¡Hola Mecatrónicos!

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Enero 2021

En nuestras vidas cotidianas, todo lo que se mueve en el espacio tiene que estar guiado, de otro modo simplemente caería al suelo. La puerta corredera de nuestro despacho, el carro móvil de una máquina o simplemente la puerta de protección de una fresadora están regidas por una guía lineal. La función principal de una guía es restringir uno o varios grados de libertad del objeto. Hoy hablaremos de las guías lineales que se usan en la industria en general, es decir, guías lineales de fácil uso. Gracias a una amplia oferta de diferentes proveedores las guías lineales son hoy en día asequibles para cualquier proyecto.

Las guías lineales pueden dividirse en dos grandes grupos: las guías lineales de contacto (cuando hay contacto entre la guía y el patín) y aquellas que no tienen contacto (cuanto no hay contacto físico entre ambas partes). La gran diferencia entre ambos es el desgaste y el mantenimiento que exigen las guías de contacto y la ausencia de estos en el caso de las guías lineales sin contacto.

1. Guías lineales de contacto

1.1. Guías lineales de rodillos

Existen varias tipologías de guías lineales de rodillos: planas, de arco gótico o de tipo V. Se trata de elementos para realizar todo tipo de guiado resistente de forma fácil, sencilla, económica y de fácil mantenimiento (Imagen 1). Una de las principales particularidades de estas guías es su robustez. Los ambientes con polvo, suciedad o virutas apenas interfieren en su funcionamiento. Otra característica a destacar son las alineaciones. Es decir, la superficie de montaje de estas guías no ha de ser precisa. Admiten muchas desalineaciones, simplificando de esta manera la preparación de la bancada y el proceso de montaje y ajuste. Destaca asimismo su escaso mantenimiento porque, incluso si la guía no está debidamente engrasada, sigue funcionando bastante bien. Entre los puntos negativos podemos destacar la poca precisión de estas guías, su poca rigidez, la fácil aparición de holguras después de un tiempo de funcionamiento y la poca vida útil en las aplicaciones dinámicas ya que las altas aceleraciones impiden a los rodillos rodar de manera correcta. El rodillo, debido a su momento de inercia, se desliza sobre la superficie en vez de rodar, provocando un desgaste adicional en los puntos de arranque y frenadas.

Imagen 1: Guía lineal de rodillos. Fuente: Hepco

1.2. Guías y casquillos de recirculación de bolas

Este tipo de guías, gracias a la sencillez de su montaje, son una de las soluciones más populares en la actualidad. Una normalización de las tallas y dimensiones entre diferentes marcas ha permitido que se puedan intercambiar fácilmente, y además tienen unos plazos de entrega cortos y un precio imbatible.

En la actualidad existen dos tipos de guías de recirculación de bolas: la guía tipo casquillo (que necesita una barra cilíndrica calibrada) y la guía prismática con patín. La versión con patín tiene mayor uso entre los fabricantes de maquinaria. Entre las ventajas más destacables de estas guías podemos mencionar la capacidad de carga, una gran rigidez, una excelente precisión y una larga vida útil (Imagen 2). El montaje de estas guías es muy sencillo y gracias a su tamaño compacto no requieren de mucho espacio en la bancada. Una interesante opción, y muy popular, es la cadena de bolas. La cadena de bolas es un separador que garantiza que las bolas dentro del patín no tengan contacto entre ellas, reduciendo de esta manera el ruido, desgaste y mantenimiento. Este tipo de guías son ideales para aplicaciones de velocidad y sobre todo de mucha aceleración (hasta 100 m/s2). Las diferentes opciones de recubrimiento y multitud de obturadores permiten su implementación en ambientes exigentes, como los de la industria de la alimentación. Entre sus puntos débiles, podemos destacar la necesidad de disponer de una superficie de montaje mecanizada de cierta precisión. Si no se cumple este requisito en las aplicaciones de dos guías paralelas los patines pueden provocar enclavamientos o un deslizamiento con mucha fuerza resistente. No olvidemos de que el mantenimiento es clave, una guía de bolas sin engrase no funciona bien y se produce un desgaste prematuro.

Imagen 2: Guía de recirculación de bolas. Fuente: Bosch Rexroth

1.3. Guías de recirculación de rodillos

En cuanto a las guías de rodillos los dos tipos más populares son: la guía prismática con patín y la guía de rodillos cruzados. La primera es muy usada en las aplicaciones de máquina herramienta. Gracias a su gran rigidez y gran precisión la guía de recirculación de rodillos ofrece un funcionamiento óptimo en aplicaciones de mecanizado más exigentes. La sencillez de montaje y fácil ajuste hacen esta guía la más popular en el sector de maquinaria pesada. Entre los puntos negativos de esta guía podemos hablar de necesidad de una bancada muy precisa si hemos de alinear 2 guías paralelas. Las velocidades de trabajo no pueden superar 2 m/s (véase Imagen 3/4).

Las guías de rodillos cruzados destacan por su mínimo efecto “slip stick”. La ausencia de obturadores permite tener una fuerza resistente por debajo de 1N. Para que los rodillos no tengan deslizamientos, algunos fabricantes ofrecen un sistema de cadena de rodillos que se mueve sincronizada con la guía. Este tipo de guías se utiliza en aplicaciones de poca carrera entre 0 y 300 mm y como todas las guías de rodillos requieren de una bancada con muy buena precisión. El punto negativo es el montaje, ya que necesita un ajuste muy fino de holgura mediante ajuste de uno de los lados de la guía. Un ajuste erróneo puede generar un desgaste prematuro debido a una precarga excesiva.

