Mantenimiento del control en aplicaciones de husillos de bolas verticales

Apr 18, 2024

Este freno de tornillo de bolas está acoplado por resorte. En caso de una pérdida de energía, activará automáticamente la carga. Se debe volver a suministrar energía para liberar el freno de la carga. Foto cortesía de Nexen Group Inc.

Se adjunta un freno de husillo de bolas al extremo de un husillo de bolas con un acoplamiento que puede compensar una pequeña cantidad de desalineación axial. Foto cortesía de Nexen Group Inc.

En algunas aplicaciones de elevación vertical, un servomotor acciona el husillo de bolas. Un freno de servomotor montado en brida, instalado entre el motor y la brida de elevación, sujetará el husillo de bolas y evitará el retroceso. Foto cortesía de Nexen Group Inc.

Los husillos de bolas de alta eficiencia retroceden en aplicaciones de elevación vertical, lo que requiere un freno para sostener la carga. Foto cortesía de THK

Los husillos de bolas de alta eficiencia son ideales para un posicionamiento lineal preciso y de alta velocidad. Sin embargo, el retroceso puede ser un problema, especialmente si el husillo de bolas está en posición vertical. Si el husillo de bolas no se sujeta correctamente, la carga podría caer rápidamente y causar daños a la carga útil, a la máquina y a los trabajadores.

Para evitar que esto suceda, los ingenieros tienen varias opciones. Una forma es utilizar contrapesos colocados sobre poleas de cable para compensar el peso de la carga transportada sobre el husillo de bolas. Este diseño no es ideal. Ocupa espacio, tiene muchos componentes y no aplica una fuerza de sujeción directamente sobre el husillo de bolas.

Los topes duros son otra opción, pero pueden dañar el husillo de bolas si no se instalan o controlan correctamente. Un tope brusco crea una carga de contacto de alta fuerza que puede deformar las roscas de las bolas, comprometer la resistencia de los rodamientos de bolas, dañar el sistema de retorno y atascar la tuerca de bolas en el tornillo.

Una tercera opción son los resortes de bloqueo. Estos se insertan en el espacio entre la tuerca de bolas y el husillo de bolas. Si las bolas están muy dañadas, el resorte de bloqueo ocupará el espacio libre. El aumento de la fricción creado por el resorte evita que la carga caiga libremente o haga retroceder el tornillo.

Otro método consiste en emplear mecanismos, como abrazaderas o frenos tipo pinza, para bloquear el tornillo. Este método es algo efectivo, pero puede dañar el husillo de bolas y degradar su precisión. Estos diseños también ocupan mucho espacio.

Un tope de inercia evita daños por inercia accidental en cualquiera de los extremos del husillo de bolas. Sin embargo, no se puede confiar en las paradas de perros como protección primaria. Este tipo de parada sólo debe utilizarse como protección redundante. El sistema de control del conjunto debe detener el recorrido y debe mantenerse mediante un freno de apagado, como el freno de tornillo de bolas. La mayoría de los actuadores lineales utilizan frenos en los motores o correderas. Estos frenos se montan en motores de doble eje o en el eje que soporta la polea.

Uno de los errores más comunes en el control de movimiento ocurre al diseñar actuadores accionados por husillo de bolas o por correa en aplicaciones verticales. Normalmente, ambos sistemas tienen una eficiencia mecánica del 90 por ciento. En caso de pérdida de potencia, el motor no tiene par de retención, lo que hace que la carga caiga hacia abajo.

El par de torsión de retroceso, Tb, se puede calcular como Tb = PLe/2π, donde L es el avance del tornillo (en pulgadas), P es la carga en libras y e es una constante de eficiencia mecánica.

Alguna fricción inherente en el sistema puede soportar cargas ligeras, pero los actuadores sin vástago normalmente retroceden incluso con una pequeña cantidad de fuerza. Los factores que resisten la marcha atrás son las ineficiencias mecánicas (incluidas las fuerzas opuestas aplicadas sobre la carga); fricción estática en los cojinetes y el sistema de transmisión; ineficiencia de reducción (de la correa de distribución o engranajes); y el par necesario para girar el eje con la mano cuando el motor no está encendido.

El paso de un sistema accionado por tornillo también contribuye. Un husillo de bolas con un paso de 2 revoluciones por pulgada tiene un retroceso menor que uno con un paso de 5 revoluciones por pulgada. Esto se debe a que la relación entre el par de fricción y la fuerza de sujeción axial es F = 2πTfp; donde Tf es el par de fricción y p es el paso del husillo.

Si falla la energía, estas ineficiencias del sistema resistirán la inclinación de la carga a retroceder. Pero, si la carga es más pesada que estos factores resistivos, caerá incontrolablemente.

Una forma de evitarlo es colocar un freno en el motor o en el tornillo de bolas. Estos frenos están accionados por resorte, lo que significa que se debe suministrar energía para liberar el freno de la carga (o, por el contrario, el freno acciona automáticamente la carga en caso de una pérdida de energía).

