Mecatrónica: 5 consideraciones eléctricas principales para ingenieros mecánicos

Jun 25, 2023

Por Personal de Design World | 9 de agosto de 2010

Por Dan Throne, Gerente de Ventas y Marketing, Controles y Accionamientos Eléctricos

Anteriormente, cubrimos consideraciones mecánicas para ingenieros eléctricos. Ahora, le damos al otro lado la oportunidad de hablar. Aquí hay cinco consejos específicos para ingenieros mecánicos responsables de sistemas electromecánicos, desde la perspectiva de un ingeniero eléctrico.

Un diseño limpio equilibra la masa y el movimiento: el marco resistente y duradero resiste años de vibraciones y golpes, combinado con componentes más livianos que ayudan a reducir la masa y permiten el uso de componentes de motor/accionamiento más pequeños.

Los sistemas de mecatrónica integran de manera inteligente elementos mecánicos y eléctricos para realizar funciones cada vez más complejas y exigentes. Al diseñar sistemas electromecánicos, los ingenieros mecánicos y eléctricos pueden tender a enfatizar las tecnologías, los componentes y los principios de diseño de su única área de especialización, lo que puede conducir a sistemas con costos operativos más altos, mayores demandas de mantenimiento y un rendimiento menos que óptimo. Como ingeniero eléctrico involucrado en ayudar a los OEM y fabricantes a diseñar y construir sistemas mecatrónicos, he visto cómo las ineficiencias y la complejidad innecesaria pueden diseñarse involuntariamente en las máquinas.

Se pueden crear mejores sistemas mecatrónicos cuando los ingenieros mecánicos consideran cinco conceptos cruciales al diseñar sistemas de fabricación, para obtener el mayor valor y eficiencia que los sistemas electrónicos pueden ofrecer al proceso de fabricación.

1: Cree un diseño limpio Un buen diseño mecatrónico comienza con un buen diseño mecánico: los mejores sistemas electrónicos y eléctricos no pueden compensar un diseño mecánico deficiente. Los diseños más exitosos son "limpios". Cuentan con un marco fuerte y rígido, que utiliza materiales y principios estructurales para garantizar que, independientemente del movimiento que experimente la máquina, su estabilidad a largo plazo esté "diseñada".

Asegúrese de que se utilicen cojinetes y soportes rígidos donde los motores estén montados en las máquinas; esto ayuda a evitar que los ejes se rompan debido a las microfracturas que ocurren porque el eje del motor está montado desalineado con un cojinete de bloque de almohada o un engranaje planetario de entrada de la caja de engranajes. Coloque los motores en la máquina en la mejor ubicación para que los operadores no pisen cables y conectores accidentalmente y provoquen daños; y diseñe la protección de la máquina con puntos de fácil acceso para llegar a los motores montados debajo de la base del ala de la máquina mientras los protege contra entornos hostiles.

Lo que es más importante, un diseño limpio equilibra la masa y el movimiento: una estructura resistente y duradera que resiste años de vibraciones y golpes, combinada con componentes más livianos para las partes móviles de la máquina. Esta combinación ayuda a reducir la masa, ofrece un movimiento con mayor eficiencia energética y facilita el dimensionamiento de componentes de motor/accionamiento más pequeños para la máquina. Hemos visto muchos diseños de máquinas mecánicas muy innovadoras a lo largo de los años, y un diseño limpio hace la mayor contribución a la longevidad, robustez y al menor costo total de propiedad de una máquina.

2: Acople directamente el motor a la carga La mecatrónica eficaz comienza con un diseño de "borrón y cuenta nueva". En el pasado, las máquinas a menudo se construían alrededor de un solo motor de CA que alimentaba un eje de línea de la máquina, al que se conectaban cajas de engranajes, poleas, ruedas dentadas, cadenas de transmisión y otros dispositivos mecánicos para mover áreas individuales de la máquina en sincronización: un enfoque para impulsar la fabricación. que literalmente se remonta a los albores de la Revolución Industrial.

Un diseño limpio hace la mayor contribución a la longevidad, robustez y al menor costo total de propiedad de una máquina.

