Tor, NUEVOG ACCIONAMIE ELECTRIC S EN MAQUINAS-HERHAMIE TA

D

urante los Oltimos anos se ha producido un nota-ble cambio en la tecnica de estos accionamientos,

ocasionado por el enorme incre-mento de automatizacion que se viene incorporando a las maquinas para trabajar metales, tanto en arranque de viruta como en defor-maciOn, y tambien por importantes avances en la propia tecnica de los accionamientos electricos con re-gulacion de velocidad. Hoy, pocas M-H siguen conservan-do los accionamientos hidraulicos y unicamente en maquinas de de-formaciOn (prensas, dobladoras, etc.) ofrecen todavia algunas yenta-jas por la gran fuerza que pueden proporcionar con dimensiones re-lativamente pequenas. Los accionamientos electricos, a base de servomotores con regula-ciOn de velocidad, tienen casi la ex-clusividad como elementos de po-sicionamiento y no solo en las M-H de CN. Han sido dos las causas que han provocado la preponderancia abso-luta de este tipo de accionamien-tos: —La necesidad de alcanzar mayo-res grados de automatizacion con el fin de hacer a las maquinas mas rapidas, precisas, fiables y, en defi-nitive, mas productivas. —Los enormes avances en accio-namientos regulables con nuevos disenos de motores, pero, sobre to- do, por el abaratamiento de los sis-temas electrOnicos de regulacion conseguido con el desarrollo de cir-cuitos de alta integracion, asi como con la utilizaciOn de microprocesa-dores en los equipos de regulacion, tecnica recientemente iniciada y que veremos desarrollarse con nue-vas posibilidades para los fabrican-tes de las maquinas y los usuarios. Ambos desarrollos han conducido a que los accionamientos electricos con regulaciOn de velocidad pue-dan ser utilizados con grandes ven-tajas, tanto en su capacidad, como

Servomotores de corriente continua con excita-ciOn por imanes permanentes de las series 1 HU3 y 1 HU5. Convertidor de transistores Si-modrive 6RB21.

en dimensiones y precios frente a los hidraulicos. Vamos a centrarnos en las carac-teristicas de los servoaccionamien-tos electricos especialmente intere-santes para los ejes de posiciona-miento. Tratando de resumir al ma-ximo, podemos decir que el accio-namiento ideal serfa aquel que ofrezca: 1.° La menor inercia propia posible, especialmente en relaciOn con el momento de inercia anadido. 2.° El mayor par de aceleraciOn y la constante de tiempo mecanica mas baja posible. Ambas caracterfsticas estan dirigi-das a conseguir que el motor (y con el, el Organ° accionado) se pueda poser a la velocidad de regi-men y responder a las variaciones de carga con la mayor rapidez posi-ble, es decir, alcanzar la mayor di-namica de maquina posible para, a su vez, lograr maquinas mas rapi-das con menos tiempos muertos o improductivos. 3.° Una inercia termica del motor lo mas alta posible, para que se pue-dan absorber sin peligros las sobre-cargas termicas producidas por las variaciones de carga, no ladles de prever en las M-H, o por ciclos de arranques muy rapidos. 4.° Posibilidad de controlar con gran exactitud (tanto en regulaciOn

de velocidad como de posicion pa-ra asegurar posicionamientos exac-tos y repetitivos) el mantenimiento de la posiciOn sin oscilaciones y ve-locidades extraordinariamente len-tas. Son dos los tipos basicos de accio-namientos electricos regulables ampliamente utilizados, tanto en las M-H modernas, como en cualquier dispositivo que exiga un posiciona-miento preciso y repetitivo, como, por ejemplo, en manipuladores y robots industriales.

Accionamientos de corriente continua

Esta tecnica, ampliamente utilizada desde hace mas de 10 anos, sigue vigente, siendo dos los tipos basi-cos de servomotores de c.c. dispo-nibles en el mercado: de rotor pia-no y de rotor bobinado. Los Oltimos son generalmente mas pesados y con mayor inercia propia pero, tienen una inercia termica mucho mayor (del orden de 60 - 120 min. frente a los 5 - 10 min. en los de rotor piano), lo que les per- mite absorber sin problemas las fre-cuentes sobrecargas que se pre-sentan durante los procesos de me-canizado. Por ello suelen ser preferi-dos para el equipamiento de M-H. Ambos tipos suelen construirse con

