Actuadores rotativos para montaje automatizado

Los fabricantes de automóviles utilizan las mordazas giratorias SBZ para levantar, transportar, girar y colocar componentes grandes. Las mordazas cuentan con un sistema giratorio doble de piñón y cremallera montado en cada dedo de agarre. Foto cortesía de Zimmer Group US Inc.

Esta imagen muestra una combinación de corredera giratoria, de agarre y lineal que realiza la carga y descarga de piezas. Foto cortesía de Destaco, a Dover Co.

Los rotativos neumáticos con un diseño de piñón y cremallera dual producen mucho más torque que las unidades con un solo piñón y cremallera. Foto cortesía de Festo Corp.

El rotativo neumático RCC de bajo perfil es accionado por un cable de acero de calidad aeronáutica y gira 90 y 180 grados. Foto cortesía de PHD Inc.

Los dedos giratorios de GFS pueden girar piezas sujetas por una pinza. Foto cortesía de SCHUNK Inc.

Desde fuera, un robot parece ser una entidad independiente que puede hacer muchas cosas maravillosas por sí solo. Pero, en realidad, es la tecnología interna y las herramientas del extremo del brazo las que permiten al robot realizar eficazmente muchos tipos de ensamblaje.

Uno de los componentes internos clave del robot es el actuador giratorio o rotativo. Su diseño compacto pero resistente permite a los ingenieros adaptarlo para formar las articulaciones o músculos de un robot, proporcionando así altos niveles de rigidez mecánica y torsión. El actuador giratorio también se puede utilizar por separado o con otros equipos en aplicaciones en las que un robot multieje es demasiado caro o grande, o no es lo suficientemente rápido o necesario.

"Considere la situación en la que un fabricante necesita una unidad de recogida y colocación para mover rápidamente piezas dentro y fuera de una máquina durante el montaje", explica Thomas Reek, vicepresidente de ventas de componentes de automatización de SCHUNK Inc. "Al integrar un rotativo con Con dos pinzas, pueden insertar alternativamente piezas sin terminar y retirar piezas terminadas de la máquina, o simultáneamente agarrar, reorientar y presentar piezas para posteriores trabajos de ensamblaje sin tener que soltarlas”.

Según Reek, el uso de una unidad rotativa permite que un robot de recogida y colocación complete su tarea más rápidamente al colocar y recuperar piezas de trabajo en un solo viaje. Esto puede acortar los ciclos generales y evitar que los procesos estén inactivos.

"Los actuadores giratorios funcionan en un plano de movimiento y, por lo general, eso es todo lo que se necesita para realizar de manera efectiva algún tipo de ensamblaje automatizado", señala Costas Charalambous, gerente de ventas de la región este de Zimmer Group US Inc. "Un robot multieje a menudo es excesivo en estos aplicaciones”.

El rotativo, por el contrario, se basa en una acción mecánica simple para realizar de manera confiable funciones tan diversas como alimentar y orientar piezas, operar tolvas o enrutar paletas en un transportador. Esta versatilidad ha beneficiado a los fabricantes desde la década de 1950, cuando los rotativos funcionaban de forma hidráulica o neumática. Hoy en día, los proveedores de equipos también ofrecen actuadores rotativos eléctricos, junto con la experiencia necesaria para ayudar a los ingenieros a especificar el actuador adecuado para cada trabajo.

Los actuadores giratorios neumáticos siguen siendo los más populares para el montaje automatizado, mientras que los giratorios hidráulicos se utilizan con poca frecuencia debido a las crecientes preocupaciones medioambientales de los fabricantes y su deseo de un menor mantenimiento. Los rotativos eléctricos son los más nuevos del mercado, pero su uso está aumentando lenta y constantemente.

Tanto los actuadores rotativos neumáticos como los hidráulicos vienen en versiones de piñón y cremallera simple o doble, de paletas (semigiratorias) y de estrías helicoidales. Recomendado para aplicaciones precisas y de servicio pesado, un rotativo de piñón y cremallera convierte el movimiento lineal de un cilindro en movimiento rotativo.

La cremallera es un conjunto recto de dientes de engranaje unidos al pistón del cilindro. A medida que el pistón se mueve, la cremallera se empuja linealmente y sus dientes engranan con los dientes del engranaje circular del piñón, obligándolo a girar. El piñón vuelve a girar a su posición original cuando se suministra aire o presión de fluido al lado opuesto del cilindro. Su rotación máxima está limitada únicamente por su tamaño.

Zimmer Group US Inc. ofrece la serie SBZ de mordazas giratorias, con un sistema giratorio de piñón y cremallera doble montado en cada dedo de agarre. Charalambous dice que los fabricantes de automóviles, electrodomésticos, dispositivos médicos y bienes de consumo han utilizado las mandíbulas durante varios años para levantar, transportar, rotar y colocar piezas pequeñas, medianas y grandes. Hay cinco tamaños de mordazas disponibles, con un par por mordaza de 1,2, 3,5, 10, 23 o 57 newton-metro. La capacidad del ángulo de giro es de 90 y 180 grados. Las mordazas están clasificadas para 10 millones de ciclos sin mantenimiento.