Considere reemplazar esta arquitectura con servomotores individuales acoplados directamente a la carga que está moviendo. Hay múltiples ventajas operativas, de costo de máquina y de diseño en esta idea (que un sorprendente número de diseños de máquinas no utilizan). Primero, considere el costo: cada vez que agrega una caja de cambios, agrega múltiples costos: es un punto adicional de falla, debe lubricarse y necesita repuestos. Además, agrega un contragolpe mecánico que debe compensarse durante la puesta en marcha de la máquina cada vez que se realiza un cambio de producto: complejidad de sincronización de movimiento y ejes que los servomotores y variadores inteligentes de hoy en día eliminan.

Cuando ubica estratégicamente los servomotores lo más cerca posible del área de movimiento que están sirviendo, el costo incremental de los componentes de accionamiento eléctrico se compensa casi por completo al eliminar el costo de los componentes mecánicos y la mano de obra que se debe comprar, mecanizar, ensamblar y configurar. En particular, no tener que almacenar varios juegos de ruedas dentadas, engranajes y levas, así como el tiempo que implican los cambios con transmisiones mecánicas, realmente puede reducir el costo total de propiedad de la máquina.

En última instancia, este enfoque de diseño reduce en gran medida el arrollamiento y la holgura, además de mejorar el tiempo de puesta en marcha de la máquina; y los accionamientos directos, motores directos y motores lineales de última generación le permiten obtener mayores ganancias y mejorar el rendimiento de la máquina.

Consideración n.º 3: utilice engranajes y levas electrónicos Las unidades electrónicas y las plataformas de control de movimiento actuales brindan a los ingenieros mecánicos una herramienta potente y flexible para mejorar la precisión y el rendimiento de las máquinas que diseña. Esta tecnología le permite crear un "eje de transmisión electrónico" virtual que puede sincronizar electrónicamente todos los accionamientos y motores de la máquina, eliminando el eje de transmisión mecánico. En el proceso, puede mejorar drásticamente la sincronización y la precisión de los ejes, desde 1/16 o 1/32 de pulgada típico con los ejes lineales mecánicos, hasta una precisión de movimiento cercana a centésimas o incluso milésimas de pulgada con ejes lineales electrónicos.

Y esta sincronización se puede lograr sin contragolpe mecánico y con menos atascos de productos. También elimina una gran cantidad de ajustes mecánicos para poner la máquina en línea, así como los ajustes del operador cada vez que se detiene y reinicia la máquina.

El engranaje y la leva electrónicos hacen que el cambio de máquina sea completamente programable: por ejemplo, el uso de la tecnología FlexProfile permite a los operadores cargar recetas de la máquina con solo tocar un botón en la pantalla HMI, y los cambios se realizan en el sistema de control y servo para ejecutar el siguiente producto .

La tecnología de levas FlexProfile hace posible construir perfiles de levas multisegmentados en función de la posición, la velocidad o los perfiles de movimiento basados ​​en el tiempo. Cuando cambia una sección de la leva electrónica con un cambio de receta a través de la HMI, la plataforma de control optimizará automáticamente el resto del perfil de la leva en todos los elementos de movimiento de la máquina. Esto permite que la máquina funcione en un tiempo de ciclo más corto o proporcione una dinámica más suave para la máquina, incluso si se ha producido un cambio, como un tiempo diferente de sellado de bolsas o una posición diferente de la leva de pliegue de solapa en una máquina de cartón.

Consideración n.° 4: incorporar tecnología de eficiencia energética Uno de los costos de más rápido crecimiento para cualquier operación de fabricación es la energía, y un buen diseño mecatrónico puede ayudar a controlar estos costos mediante la aplicación de sistemas de motores y motores eléctricos diseñados para ahorrar energía.

En las máquinas que usan servomotores directamente acoplados a ejes críticos de movimiento, y que también usan sincronización electrónica y levas, el dimensionamiento adecuado del servosistema puede crear una máquina de alta eficiencia energética.

El dimensionamiento adecuado requiere una evaluación precisa de varios factores de movimiento (motor por motor): qué tan rápido debe acelerar el eje, el tamaño de la masa que está tratando de mover y qué tan precisa debe ser la aceleración y la desaceleración. El tamaño insuficiente provocará tensiones en los accionamientos y motores; el sobredimensionamiento consumirá demasiada energía para hacer muy poco trabajo.