DYNA - N.° 8 Diciembre 1988 33

500 min-1 1000 1200 Velocidad de giro,n

Convertidores

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excitaciOn independiente, constan-te, a base de un flujo magnetico constante producido por imanes permanentes, generalmente de fe-rrita y, mas modernamente, de ce-ramicas especiales. La figura 1 muestra algunos ejem-plos de Ia amplia gama de servo-motores de c.c., para M-H, series 1HU3 y 1HU5. Disponen de imanes permanentes ceramicos de alta re-sistencia a Ia desmagnetizacion, di-senados segilin el principio de rotor bobinado para aprovechar la im-portante ventaja de la gran inercia termica, con, ademas, una relativa-mente baja inercia propia. En los 10 Oltimos arios, estos moto-res se han ganado una gran reputa-clan de fiabilidacl con un amplio use en el sector de la M-H, tanto en el mercado espanol, como en el mundial. En el programa de Siemens exis-ten diversas ejecuciones, para velo-cidades maximas de 1.000 hasta 3.000 r.p.m., segOn los tipos, con pares nominales desde 1,2 hasta 115 Nm, que cubren toda Ia gama de servomotores que en la practica se precisan. Su grado de protec-clan IP54, permite que se utilicen en los ambientes industriales mas dificiles. Su caracteristica par/velocidad les hace especialmente adecuados pa-ra su empleo en M-H. En Ia fig. 2 se muestra una curva tipica de un mo-tor de la serie I HU3, en Ia que se puede apreciar un par maxim° practicamente constante desde ce-ro revoluciones hasta aproximada-rnente Ia mitad de su velocidad ma-xima. A partir de aqui, el par admisi-ble desciende siguiendo una curva determinada, en el sentido de ase-gurar una vida del colector y de las escobillas minima de 4.000 h. Este descenso del par a altas velocida-des no es un inconveniente en M-H, pues solo se precisan elevadas ve-

locidades durante los posiciona-mientos en vacio, sin esfuerzo de corte. La alimentacien, control y regula-ciOn se realiza por medio de equi-pos convertidores, encontrandose en el mercado diversas tecnicas disponibles: * Mediante tiristores: con puentes en estrella, doble estrella, monofasi-cos, trifasicos y, sobre todo, con dos puentes en antiparalelo, sin o con recirculaciOn de corriente. Ver los esquemas de las conexiones mas usuales en la fig. 3.

Mediante transistores: con puen-tes chopper y circuito de alimenta-ciOn y regulacion intermedio.

Curva caracteristica: Par de giroVelocidad.

Siemens dispone de equipos en to-das las tecnicas de regulaciOn, pero en la M-H, debido a sus mejores po-sibilidades de ajuste y adaptacion a las caracterfsticas de las maquinas,

se han empleado casi universal-mente los convertidores/regulado-res de tiristores con dos puentes tri-fasicos en antiparalelo y sin recircu-lacion de corriente y, sobre todo, los equipos con transistores. Los menores tiempos de conmuta-clan de los transistores traen consi-go Ia posibilidad de mejorar Ia dina-mica y Ia regulaciOn del acciona-miento, lo que, unido a una menor necesidad de elementos externos adicionales (transformadores espe-ciales, bobinas de conmutaciOn) y el no precisar mas de los caros fu-sibles extrarrapidos de protecciOn, ha motivado el rapid° desplaza-miento de las preferencias del mer-cado hacia los reguladores con transistores. Estos reguladores (ya en su 3. a ge-neraciOn, fig.4), estan construidos con Ia mas moderna tecnologia de alta integracion, consiguiendose equipos muy compactos de gran fiabilidad y excelentes caracteristi-

por pulsos de transistores Simodrive 6SC61.

ConexiOn antiparalelo, 6 pulsos, sin corriente circulante.

ConexiOn en cruz. 6 pulsos. con corriente circu-lante.

ConexiOn antiparalelo, 3 pulsos, con corriente circulante.

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Servomotores de corriente alterna I F15.'

Regulador Regulador velocidad intensidad

Modulador ancho de impulsos

Motor Taco. c. c. dinamo

Parte potencia

Valor real intensidad

Valor real velocidad

AM.

cas, que incorporan una serie de vigilancias para proteger tanto al propio regulador, como al motor y a la maquina. Su elevada velocidad de regulacion, asegura una rapida respuesta y elevada constancia de Ia regulacion, bajo cualquier clase de servicio. En un bastidor unico pueden integrarse, segun intensida-des nominales, hasta 6 ejes con sus etapas de regulacion y potencia. El esquema de bloques de estos regu-ladores se puede ver en la fig. 5.

