Un servomotor rotativo solo produce un movimiento lineal después de que un mecanismo mecánico convierta su rotación en desplazamiento.
Un motor lineal, por su parte, produce ese desplazamiento directamente, sin ninguna conversión intermedia. Esa única diferencia de diseño marca la pauta para todas las compensaciones que se derivan de ello en cuanto a fuerza, velocidad, precisión y coste.
Si te imaginas un motor lineal como un motor rotativo sin escobillas desenrollado, comprenderás su principio electromagnético básico. En lugar de un rotor que gira dentro de un estator, un carro móvil se desplaza a lo largo de una pista formada por imanes permanentes alternados.
Dado que los principios subyacentes son idénticos, los servoconvertidores los conmutan y controlan exactamente de la misma manera.
La transmisión mecánica —como un husillo de bolas, una correa o una cremallera y piñón— es donde el sistema rotativo obtiene sus ventajas únicas y hereda sus inconvenientes.
¿Cuál es la diferencia tecnológica fundamental entre un motor lineal y un servomotor rotativo?
Un motor lineal es un servomotor rotativo «desenrollado». En lugar de un rotor que gira dentro de un estator, un carro móvil que lleva bobinas trifásicas se desplaza a lo largo de una guía formada por imanes permanentes que alternan su polaridad. La corriente que circula por las bobinas magnetiza cada fase como polo norte o polo sur, y la atracción y repulsión resultantes impulsan el carro a lo largo de la guía.
El accionamiento lo conmuta y lo controla del mismo modo que lo haría con un motor rotativo sin escobillas: el principio electromagnético es idéntico y lo único que cambia es la geometría.
La alternativa rotativa mantiene el motor en funcionamiento e incorpora un sistema de transmisión: un husillo de bolas, una correa y una polea, o una cremallera y un piñón.
Cada uno de ellos convierte el movimiento giratorio en traslatorio con diferentes ventajas e inconvenientes: las correas priman la velocidad y el bajo coste frente a la precisión, mientras que el sistema de piñón y cremallera favorece los recorridos muy largos.
Este artículo toma como ejemplo representativo el husillo de bolas, ya que es el mecanismo de conversión cuya precisión suele competir directamente con la de un motor lineal. La transmisión es donde el sistema rotativo muestra sus ventajas y adolece de sus inconvenientes, por lo que es el punto de partida idóneo.
Motor lineal frente a servomotor rotativo: Un breve desglose comparativo
Los seis parámetros que figuran a continuación son rangos representativos publicados; los valores reales dependen del motor concreto, el paso del husillo, el dispositivo de retroalimentación y el diseño de la etapa.
| Criterio | Servomotor rotativo + husillo de bolas | Motor lineal (de accionamiento directo) |
| Trayectoria de movimiento | Rotación transmitida mediante un husillo de bolas | Desplazamiento lineal directo, sin conversión |
| Aceleración máxima | ~2 g, valor típico para servo + husillo de bolas | Hasta unos 10 g |
| Velocidad máxima | ~0,5–1 m/s (20–40 pulgadas/s) | ~5–10 m/s (hasta ~400 pulgadas/s) |
| Precisión de posicionamiento | ~3–5 µm, límite práctico | Submicrónico; hasta fracciones de un µm |
| Backlash | Se elimina mediante una tuerca precargada; el error de plomo persiste | Ninguno: no hay contacto en la trayectoria de la fuerza |
| Fuerza | Multiplicado por el tornillo; gran empuje | Limitado por la corriente de la bobina y los campos magnéticos |
La fuerza: la ventaja mecánica
La ventaja principal del husillo de bolas es la multiplicación mecánica. Un husillo con paso corto sacrifica velocidad a cambio de fuerza, multiplicando el par del motor para generar un elevado empuje lineal. Por eso los sistemas rotativos con husillo predominan en prensas y abrazaderas, donde un motor lineal de tamaño comparable no podría competir.
Un motor lineal no cuenta con engranajes para multiplicar la fuerza. Su empuje proviene directamente de la interacción entre la corriente de las bobinas y la pista magnética, por lo que su fuerza continua está estrictamente limitada por la cantidad de corriente que pueden soportar las bobinas antes de sobrecalentarse.
Velocidad, aceleración y estabilización
El accionamiento directo es donde los motores lineales se diferencian realmente del resto. Al no tener que hacer girar ningún husillo ni un acoplamiento flexible que se enrolle, un motor lineal alcanza aceleraciones cercanas a los 10 g y velocidades de entre 5 y 10 m/s. Las plataformas típicas con servo y husillo de bolas alcanzan un máximo de aproximadamente 2 g y menos de 1 m/s.
Además, los husillos de bolas largos y delgados imponen una limitación específica. Por encima de una velocidad de rotación crítica, un husillo largo comienza a oscilar, lo que limita la velocidad de desplazamiento útil y obliga a los diseñadores a utilizar husillos de mayor diámetro. Los motores lineales no tienen eje giratorio y no presentan límites de oscilación.
Comprender la inercia y los límites térmicos
Un sistema de transmisión reduce significativamente la inercia de la carga que soporta el motor en proporción al cuadrado de su relación de transmisión. En el caso de un husillo de bolas, la masa de la carga que se transmite al eje del motor es:
Dónde Jref. es la inercia de la carga en el eje del motor, m es la masa de la carga en movimiento, y p es el paso de la rosca.
Dado que la distancia de avance se eleva al cuadrado, una distancia de avance modesta hace que incluso las cargas útiles pesadas parezcan pequeñas para el motor, lo que aísla al motor de las variaciones de carga. Un motor lineal no obtiene esa reducción, ya que la carga total se transmite directamente al actuador, lo que dificulta el ajuste cuando las cargas útiles varían.
El comportamiento térmico también difiere considerablemente. Los motores rotativos se sitúan en el extremo del accionamiento, lo que aleja el calor de la zona de trabajo. Las bobinas de un motor lineal se desplazan junto con la carga, lo que puede provocar que el calor se transmita a procesos sensibles a la temperatura.
En los motores lineales, la fuerza continua está limitada térmicamente, y el aumento de temperatura de la bobina se rige por lo siguiente:
Porque la fuerza Fc parece que, al cuadrado, las altas temperaturas ambientales o los límites máximos de temperatura de las bobinas reducirán drásticamente la fuerza continua del motor.
En resumen: cuándo elegir cada opción
El sistema de movimiento rotativo y husillo suele ser más económico inicialmente y ofrece una fuerza por dólar mucho mayor. Es la opción adecuada cuando la densidad de fuerza y el coste prevalecen sobre la dinámica de alto rendimiento, como en el prensado de alto empuje, los ejes verticales o las aplicaciones con cargas útiles muy variables.
Por el contrario, debes optar por un motor lineal cuando la aplicación requiera una velocidad, una aceleración o una precisión que un husillo no pueda alcanzar.
Ofrecen un posicionamiento submicrónico y son ideales para procesos de «pick-and-place» o de escaneo de alto rendimiento en los que el desgaste o las holguras mecánicas podrían comprometer el resultado final.
En definitiva, dado que un motor lineal no es más que un motor rotativo sin bobinado desde el punto de vista eléctrico, los servoconvertidores estándar como el FlexPro y el DigiFlex Performance de ADVANCED Motion Controls pueden controlar ambos sin ningún problema.
