Cómo dimensionar un módulo lineal: carga, velocidad, empuje y paso

Elegir un módulo lineal solo por la carrera es la causa más frecuente de ejes demasiado lentos, sobrecargados o ruidosos. Esta guía recorre los pasos de dimensionamiento que usan los ingenieros – carga, perfil de movimiento, empuje, momentos y motor – y termina con un ejemplo de cálculo basado en datos reales.

1. Reunir los datos de la aplicación

• Masa en movimiento: pieza + pinza o herramienta + placa adaptadora.
• Orientación de montaje: horizontal, vertical o en pared.
• Carrera y tiempo de ciclo requerido (o tiempo por movimiento).
• Posición de la carga: distancia del centro de gravedad al carro (voladizo).
• Precisión: repetibilidad requerida.
• Fuerzas de proceso: fuerzas de prensado, atornillado o mecanizado sobre el carro.
• Entorno: polvo, virutas, refrigerante, sala blanca.

2. Elegir la transmisión

Normalmente la precisión, la carrera y la velocidad deciden la transmisión: husillo de bolas para ejes precisos, rígidos y verticales; correa dentada para carreras largas y rápidas; piñón y cremallera para ejes muy largos y pesados; motor lineal para la máxima dinámica. Vea Husillo de bolas o correa dentada.

3. Comprobar la carga según orientación y paso

La carga admisible depende mucho de la orientación de montaje y, en los módulos de husillo, del paso. Ejemplo: BSS140 con servomotor de 400 W:

La tendencia es típica: un paso mayor da más velocidad pero menos empuje y carga; la carga vertical es mucho menor porque la transmisión debe sostener siempre todo el peso.

4. Definir el perfil de movimiento

La mayoría de los movimientos siguen un perfil trapezoidal: aceleración, tramo a velocidad constante y deceleración. Con carrera s, velocidad v y aceleración a (igual al acelerar y al frenar), el tiempo de recorrido es:

t = s / v + v / a

(válido si la carrera permite alcanzar la velocidad plena, es decir, s ≥ v² / a). La velocidad requerida fija el paso mínimo: paso = v / velocidad del motor. Con un servomotor a 3000 rpm (50 rev/s), 500 mm/s requieren un paso de 10 mm y 1000 mm/s, uno de 20 mm.

5. Comprobar el empuje

La transmisión debe aportar la fuerza para acelerar la carga, vencer la fricción y, en ejes verticales, elevar el peso:

• Horizontal: F = m · a + μ · m · g + F_proceso
• Vertical (subiendo): F = m · (g + a) + F_proceso

con μ ≈ 0,01 para guías lineales de bolas y g = 9,81 m/s². En un husillo de bolas, el empuje disponible resulta del par del motor T, el rendimiento η (normalmente 0,85–0,9) y el paso P: F = 2π · T · η / P. Un servomotor de 400 W da unos 1,27 N·m de par nominal; con η ≈ 0,87 se obtienen unos 1390 N con paso de 5 mm, el valor de la tabla. Compare la fuerza necesaria con el empuje nominal y deje un margen.

6. Comprobar los momentos

Si el centro de gravedad está desplazado respecto al carro, la carga genera momentos de cabeceo, guiñada y balanceo sobre la guía. Un voladizo largo puede sobrecargar un módulo aunque la masa esté muy por debajo de la carga nominal. Consulte los momentos estáticos y dinámicos admisibles en la página de producto; si se superan, reduzca el voladizo, elija un módulo más ancho o uno de doble guía o doble accionamiento.

7. Motor, freno y control

• Use el tamaño de motor recomendado como punto de partida y confirme par, velocidad y relación de inercias con la herramienta de dimensionamiento del fabricante del motor.
• Los ejes verticales necesitan un motor con freno para que la carga no caiga sin alimentación.
• Defina la disposición de los sensores de origen y final de carrera y la posición del motor (en línea o paralela) según el espacio disponible.

Ejemplo de cálculo

Tarea: mover una carga de 15 kg (pieza + pinza) en horizontal a lo largo de 600 mm en 0,8 s, repetibilidad ±0,02 mm, sin fuerzas de proceso.

1. Transmisión: ±0,02 mm y 600 mm de carrera → husillo de bolas.
2. Perfil de movimiento: con v = 1,0 m/s y a = 5 m/s², t = 0,6 / 1,0 + 1,0 / 5 = 0,8 s. ✔
3. Paso: 1000 mm/s a 3000 rpm → paso de 20 mm.
4. Carga: el BSS140 con paso de 20 mm admite 40 kg en horizontal → 15 kg está bien.
5. Empuje: F = 15 · 5 + 0,01 · 15 · 9,81 ≈ 77 N. El empuje nominal con paso de 20 mm es de 347 N: margen amplio para la masa del carro y los picos de aceleración.
6. Precisión y carrera: repetibilidad ±0,01 mm y carrera de 100–1050 mm. ✔

Resultado: BSS140, paso de 20 mm, carrera de 600 mm, servomotor de 400 W; después, compruebe los momentos con el desplazamiento real de la pinza.

La misma tarea en vertical: con paso de 20 mm la carga vertical es solo de 10 kg, así que 15 kg es demasiado. Un paso de 10 mm admite 22 kg en vertical, pero limita la velocidad a 500 mm/s y el movimiento tarda unos 1,3 s. Si en vertical se necesitan 0,8 s, conviene considerar el tamaño superior (por ejemplo, BSS170) o un contrapeso; en cualquier caso, el motor con freno es obligatorio.

Preguntas frecuentes

¿Cuánto margen debo prever?

Muchos ingenieros mantienen un factor de 1,5 a 2 entre la carga o el empuje calculados y el valor nominal, y más en caso de impactos, ciclos de trabajo intensos o fuerzas de proceso inciertas.

¿Por qué la carga vertical es mucho menor que la horizontal?

En un eje vertical la transmisión sostiene continuamente todo el peso y además debe acelerarlo hacia arriba, por lo que el mismo motor y el mismo husillo mueven mucha menos masa. Un freno sujeta la carga sin alimentación.

¿Qué diferencia hay entre repetibilidad y precisión?

La repetibilidad indica con qué exactitud el eje vuelve a la misma posición. La precisión absoluta indica cuánto se acerca a cualquier posición ordenada a lo largo de la carrera. La mayoría de las tareas de automatización dependen de la repetibilidad; la precisión absoluta depende además de la clase del husillo, el montaje y la calibración.

Revisamos su dimensionamiento

Envíenos la masa en movimiento, su desplazamiento, la orientación, la carrera, el tiempo de ciclo y la precisión requerida: comprobaremos carga, empuje y momentos y le recomendaremos un módulo con un plano para revisar. Contacte con nosotros o consulte los módulos lineales de un eje.