Accionamientos de corriente altema

Desde hace pocos arios se dispone de un nuevo tipo de accionamien-tos regulables que, basados en la tecnologia de motores sincronos, son conocidos como accionamien-tos regulables de c.a., aunque mas apropiadamente se deberfan deno-minar servomotores de c.c. sin es-cobillas. Salvo algOn caso especial de bajas prestaciones dinamicas, los moto-res trifasicos asincronos de jaula de ardilla normalizados no son apro-piados para su utilizaciOn en M-H, manipuladores o robots, ya que no pueden ser regulados dentro de los amplios margenes de velocidad usuales en el campo de Ia M-H (de 1:10.000 y mayores). La serie de servomotores de c.a. (serie 1F-15) se resume en Ia fig. 6, disponiendose de motores entre 0,15 y 90 Nm, con velocidades no-minales, segun tipos, entre 1.200 y 6.000 r.p.m. Todos tienen un grado de protecciOn IP65, con refrigera-ciOn natural. Su diseno sigue Ia li-nea cuadrada de los motores de c.c., habiendose conservado di-mensiones de bridas y de ejes igua-les a los de c.a., lo que brinda a los

fabricantes de M-H y a los usuarios finales la posibilidad de pasar de Ia tecnica de c.c. a la de c.a., con mini-mas variaciones de diseno electric° y, en Ia mayorfa de los casos, sin variaciOn mecanica alguna en la maquina. En Ia fig. 7 puede verse Ia secciOn transversal de estos servomotores de c.a.: un rotor practicamente hue- co soporta una serie de imanes per-manentes a lo largo de su perime-tro, formando un campo magneti-co extraordinariamente uniforme. Los imanes se fabrican con moder-nos materiales magneticos de tie-rras raras samario-cobalto, que les

confieren gran resistencia a Ia des-magnetizacion y una gran estabili-dad frente a Ia temperatura y al pa- so del tiempo. Llevan un dispositivo "emisor de la posicion del rotor", con la mision de controlar Ia conmutaciOn de los transistores de potencia del regula-dor de velocidad de forma que se origine en el motor un campo gira-torio que, al interaccionar con el campo fijo de los imanes perma-nentes, produce un par de giro en el rotor, sincrono con el campo gi-ratorio. Gracias al material de los imanes, a su disposician en el motor y al siste-

Esquema de bloques de regulador de transistores para servomotores de corriente continua.

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Chapas del rotor 'manes

0 ST.

Regulador velocidad

Regulador intensidad

Modulador ancho de impulsos

Coordi-nador

Parte de potencia Motor

alterna

Emisor posicion rotor

Valor real intensidad

Valor real velocidad

17403.,

A —

ma de regulaciOn, se asegura un elevado par independientemente de la temperatura y de la velocidad. Es decir: el par es practicamente constante en toda la gama de velo-cidades (fig. 8).

Servomotor sincrono de alterna, de avances. 1 FT5, 6 polos.

Frente a los servomotores de c.c. 1 HU3, los nuevos de c.a. 1FT5 tie-nen las siguientes ventajas genera-les, si consideramos motores del mismo par: —Un momento de inercia propio aprox. 3 veces menor. —Un peso de aproximadamente la mitad —Una aceleraciOn 4 6 5 veces ma-yor

—Totalmente libres de* manteni-miento —Posibilidades dinamicas muy su-periores Como, ademas, los servomotores de c.a. tienen tannbien constantes

Caracteristica del par de giro de los motores I F75.

termicas entre 30 . 50 min., no extra-na gran tendencia en el mercado mundial a sustituir rapidamente los servomotores de c.c. por los de al-terna, a pesar del gran rendimiento y fiabilidad demostrados por los pri-meros. En cuanto a los equipos de regula-cion de velocidad para los servo-motores de alterna, Siemens ha ba-sado su desarrollo en el mismo sis-tema de regulaciOn en cascada ve-locidad-intensidad, ampliamente ex-perimentado en los reguladores de continua. El sistema de montaje,

las bornas, e incluso, algunas tarje-tas de circuito impreso, son los mis-mos que en los reguladores de c.c. El' esquema de bloques de estos reguladores se muestra en la fig. 9.