Los actuadores de paletas utilizan un motor neumático simple o cámaras llenas de líquido para impulsar una paleta unida a un eje de transmisión giratorio. Cuando se aplica una presión significativa a la cámara, se expande y mueve la paleta a través de un arco de hasta 280 grados hasta que se encuentra con una barrera estacionaria. La rotación se invierte invirtiendo la presión del aire o del fluido en los puertos de entrada y salida. Este tipo de actuador a veces se denomina semirotativo porque produce una rotación de menos de 360 ​​grados.

Un actuador de doble paleta tiene paletas y barreras diametralmente opuestas. Aunque este diseño proporciona el doble de torque en el mismo espacio que un actuador de paleta única, la rotación generalmente está limitada a 100 grados.

La serie DRVS de actuadores neumáticos de paletas de Festo Corp. se instala rápida y fácilmente y ofrece una larga vida útil gracias a su carcasa sellada que protege los casquillos del polvo y los residuos. Los ángulos de giro estándar son 90, 180 y 270 grados. Es posible obtener ángulos de giro personalizados con un accesorio de soporte de tope. Con una presión de 6 bares, los siete modelos diferentes ofrecen un rango de par de 0,15 a 20 newton-metro.

El rotor estriado helicoidal (o deslizante) consta de una carcasa cilíndrica, un eje y un manguito de pistón. Al igual que el actuador de piñón y cremallera, el helicoidal se basa en el concepto operativo de engranaje estriado para convertir el movimiento lineal del pistón en rotación del eje.

Los dientes helicoidales estriados mecanizados en el eje se acoplan a un complemento correspondiente de estrías en el diámetro interior del pistón. Cuando se aplica presión neumática o hidráulica al puerto a la izquierda del pistón, gira en el sentido de las agujas del reloj. Esta acción, a su vez, obliga al eje a girar también en el sentido de las agujas del reloj. Al aplicar presión al puerto alternativo, la camisa del pistón regresa a su posición inicial original y gira el eje en sentido antihorario.

En la doble hélice, la rotación del eje es considerablemente mayor que la del casquillo del pistón. La rotación del eje es casi el doble para los diseños de hélice de 30 grados, por ejemplo, e incluso mayor para los diseños de 45 grados.

Otro tipo de actuador giratorio neumático es el accionado por un cable, como el modelo RCC ofrecido por PHD Inc. Carey Webster, gerente senior de segmento de PHD, dice que se utiliza un cable de acero de calidad aeronáutica para impulsar la unidad en dos rotaciones estándar ( 90 y 180 grados). El actuador tiene un perfil bajo para espacios reducidos, pero produce cargas de empuje axial elevadas para su tamaño. Las aplicaciones típicas incluyen rotación de piezas ligeras, montaje de componentes electrónicos y etiquetado.

Un rotativo eléctrico produce una rotación continua o un movimiento a una posición angular fija. Cuenta con un motor (paso a paso, servo o de torsión), un reductor de velocidad y un eje de salida giratorio. Para unidades basadas en paso a paso y servo, un codificador de posición identifica la posición angular del eje de salida. El motor de torsión genera y aplica un par preciso, lo que provoca la rotación del actuador. Sin embargo, el motor en sí no gira.

"El diseño de piñón y cremallera dual produce mucho más torque que el estilo único y sin juego", dice Charalambous. “Es análogo a la diferencia entre intentar frotar un palo con una mano o con ambas. Tus manos son las cremalleras y el palo es el piñón”.

Los rotativos neumáticos Optimax ORQ de PHD cuentan con un sistema de piñón y cremallera doble y orificios pasantes roscados en el cuerpo para un fácil montaje. Disponibles en seis tamaños de orificio (12, 16, 20, 25, 32 y 40 milímetros), los rotativos cuentan con un piñón hueco que permite el paso desde la parte posterior de la unidad hasta el cubo de salida. El ángulo de rotación es ajustable (hasta 190 grados) apretando o aflojando los tornillos de ajuste. Las almohadillas amortiguadoras vienen de serie. Las unidades tienen una vida nominal mínima de 3 millones de ciclos.

Una rotativa de paletas es más compacta y menos costosa que una de piñón y cremallera y, por lo general, necesita menos mantenimiento debido a que tiene menos piezas y ajustes menos críticos. El rotativo de paletas tiene un rango de eficiencia mecánica del 80 al 95 por ciento y, a menudo, se usa para cambiar un conducto o operar una válvula.

En el lado negativo, los rotores de paletas producen relativamente más juego, las esquinas de las paletas son difíciles de sellar, las fugas de derivación interna son comunes y el mantenimiento de la posición puede verse limitado sin controles externos.

Los rotores helicoidales proporcionan un par elevado en un tamaño compacto, así como un par constante en un ángulo completo de rotación sin fugas internas. Además, todos los engranajes, piezas móviles y cojinetes de las unidades hidráulicas están constantemente bañados en aceite, lo que prácticamente no requiere mantenimiento.

