Medición de fuerzas de tracción y compresión para maquinaria

El movimiento y rendimiento de actuadores lineales neumáticos e hidráulicos dependen sobre todo del control y la regulación de la presión. Los actuadores lineales eléctricos funcionan de un modo distinto: aquí el único papel fundamental lo juega la correcta medición de fuerza, en este caso la utilización de los pertinentes transductores de fuerza a tracción/compresión.

Los transductores de fuerza a tracción/compresión pueden mejorar la calidad del producto y ahorrar materiales en troquelados y soldaduras.

Los actuadores lineales generan el movimiento en infinidad de procesos, desde el troquelado de piezas hasta la excavación de zanjas en obras. Los sistemas neumáticos juegan un papel fundamental en los procesos industriales gracias a sus movimientos rápidos y precisos. Por otro lado en maquinaria de construcción y agrícola el uso de accionamientos hidráulicos está más extendido, gracias a su robustez y capacidad de concentración de fuerza.

Además de estos dos tipos de accionamiento, con el paso del tiempo ha surgido otro más: el actuador lineal eléctrico. La combinación de motor y accionamiento mecánico se está estableciendo cada vez más, sobre todo como alternativa a los sistemas neumáticos en procesos industriales.

Las aplicaciones más extendidas de sistemas hidráulicos en el sector de la construcción de máquinas también dejan entrever un cambio en el sector. Las ventajas de las soluciones eléctricas de este tipo son evidentes: estos accionamientos son compactos, se pueden integrar en sistemas modulares y adaptar individualmente en función de las necesidades. Crean movimiento directo a partir de la energía, sin necesidad de un fluido o de presión. Gracias a esto puede prescindirse de bombas o compresores, que incluyen tubos flexibles y sistemas propios que requieren mantenimiento. Además se elimina la posibilidad de fugas.

Presión “que sale cara”

Al mismo tiempo los accionamientos eléctricos consumen menos energía: sólo la necesitan para el movimiento en sí, mientras que los sistemas neumáticos e hidráulicos requieren mantener la presión ininterrumpidamente. Esa es la razón por la que una empresa automovilística alemana ha decidido cambiar del accionamiento neumático al eléctrico en, por ejemplo, la soldadura por puntos en carrocerías. Crear y mantener ininterrumpidamente una presión de entre 10 y 12 bares habría sido mucho más costoso.

Si no se depende de la presión como accionamiento principal, el foco principal de los actuadores lineales eléctricos para regular y controlar el movimiento es la medición de la fuerza. Dependiendo del uso, se necesitan medir diferentes fuerzas, como por ejemplo la fuerza de unión en brazos robóticos, la fuerza de corte en troquelados, la fuerza de prensado en la identificación de envíos, la fuerza de presión en el grimpado o la fuerza de compresión en soldaduras por puntos. Los transductores de fuerza a tracción/compresión capaces realizar hacer éstas mediciones son del tipo electromecánico.

Estos transductores se deforman cuando están expuestos a fuerzas. Al llevar integradas galgas extensométricas, éstas convierten la deformación mecánica (reversible) en señales eléctricas.

La detección de errores como rasgo distintivo

Es cierto que el operario de una terminal, como por ejemplo de una tenaza portaelectrodos o un dispositivo troquelador, puede colocar con la ayuda de sensores esta terminal en la posición deseada. Pero sólo mediante la medición de la fuerza se pueden detectar errores de manera automática e inmediata. Un aumento repentino de la fuerza por encima de los límites establecidos puede deberse a un desalineamiento, por ejemplo. Un aviso de error en procesos de automatización sincronizados al segundo es de gran importancia.

Sin un aviso de este tipo, la fuerza incontrolada liberada en ese momento puede destruir todo un lote de productos. Debido a su rendimiento los transductores de fuerza a tracción/compresión con tecnología de capa fina delgada son muy adecuados en accionamientos de máquinas industriales. Sus sensores se construyen utilizando capas finas (sputtering).

Una de esas capas contiene 4 galgas extensiométricas, formando un puente de Wheatstone. Para versiones con redundancia también existe la posibilidad de aplicar 8 galgas. Estos sensores son soldados, finalmente, a los canales de flujo de fuerza del aparato en cuestión. A los sensores se les añade un amplificador de señal formando una unidad de medición térmicamente compensada. Los aparatos de la serie F23, por ejemplo, han sido diseñados para fuerzas nominales de hasta 100kN. Funcionan con una señal analógica de 4…20 mA, 0…10V o CANopen.

En cualquier posición

Gracias al cuerpo roscado de los transductores de capa fina, éstos se pueden colocar en cualquier posición en un actuador lineal. Dado que la carga es igual en todo el accionador, se puede colocar el transductor en cualquier posición. En muchos accionadores la unidad de medición se coloca en la entrada de fuerza, es decir, al final del grupo propulsor, dado que es sencillo colocarlo ahí. Un ejemplo de esto son las máquinas de prensado o de troquelado.

En una tenaza portaelectrodos del tipo rX, por ejemplo, el sensor controla la fuerza en la zona del motor del movimiento de cizalladura. A pesar de existir la libertad de colocación de las unidades de medición se ha de tener en cuenta que la fuerza transversal puede ser un elemento perturbador. Esta fuerza no puede superar el 5% de la fuerza nominal, si no puede haber errores de medición. En estos casos se ha de elegir un emplazamiento con una oscilación mínima o reforzar el emplazamiento

Alternativas para fuerzas nominales bajas

En cuanto a rendimiento y manejo, los transductores de capa fina son las soluciones más completas en actuadores lineales industriales. Sin embargo, también se ha de tener en cuenta los transductores con galgas extensiométricas pegadas. Los transductores de capa fina son relativamente rígidos, por lo que miden fuerzas con el margen de error usual a partir de 1kN. Las galgas extensiométricas pegadas, en cambio, pueden medir fuerzas a partir de 1N. Son aptos para crear sensores en tamaño miniatura y para mediciones más exactas.

Sin embargo, los transductores con galgas extensiométricas pegadas conllevan más trabajo, dado a los pasos manuales a realizar como la colocación y cableado de cada galga por separado, la compensación térmica y la integración del amplificador de señal de salida. Cuando se ha de colocar sensores miniatura en emplazamientos con muy poco espacio, se les puede añadir un amplificador en el cableado, pero dada la distancia hasta el sensor puede haber errores en las mediciones. Independientemente de su naturaleza, los transductores de tracción/compresión suelen ser soluciones de medición a medida, fabricando sensores dependiendo de las necesidades en cada caso.

Los dispositivos resultantes de estas células sensoriales pueden trabajar con fuerzas nominales muy variadas. Según la directiva VDI/VDE/DKD2638 todos los transductores han de ser construidos de tal manera, que aguanten una sobrecarga puntual del 150% de la fuerza nominal. En condiciones de uso definidas, los transductores son instrumentos de medición robustos y de larga vida: aguantan hasta diez millones de cambios de carga sin errores de medición.

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Vídeo: Sensores de fuerza industriales | ¿Qué tecnologías de sensores existen para la medición de fuerzas?