Imagen 3/4: Guías de recirculación de rodillos (Izquierda, Fuente: THK) y guía de rodillos cruzados (Derecha, Fuente: Schneeberger)

1.4. Guías de fricción

Posiblemente sean las guías más antiguas de la historia de la ingeniería. Hoy en día, gracias a los modernos materiales sintéticos, existe una amplia oferta de este tipo de guías a un coste muy bajo. La aplicación de este tipo de guías es muy popular en mecanismos de pocos movimientos como por ejemplo el ajuste de formato. Algunos fabricantes de este tipo de guía ofrecen soluciones para condiciones de trabajo que se complican con la suciedad, el polvo u otros agentes agresivos. Si la velocidad de movimiento es baja, este tipo de guía ofrece buenas prestaciones. Su capacidad de carga es alta y es proporcional a la superficie de contacto. En el caso de cargas grandes solo hemos de aumentar la superficie. Una de las ventajas importantes es que la guía de fricción de polímeros no necesita grasa ya que trabaja en seco. Al contrario, la presencia de grasa al puede generar problemas de desgaste prematuro. Algunas desventajas tienen que ver con la fricción: el coeficiente de fricción en la mayoría de los casos supera 0,2µ y esto obliga a sobredimensionar los accionamientos ya que una quinta parte de la fuerza se pierde por el rozamiento. Las aplicaciones de velocidades altas no se pueden realizar con las guías de fricción debido a un desgaste rápido. Las guías de este tipo normalmente tienen holgura y en el caso de que sea eliminada mediante una precarga generan más rozamiento y más desgaste (véase Imagen 5).

Imagen 5: Guías de fricción. Fuente: Igus

2. Guías lineales sin contacto, libres de desgaste y libres de mantenimiento

2.1 Rodamientos de aire

Entre todas las guías existentes este tipo de guía desde punto de vista de tribología es el más sencillo. El patín levita sobre la superficie y ofrece un coeficiente de rozamiento de 10-7. Este tipo de guía es apto para las aplicaciones dinámicas hasta 300 m/s2 de aceleración. Otro punto a destacar es la precisión. Si la superficie de la bancada es precisa y es plana en un grado alto (podemos destacar las bancadas de granito como las más adecuadas para este tipo de rodamientos) este tipo de guía ofrece una excelente precisión en movimiento. La presión del aire comprimido puede variar entre 5 y 6 bares, unas presiones disponibles en casi todas las industrias hoy en día. A esta presión el patín levita por encima de la superficie con una separación de 2-5 micras. La ventaja más importante de esta guía es que no existe ningún tipo de desgaste y, en consecuencia, no requiere de mantenimiento alguno. Esto ofrece a los fabricantes de máquina una guía capaz de aguantar las condiciones de trabajo más duras. Podemos destacar aplicaciones de carreras muy cortas en las máquinas de test, incluso movimientos de varios micrómetros, movimientos de altas frecuencias y movimientos muy dinámicos. Entre los puntos negativos podemos hablar de una exigencia elevada en cuanto a la superficie de trabajo, que ha de ser extraordinariamente plana y de baja rugosidad, (por lo que normalmente ha de ser rectificada) además de estable debido a los cambios de temperatura y con mínimas deformaciones.

Imagen 6: Guías con rodamientos de aire. Fuente: SINADRIVES

2.2. Guías hidrostáticas

Este tipo de guía es muy popular en las aplicaciones de máquina herramienta. El espacio entre la guía y el patín se rellena con una película de aceite. El conjunto parece funcionar como una guía de fricción, pero sin contacto físico. Esta tecnología exige tener una buena precisión de la superficie y un buen ajuste para asegurar un funcionamiento correcto. Son guías sin desgaste de muy alta precisión. Como desventaja principal de este tipo de guía destacamos los altos costes y una escasa oferta en el mercado. Debido al escaso uso de esta tecnología, la guía hidrostática es prácticamente desconocida para la mayoría de ingenieros y fabricantes de maquinaria (Imagen 7).

Imagen 7: Guía hidrostática. Fuente: INA Schäffler

2.3 Guías electromagnéticas

Este tipo de guías funciona por el principio de levitación magnética. Hay diferentes polos repelentes que hacen que se mantenga una separación constante entre la guía y el patín. El objeto en movimiento está en suspensión magnética. Es una guía sin desgaste. Se utiliza normalmente en ambientes de sala blanca o vacío, donde el uso de todas las demás guías está vetado. La desventaja es el precio, ya que el coste de 1 metro lineal supera ampliamente el de cualquier otro tipo de guía (Imagen 8).

Imagen 8: Guías electromagnéticas. Fuente: SINADRIVES

3. Resumen de las principales características

Mediante la tabla adjunta (Tabla 1) mostramos las principales propiedades de las guías y la comparación entre ellas:

PropiedadesGuía de rodillosGuía de bolasGuía de rodillos recircul.Guía de fricciónGuía de aireGuía hidrostáticaGuía electromag.
Rigidez++++++++
Velocidad++0++0++
Aceleración+0+++0++
Capacidad de carga+++++++++++
Precisión++0++++
Facilidad de montage++0+
Mantenimiento+00++++++
Costes++0+

Tabla 1 – Comparativa de las principales características de las guías lineales, donde – propiedad baja, 0 propiedad media, + propiedad alta, ++ propiedad excepcional

Esto es todo por hoy. Esperando que haya resultado interesante este repaso a las guías, os emplazamos a la próxima entrega.

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Os deseamos lo mejor en este 2021.

Un saludo muy cordial.

El equipo de SINADRIVES