Los modelos eléctricos tienen la ventaja de una programabilidad precisa, rotación sin restricciones, control en todo el rango de movimiento y una configuración sencilla. Sin embargo, son más pesados, más caros y producen un par menor que los modelos neumáticos comparables, a menos que se utilice un reductor de engranajes. Estos aspectos negativos deben ser pasados ​​por alto por los fabricantes que necesitan utilizar rotativos eléctricos porque sus instalaciones carecen de la infraestructura para la energía neumática. Las aplicaciones típicas de los rotativos eléctricos incluyen robótica y control de tolvas.

"Al especificar un rotativo, es muy importante dimensionar con precisión el momento de inercia de la masa rotacional (MMOI) y estimar la velocidad de rotación", señala Webster, ex ingeniero de aplicaciones de PHD. "Durante las clases sobre rotativos que imparto, por ejemplo, nueve de cada 10 ingenieros asistentes pueden dimensionar con precisión el rotativo para el torque, pero subdimensionarlo para la energía cinética".

Igualmente importante es la carga útil y su ubicación en relación con el eje de rotación. Aunque los rotativos operan a cientos de ciclos por minuto, el momento angular de la mayoría de las cargas limita la velocidad utilizable. Por ejemplo, las fuerzas que actúan sobre un rotativo horizontal con una carga de 1 libra en su centro son diferentes a las de un rotativo vertical con la misma carga suspendida a 10 pulgadas de un lado.

"Muchos usuarios finales no tienen en cuenta el impacto de la gravedad en la rotación de la pieza cuando especifican una rotativa", dice Gary Labadie, director de producto de pinzas e indexadores de Destaco, a Dover Co. "Hay una gran diferencia en el momento de masa de inercia necesaria para girar una pieza en el sentido de las agujas del reloj desde la posición 9 a 12 y la posición 12 a 3. El primero lucha contra la gravedad, pero el segundo se beneficia de la gravedad, especialmente cuando se trata de una gran carga útil”. Otros factores clave son la presión del aire de funcionamiento, el tiempo del ciclo, el nivel de precisión requerido y el espacio disponible.

Los rotativos de servicio mediano RR-36 y 46 de Destaco tienen una salida de brida y un perfil bajo para aplicaciones en espacios reducidos. Labadie dice que la parte giratoria de cada unidad es aproximadamente del tamaño de un disco de hockey (3 pulgadas de ancho). El número de modelo se refiere al tamaño del orificio en milímetros.

Ambas unidades giran a 45, 90, 135 o 180 grados. Un colector de parada intermedia es opcional. El RR-36 puede soportar una carga útil de 8 libras; el modelo 46 puede transportar una carga de 15 libras. Ambos se pueden conectar directamente al plato giratorio sin soporte de soporte. Según Labadie, los fabricantes de equipos originales utilizan estos rotativos durante el montaje de disyuntores y productos de consumo y para automóviles pequeños.

SCHUNK fabrica el dedo giratorio neumático GFS para girar piezas sujetas por una pinza. Las características estándar incluyen una única válvula giratoria de piñón y cremallera y una válvula de mantenimiento de presión que permite al GFS mantener su posición incluso en caso de falla de presión. Los ángulos de giro estándar son 90 y 180 grados, con otros ángulos disponibles bajo pedido. Hay varias series disponibles (16, 25, 32, 40), que permiten a los fabricantes agarrar piezas que varían en tamaño, desde grandes bloques de motor hasta pequeñas placas de circuito impreso.

Mike Guelker, director de producto de actuadores neumáticos de Festo, recomienda a los usuarios finales abordar varias preguntas clave para especificar correctamente el rotativo. Los dos primeros son: ¿Cuál es el ángulo y tiempo de rotación necesarios para la aplicación? A continuación se debe considerar el nivel de torsión, seguido de la masa de la pieza (en lugar del peso), su ubicación en relación con el eje de transmisión y el MMOI de la pieza.

Festo dispone de un software online que ayuda a los ingenieros a acelerar el proceso de especificación. Un usuario ingresa números para parámetros como torque, inercia y masa de la pieza antes de presionar el botón de simulación. Luego, el software genera una lista de rotativos neumáticos de piñón y cremallera y de paletas recomendados fabricados por Festo.

Finalmente, muchos ingenieros aumentan el par requerido en un 40 por ciento para tener en cuenta las variaciones de carga, las fluctuaciones de presión y la fricción. Webster y PHD, sin embargo, sugieren un factor de seguridad de 2 a 1 en el torque. Dice que también es una buena idea incluir siempre algún tipo de protección de desaceleración en el actuador para aumentar su capacidad de energía cinética y protegerlo de daños. Las almohadillas de choque brindan una protección mínima, siendo los cojines de aire neumáticos un poco mejores y los amortiguadores brindan la mayor protección.

Jim es editor senior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.