completar la tarea de una aplicación específica; el cual monitorea la posición del motor y comunica al accionamiento servocontrolado la necesidad de mover el servomotor hacia la posición deseada o comandada. Dicho accionamiento aplica la cantidad de potencia necesaria sobre el motor para de esa forma mover la carga. En caso que el funcionamiento del motor no sea adecuado, en cuanto a velocidad, el dispositivo de retroalimentación alerta al control de la situación, que genera y ejerce
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más potencia sobre el motor hasta obtener la velocidad ideal para la acción realizada; si la velocidad es muy alta al principio, ocurrirá lo inverso.
Ventajas Las máquinas que usan en su sistema de funcionamiento central servomotores, presentan características que influyen positivamente en la productividad de las empresas que las poseen. Una de estas ventajas se da gracias a la energía utilizada; la cantidad de voltaje aplicado al servomotor es proporcional a la distancia que éste necesita desplazarse. En este caso, si el eje requiere regresar una distancia amplia, el motor regresará a máxima velocidad, si sólo requiere regresar un pequeño trayecto, el motor correrá a velocidad lenta. A esto se le llama control proporcional, por lo que emplea la energía necesaria sin desperdicios. Los servomotores brindan una capacidad de sobrecarga de trabajo de entre 300 y 400 por ciento más, lo que quiere decir que puede trabajar tres veces más rápido y potente que su velocidad y torque nominal –valor constante al que puede trabajar el motor–, sin que sufra daño alguno. Además, requieren menor mantenimiento porque es electrónico; a falta de fricción entre los elementos el deterioro es bajo. El hecho de que el tamaño de los servomotores sea más reducido no incide en su potencia, puesto que, precisamente, una característica importante de estos equipos es la capacidad de torque que tienen con una estructura física reducida, lo que implica un menor peso (entre 40 y 50 por ciento más livianos que los hidráulicos, dependiendo la aplicación). En fuerza y potencia, los servomotores igualan a los motores mecánicos e hidráulicos, puesto que tienen variadas posibilidades. Gracias a estas habilidades, los servos se usan en aplicaciones como corte,
impresión, etiquetado, empacado, manipulación de alimentos, robótica y automatización de fábricas. Las especificaciones del diseño también incluyen: reversa rápida, auto ajuste y funciones programables para que el servo ejecute tareas específicas. En el mercado existen máquinas como plegadoras, punzonadoras, prensas, entre otras, que mediante el uso de un servomotor eléctrico ejercen su fuerza principal de trabajo, optimizando tareas y labores en pro de una producción rentable.
Plegadora Servo-Eléctrica Normalmente, una máquina hidráulica funciona con dos cilindros hidráulicos, los cuales ejecutan la fuerza principal en los extremos debajo de los pistones. Las máquinas con motores servo no funcionan igual; primero porque tienen pistones de menor tamaño conectados a una serie de correas que garantizan que la fuerza de plegado se distribuya uniformemente en el área de trabajo. El sistema servo-eléctrico cuenta con un motor que reemplaza el mecanismo de los hidráulicos, el cual por medio de un encoder o mecanismo electrónico genera desplazamientos más seguros, precisos, silenciosos, sencillos y autónomos. Los servomotores son los que impulsan o la
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fuerza motriz para las poleas que transmiten el movimiento a las correas, las cuales mueven el tren de la plegadora que realiza el plegado. Esta característica permite trabajar la pieza en cualquier área de plegado o corte de la matriz de la máquina, puesto que la fuerza usada para doblar se distribuye eficientemente a lo largo de la zona de trabajo (trancha, cortina ó porta punzón) obteniendo como resultado un doblez homogéneo en toda su longitud sin necesidad de equipos adicionales (cuñas para calibración de punzón y mesas anti-deflexión). En las plegadoras convencionales, el operario debe palpar y verificar con calibrador el grosor o calibre de la lámina para no cometer ningún error al aplicar la fuerza para su transformación; las plegadoras con sistema servo-eléctrico evitan este procedimiento, debido a que traen topes que tienen unos dedos de metal o extensiones que sujetan la lámina e inmediatamente reportan sus medidas al control, el cual compensa al instante el cambio entre la medida nominal y la medida real; acción posible por la programación electrónica del sistema servo-eléctrico. La cortina o tren superior de la máquina, gracias al servomotor eléctrico, aplica la potencia necesaria para subir la carga programada, puede retroceder la distancia necesaria
El servomotor, ubicado al lado superior izquierdo de la imagen, es el que permite controlar las diferentes funciones de la máquina en cuanto a posición y velocidad se refiere.
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de 120 Toneladas (Tn) de fuerza y el operario está transformando una pieza que sólo requiere 10 Tn de presión para ser modificada, puede regular la fuerza y por ende reducir el consumo de energía.