En el segundo 'lextremo del eje se pueden montar diversos sistemas de medicion de idesplazamiento.

Para facilitar la adaptaciOn del mo-tor mas idOneo en la maquina, se pueden suministrar los servomoto-res de c.a. o de c.c. con una serie de accesorios, como: —Tacodinamo de serie en todos los servomotores. Naturalmente, en los de c.a. se trata de una tacodina-mo especial, sin escobillas. —En casi todos los tamanos es po-sible instalar un freno de manteni-miento en el escudo de cojinete del lado del accionamiento, sin aumen-tar la longitud del motor. Estos fre-nos, tambien con imanes per-manentes, estan disenados para mantener el rotor del motor blo-queado en el caso de que falte la tension de alimentaciOn.

Esquema de bloques del regulador de transistores para servomotores de alterna.

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Servomotor de alterna 1 FT5. Seccion longitudinal. tacodinamo y emisor de impulsos.

—En el segundo extremo del eje, tras la tacodinamo, se pueden montar diversos sistemas de medi-clan de desplazamiento, como cap-tadores de posicion digitales incre-mentales o absolutos (fig. 10).

En casi todos los tamanos es posible instalar un freno de mantenjmiento en el escudo del cojinete.

—Reductores planetarios (hasta 1:10 aprox.) o cicloidales (hasta 1:70 aprox.), lo que permite rnoto-

res mas pequenos at multiplicar, correspondientemente con la rela-clan de reducciOn, el par efectivo aplicado al eje accionado. Es util en robots y manipuladores, en los que frecuenternente se desea el par mas alto posible dentro de un espa-cio disponible pequerio. El conjun-to motor-reductor (figs. 11 y 12)

Servomotor c. a. I FT 5, con reductor 1:10.

forma una unidad muy compacta, con elevada estabilidad de giro, ren-dimientos hasta del 95%, silenciosa, de dimensiones y pesos reducidos, de gran precision de posicionado (normalmente juego angular de 6 minutos de grado en el eje de sa-lida y de 3 0 1 minutos en ejecucio-nes especiales).

Servomotor c. a. I FT 5 con reductor 1:100.

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ROPENTO /NERC14 PROP/0 SERVO/WOWS Mornento de In'ercia ixopo en kg n?.1(1 4 Hasta 14 Nm

ioo_ Rotor piano

80 _

60 _

40 _

Serie 1FT5

6 8 is) 12 14 Par nominal en Nm

20 _

0

2 4

MONENTO /N57014 PROP/0 SERVONOTORES Mornanto de he/al proplo en kg rr?.10 -3 Desde 14 hasta 47 Nm

120_

15 20 215 30 3I5

40 45 50 Par nominal en Nm

100 _

80 _

60 _

40 _

20 _

0

10

Serie 1HU3

Rotor piano

Serie 1 FT5

PESO DE SERVONOTORES

pm 120_ enkg

100 _

80 _

60 _

40_

20 _

0

0

Serie 1HU3

Rotor piano

Serie 1F-15

10 15 20 25 30 35 40 45 50 Par nominal en Nm

/NERC/A TERR/CA DE SERVOROTORES Tiem -

120 -

po en min. 100

80 _

60 _

40 _

20 ._ Rotor piano

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 bU Par nominal en Nm

Serie 1HU3

Serie 1FT5

Como resumen mostraremos en forma de graficos, algunas de las caracteristicas mas importantes de los servomotores de c.c. (serie 1 FRO), de los de c.a. (serie 1Fr5) y de los motores de rotor piano. Estos graficos no son, en modo alguno, una comparaciOn exhausti-va, sino que deben entenderse Oni-camente como comparaciOn gene-ral entre tipos de motores diferen-tes.

El tercer grafico (fig.15), compara Ia inercia ter-mica de los mismos rnotores, siendo claramente mas resistentes los servomotores 1 FM, aunque Ia serie 1 FT5 ofrece todavla una reserva de resistencia termica mas que suficiente para su empleo en las M-H. ■

El primer grafico, (fig. 13 y 13a), compara los momentos de inercia propios, rnientras que el segundo, (fig. 14), compara los pesos de los motores. En ambos se aprecia c6- mo los servomotores 1F-15 gozan de una amplia ventaja, base de sus excelentes caracteristicas dinami-cas.

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