Un freno de servomotor accionado por resorte y liberado por aire funciona bien, pero hay un problema: la expansión térmica del husillo de bolas puede afectar negativamente al cojinete del freno. Además del calor ambiental al que está expuesto el husillo de bolas, el propio husillo genera calor debido a la fricción. En conjunto, ese calor puede provocar suficiente expansión térmica en el eje del tornillo como para afectar su precisión y rendimiento. Cada grado de aumento de temperatura hace que el eje del husillo de bolas se expanda 12 micras por metro de longitud.

Las fuerzas axiales creadas por la expansión térmica del husillo de bolas pueden ser lo suficientemente grandes como para precargar el cojinete del freno y provocar que el dispositivo falle prematuramente.

Para resolver ese problema, Nexen ha desarrollado un freno de servomotor liberado por aire y accionado por resorte, fabricado específicamente para husillos de bolas. Nuestro dispositivo incorpora un acoplamiento de elastómero sin juego que compensa hasta 2 milímetros de desalineación axial. El acoplamiento se fija en el orificio del freno mediante un eje cónico expansible. El otro extremo del acoplamiento tiene un cubo de sujeción que se fija al husillo de bolas.

Existen innumerables aplicaciones para husillos de bolas montados verticalmente, incluidos sistemas de posicionamiento, sistemas de sujeción, equipos de prueba e inspección, acumuladores y separadores, y sistemas de recogida y colocación.

Un cliente necesitaba un freno accionado por resorte y liberado por aire con suficiente torque para soportar una carga de 885 libras en una máquina termoformadora de plástico. El freno original accionado por resorte y liberado eléctricamente no podía soportar la carga, que era accionada por un servomotor y un husillo de bolas de 30 milímetros de diámetro.

Nuestro freno accionado por resorte y liberado por aire proporciona 125 newton-metros de fuerza de retención. El freno se fija al extremo no accionado del husillo de bolas con un exclusivo acoplamiento de inserción de elastómero. El acoplamiento consta de dos mitades. La mitad tiene un cubo de sujeción y un tornillo radial que se fijan al husillo de bolas. La otra mitad tiene un eje expansible y un elemento de sujeción cónico para la fijación al orificio del freno. Este diseño permite que el acoplamiento absorba cualquier desalineación axial creada por la expansión térmica del husillo de bolas.

Las interfaces de fricción exclusivas del freno producen un par elevado en relación con su tamaño. El freno de husillo de bolas también es un verdadero dispositivo sin juego. El juego cero es importante en muchas aplicaciones para un posicionamiento preciso y evitar que el motor produzca una rotación libre del husillo de bolas.

Además, los frenos liberados por aire tienen la ventaja sobre los frenos eléctricos porque no se consume energía mientras el freno está desactivado. Eso significa que los frenos liberados por aire son más eficientes energéticamente. Sólo utilizan alrededor de 1,2 vatios para alimentar la válvula de control neumático. Los frenos eléctricos utilizan una bobina para mantener el freno desactivado, consumiendo energía y generando calor dentro del freno. El exceso de calor resta valor a la capacidad de retención del freno.

Los husillos de bolas de precisión se utilizan a menudo en máquinas herramienta CNC y proporcionan la precisión necesaria para un mecanizado de calidad. Estos husillos de bolas satisfacen las demandas de una amplia gama de aplicaciones de máquinas herramienta, incluidas rectificado, taladrado y fresado. Una aplicación reciente requirió que un freno se montara directamente en un husillo por razones de seguridad. Las instalaciones iniciales utilizaban motores freno con freno en la parte trasera de un motor de doble eje. Sin embargo, estos conjuntos ocupaban demasiado espacio y su par de frenado no era suficiente para detener y sostener la carga. Un freno de husillo de bolas fijado directamente al extremo del husillo de bolas ahorra espacio y proporciona un frenado eficaz cuando se aplica directamente al husillo de bolas.

Los fabricantes buscan cada vez más formas de reducir el riesgo de daños a las personas, los equipos o el medio ambiente que pueden surgir del funcionamiento de los equipos de producción. Una estrategia inteligente de reducción de riesgos protegerá al personal y las máquinas; aumentar la productividad; mejorar la eficiencia; y aumentar el tiempo de actividad.

Los estudios muestran que la mayoría de los accidentes no ocurren en condiciones normales de funcionamiento, sino durante la programación, el mantenimiento, la reparación y las pruebas. Por lo tanto, se requieren medidas de seguridad adecuadas para evitar la caída de cargas o el movimiento de ejes de movimiento lineal al realizar tareas de mantenimiento o encendido parcial del equipo. Incluso en movimientos puramente horizontales, muchos sistemas utilizan frenos para evitar el deslizamiento durante las paradas de la máquina provocadas por la apertura de una protección móvil u otra barrera de seguridad.

Por Edd Brooks Representante técnico senior de ventas Nexen Group Inc. Vadnais Heights, MN