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La plegadora servo-eléctrica también es una máquina con características de seguridad incorporadas, pues cuenta con dos resortes robustos que van de arriba abajo (al interior de la zona posterior), de tal forma que si, por cualquier razón, una correa se rompe, los resortes soporten el peso de la cortina superior de la máquina y evitar un accidente.
Servomotores trasfiriendo la potencia programada a las correas, para que estas muevan la herramienta de la máquina.
únicamente, por ello no es imperativo que ejecute todo el recorrido en el eje z (arriba), lo que significa un ahorro en tiempos de producción. Al permitir programar la potencia, optimizarla, puede generar ahorros importantes, porque si la máquina es
Desde hace dos años, en Colombia se han venido comercializado máquinas con sistema servo-eléctrico, el cual reduce costos, ya que no usa fluido hidráulico para realizar la fuerza principal, por lo que elimina la necesidad de hacer cambio de filtros y fluido, que en cantidad oscila entre los 50 y 500 litros de aceite cada 2000 horas de trabajo (cada dos años turno de ocho horas aproximadamente), hecho que además protege el medio ambiente. La máquina usa una dosis mínima de aceite para lubricar las partes centralizadas. Para el caso del sistema hibrido servo-eléctrico e hidráulico, las máquinas sólo requieren 22 litros de aceite en comparación a una máquina hidráulica que necesita 150 litros para trabajar.
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armada con servomotores y reemplazos de motores servo antiguos, como DC, de marcas que no tienen representación en el país.
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Área de trabajo de la plegadora.
Adicionalmente, el consumo de energía se reduce en 50 por ciento, ya que el sistema de fuerza (servomotores) sólo consume energía en momento de hacer el trabajo de plegado, caso contrario a la plegadora hidráulica, que tiene encendido su motor principal todo el tiempo mientras la máquina esté en producción. La inversión inicial para adquirir un servomotor o una máquina con este sistema incorporado, puede ir desde los $4 millones, dependiendo la exigencia de la aplicación para la cual
fueron adquiridos. Pero así mismo, es percibido un rápido retorno de la inversión, por el aumento de la productividad, pocos tiempos de parada, bajos costos de mantenimiento, entre otros.
Mercado y Particularidades En el mercado colombiano empezó a incrementarse este nicho específico por factores como: ingenieros que hace cinco años estaban estudiando, aprendieron de la tecnología servo, y en el presente la aplican en su campo laboral, porque no es desconocida y hay un acercamiento importante con ella, hecho que facilita la implementación de los equipos en las empresas. Al respecto, la ingeniera de Control de Movimiento, Andrea Cuartas, afirma que: “este salto se dio a que se ve la necesidad de reemplazar toda la mecánica tradicional por algo mucho más sutil y controlable. La mecánica es muy buena, pero tiene algunas desventajas como ocupar grandes espacios, mantenimiento constante y flexibilidad casi nula; querer transformar estos aspectos llevaron a cambiar la tecnología existente por elementos más modernos y versátiles”
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El mercado de servomotores puede dividirse en: repotenciación de máquinas con motores servo, fabricantes de maquinaria nueva diseñada y
En líneas generales, el mercado colombiano está en crecimiento y en apertura a la tecnología servo, ya que tiene nuevos profesionales en ingeniería fortaleciendo su nivel académico (son más expertos en el tema), gracias a que las universidades han implementado sistemas de aprendizaje en el tema de servomotores, hecho que ayuda y brinda mayor confianza al industrial para que invierta en tecnología de este tipo. “Un mercado representativo es el sector educativo, que en el presente cuenta con demos o simuladores de la tecnología servo para los estudiantes, hecho que ha mejorado respecto a la década anterior, cuando eran vistos y estudiados pequeños servomotores de aeromodelismo” concluye la ingeniera Cuartas. Al reemplazar un sistema mecánico, hidráulico, neumático o al automatizar una máquina con sistema servo, es evidente un incremento en producción; es un equipo totalmente controlable, preciso y totalmente flexible, palabra que se refiere a que los servomotores pueden instalarse en cualquier tipo de máquina, adaptarlos y programarlos a necesidades o aplicaciones específicas dependiendo la actividad en la que van a ser utilizados.
Citas 1) www.todorobot.com.ar
Fuentes • Ingeniero Johan Sneider Castillo, asesor industrial Imocom. Jcastillo@imocom.com.co • Ingeniera Andrea Cuartas, asesora comercial Control de Movimiento. andreacuartas@ controldemovimiento.com • www.materias.fi.uba.ar - www.todorobot. com.ar - es.wikipedia.org - www.monografias.com - www.electronicaindustrial.cl.
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