Diseño de motores de máquinas expendedoras: consideraciones de ingeniería

Introducción

Máquinas expendedoras dependen de motores eléctricos para dispensar productos, aceptar pagos y realizar otras operaciones mecánicas. El diseño del motor juega un papel crucial para garantizar la confiabilidad, la eficiencia y el buen funcionamiento.

1. Criterios de selección del motor central

Parámetro	Requisito	Tipo de motor recomendado
par	0,5–5 N·m (según el producto)	Motor de engranajes CC/paso a paso
Velocidad	10 a 100 rpm	Motor de CC con engranaje
Precisión de posición	±0,1° (para dispensación en espiral)	Paso a paso/servo
Ciclo de trabajo	Intermitente (5–20 segundos/operación)	Todos (con protección contra sobrecarga)
Ruido		BLDC/paso a paso

2. Subsistemas críticos e integración de motores

A. Mecanismo dispensador en espiral

motores: Paso a paso bipolar (1,8°/paso)

Caja de cambios: 20:1 reductor planetario

controlar: Controlador de micropasos (256 micropasos/paso)

Sensación: Tope óptico para referenciado

B. Sistemas de cinta transportadora/cinta

motores: Motorreductor DC cepillado (12 V, relación 50:1)

Comentarios: Codificador de cuadratura (20 PPR)

Circuito de conducción: Puente H + control PWM

C. Dispensación basada en ascensor

Utiliza un servo o motor paso a paso para levantar y soltar productos.

Ejemplo: Máquinas expendedoras de gran capacidad.

D. Recoger y colocar con brazo robótico

Utiliza servomotores para una selección precisa de productos.

Ejemplo: Máquinas expendedoras avanzadas con múltiples tipos de productos.

3. Diseño de gestión de energía

Voltaje: 12 V/24 V CC (con respaldo de batería)

Picos actuales:

• Steppers: 1,5× manteniendo la corriente durante la aceleración

• Motores CC: 3 × protección contra corriente estática (fusibles PTC)

Funciones de ahorro de energía:

• Paso a paso: reducción automática de corriente en estado de retención

• BLDC: control vectorial sin sensores para eficiencia inactiva

4. Mejores prácticas de diseño mecánico

Material del engranaje:

• Plástico (POM): Bajo nivel de ruido, rentable

• Metal (latón/acero): para aplicaciones de alto torque (>3 N·m)

Selección de rodamientos:

• Rodamientos de bolas blindados (IP54) para entornos polvorientos

Acoplamiento del eje:

• Acoplamientos de araña flexibles para absorber la desalineación

Gestión Térmica:

• Carcasa del motor: Aletas de aluminio para refrigeración por convección

5. Arquitectura del sistema de control

[MCU (ARM Cortex-M4)]
│
├── Bus CAN → Controladores de motor (paso a paso/BLDC)
│ ├── Detección de corriente (ACS712)
│ └── Monitoreo de temperatura (NTC)
│
└── GPIO → Controladores de motores de CC (DRV8876)
└── Retroalimentación del codificador (LS7366R)

6. Análisis y mitigación del modo de falla

Modo de falla	Solución de diseño
Detección de pérdida	Monitoreo back-EMF en BLDC
Desgaste del engranaje	Engranajes de nailon rellenos de vidrio + depósito de lubricación
Caída de voltaje	Búfer de supercondensador (5 a 10 segundos)
Ingreso de contaminantes	Carcasa del motor sellada IP65

7. Cumplimiento y estándares

Seguridad: UL 1004-1 (estándar de motor)

EMC: FCC Parte 15/EN 55032 (inmunidad al ruido)

Energía: DOE Nivel VI (para unidades alimentadas por CA)

Consejos para la creación de prototipos

1. Prueba de torsión: use una celda de torsión para medir la torsión de arranque bajo carga máxima del producto.

2. Validación del ciclo de vida: Pruebas aceleradas (50k ciclos) con cámara ambiental (-10°C a 50°C).

3. Diseño de PCB:

• Separar las trazas de potencia del motor de las señales de control.

• Conexión a tierra en estrella para circuitos integrados de controladores

Conclusión

La elección del motor adecuado para una máquina expendedora depende de factores como el par, la eficiencia, la precisión del control y la durabilidad. Los motores paso a paso son ideales para una dispensación precisa, Motores de engranajes CC para movimiento general y servomotores para automatización avanzada. La selección y el mantenimiento adecuados del motor garantizan un funcionamiento suave y una vida útil más larga de la máquina.