Algunos de los sistemas más vanguardistas de la actualidad, como los sistemas integrados de accionamiento/motor IndraDrive Mi de Rexroth, incluyen una característica de alta eficiencia energética: el bus compartido. Múltiples unidades están conectadas en cadena y comparten energía desde el mismo bus; en muchas máquinas de varios ejes, mientras algunos motores aceleran hasta alcanzar la velocidad (potencia de extracción), otros se desaceleran (potencia de regeneración). Con el bus compartido, en lugar de tener que entregar la máxima potencia a los motores de aceleración y purgar los motores de desaceleración en calor a través de una resistencia de purga, la potencia se comparte, por lo que el consumo de energía de la máquina se reduce significativamente.

Otra tecnología de eficiencia energética se denomina fuentes de alimentación regenerativas. En muchas máquinas, múltiples servomotores se desacelerarán al mismo tiempo, elevando el voltaje a niveles excesivos en el bus de energía. Los variadores eléctricos de generaciones anteriores desviarían ese exceso de energía eléctrica en forma de calor, desperdiciando energía y aumentando la producción de calor de la planta, lo que requeriría refrigeración adicional del gabinete. Con fuentes de alimentación regenerativas acopladas a un sistema de bus compartido, lo que antes era energía desperdiciada ahora puede realimentarse a través del bus compartido y venderse a la compañía eléctrica.

El uso de accionamiento directo, motores directos y motores lineales frente a acoplamientos mecánicos le permite diseñar un sistema para ejecutar mayores ganancias.

Consideración n.º 5: utilice HMI para una mejor solución de problemas La inteligencia fácil de usar ahora está disponible a través de las HMI de pantalla táctil de hoy. Los planos y esquemas de diseño de la máquina se pueden incorporar en los menús de control y las herramientas de diagnóstico para gestionar mejor el funcionamiento diario de la máquina y la solución de problemas. Los dibujos y las herramientas instructivas interactivas no solo pueden mostrar el punto preciso donde se encuentra un problema, sino que también pueden guiar al operador a través de las tareas para reiniciar la producción.

Los gráficos avanzados como este se pueden combinar con la inteligencia distribuida inherente a las máquinas impulsadas por servomotores, para evitar fallas en las máquinas o fallas antes de que sucedan. Con tal mantenimiento predictivo, esta capacidad le permite a usted oa los diseñadores de máquinas establecer bandas de tolerancia a fallas en las unidades y luego monitorear el rendimiento de las unidades. Los accionamientos y motores eléctricos permiten monitorear una amplia gama de condiciones, condiciones que están directamente asociadas con el rendimiento mecánico; las variaciones en la carga, la temperatura, la vibración, el par, la tensión de la correa y el engrane de los engranajes son eventos mecánicos que generan cambios en el perfil de par de un accionamiento eléctrico y un motor que mueve esos elementos de la máquina. Los ingenieros mecánicos pueden establecer bandas de tolerancia para estos componentes y, si las exceden, las alertas de mantenimiento predictivo se pueden mostrar de forma clara e inteligente a través de la HMI a los operadores, junto con consejos específicos sobre los próximos pasos a seguir para corregir el problema antes de que se convierta en un problema grave. problema de producción o algo que pueda dañar la máquina.

Con el sistema integrado de motor/accionamiento IndraDrive Mi de Rexroth, varios accionamientos se conectan en cadena y comparten energía desde el mismo bus, lo que reduce significativamente el consumo de energía.

Combinación de tecnologías para un valor óptimo Cada sistema electromecánico debe realizar su función diseñada con el mínimo uso de energía, movimiento y componentes necesarios para realizar el trabajo: ese es el objetivo fundamental de cualquier ingeniero. Los sistemas de accionamiento eléctrico y servomotor ahora ofrecen una gran cantidad de plataformas confiables, energéticamente eficientes y digitalmente inteligentes para impulsar la visión integrada de la mecatrónica a un mayor valor y soluciones de automatización y fabricación más innovadoras.

Esperamos que las cinco consideraciones descritas aquí demuestren las ventajas que ofrecen los controles y accionamientos eléctricos de hoy en día, ayudándole a simplificar ciertos desafíos de ingeniería y diseño mecánico y proporcionando nuevos recursos para impulsar la innovación y la creatividad en el diseño de máquinas.

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Bosch Rexroth AG www.boschrexroth-us.com

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