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¿Qué es la estantería en los sistemas de pórtico?

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¿Y cómo se puede evitar...

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Los pórticos se diferencian de otros tipos de sistemas multieje (como los robots cartesianos y las tablas XY) por utilizar dos ejes base (X) en paralelo, con un eje perpendicular (Y) que los conecta. Aunque esta disposición de doble eje X proporciona una huella amplia y estable y permite que los sistemas de pórtico ofrezcan una gran capacidad de carga, largos recorridos y buena rigidez, también puede dar lugar a un fenómeno que se conoce comúnmente como "racking".

Cada vez que se montan y conectan dos ejes lineales en paralelo, existe el riesgo de que los ejes no viajen en perfecta sincronización. Es decir, que durante el movimiento, uno de los ejes X puede quedar "retrasado" respecto al otro, y el eje líder intentará arrastrar a su compañero retrasado. Cuando esto sucede, el eje de conexión (Y) puede quedar sesgado, ya no es perpendicular a los dos ejes X. La condición en la que los ejes X e Y pierden ortogonalidad se conoce como cremallera y puede resultar en un atasco a medida que el sistema se mueve en la dirección X, así como en fuerzas potencialmente dañinas en los ejes X e Y.

El uso de estanterías en sistemas de pórticos puede ser causado por una variedad de factores de diseño y montaje, pero uno de los factores más influyentes es el método de accionamiento de los ejes X. Con dos ejes X en paralelo, los diseñadores tienen la opción de manejar cada eje X independientemente, o manejar un eje y tratar el otro como un eje "esclavo" o seguidor.

En aplicaciones de baja velocidad con una distancia relativamente pequeña entre los dos ejes X (carrera corta del eje Y), puede ser aceptable conducir sólo un eje X y permitir que el segundo eje X sea un seguidor, sin mecanismo de conducción. En este diseño, una preocupación clave es la rigidez de la conexión entre los ejes - en otras palabras, la rigidez del eje Y.

Dado que el eje accionado "arrastra" efectivamente al eje no accionado, si la conexión entre ellos experimenta flexión, torsión u otro comportamiento no rígido, cualquier diferencia de fricción o carga entre los dos ejes X puede llevar inmediatamente a la estantería y al atado. Y cuanto más largo sea el eje Y, menos rígido será. Por ello, la disposición "seguido-conducido" se recomienda generalmente para aplicaciones en las que la distancia entre los ejes X es inferior a un metro.

La solución de accionamiento más sofisticada consiste en utilizar un motor independiente en cada eje, con los motores sincronizados en una disposición maestro-esclavo a través del controlador. En esta disposición, sin embargo, los errores de desplazamiento de los accionamientos mecánicos tienen que estar perfectamente (o casi) adaptados - de lo contrario, las cremalleras y el atado pueden ser causados por ligeras desviaciones en la distancia que cada eje recorre por cada revolución del motor.

Para aplicaciones de pórtico de alta velocidad y precisión, los mecanismos de accionamiento preferidos suelen ser los husillos de bolas y los accionamientos de cremallera y piñón. Ambas tecnologías pueden combinarse selectivamente para proporcionar un error lineal similar en cada eje, evitando parte del apilamiento de errores que puede producirse en montajes de accionamientos no compatibles. Debido a que las transmisiones por correa y cadena tienen errores de paso que son difíciles de igualar y compensar, no se recomiendan generalmente para los sistemas de pórtico cuando los ejes X son impulsados independientemente. Por otro lado, los motores lineales son una excelente opción para los ejes paralelos en sistemas de pórtico, ya que no tienen ningún error mecánico y pueden proporcionar largas longitudes de recorrido y altas velocidades.

Otra solución - un poco de compromiso entre las dos opciones descritas anteriormente - es utilizar un motor para accionar los dos ejes X. Esto puede hacerse conectando la salida del eje motorizado a la entrada del segundo eje a través de un acoplamiento de distancia (también llamado eje de conexión). Esta configuración elimina el segundo motor (y la consiguiente sincronización que sería necesaria).

Sin embargo, la rigidez torsional del acoplamiento de distancia es importante. Si el par que se transmite entre los ejes hace que el acoplamiento experimente un "enrollamiento", todavía se pueden producir cremalleras y atascos. Esta configuración suele ser una buena opción cuando la distancia entre los ejes X es de entre uno y tres metros, con requisitos de carga y velocidad moderados.

Otro factor que puede provocar la estantería en los sistemas de pórticos es la falta de precisión de montaje y el paralelismo entre los dos ejes X. Cada vez que dos guías lineales son montadas y operadas en paralelo, requieren una cierta tolerancia en cuanto a paralelismo, planitud y rectitud para evitar la sobrecarga de los rodamientos en una o ambas guías. En los sistemas de pórtico, en los que los ejes X tienden a estar muy alejados (debido al largo recorrido en el eje Y), el montaje y el paralelismo de los ejes X se vuelve aún más crítico, y los errores angulares se amplifican a lo largo de grandes distancias.

Las diferentes tecnologías de guía requieren diferentes niveles de precisión para el paralelismo, la planitud y la rectitud. En las aplicaciones de pórtico, la mejor tecnología de guía lineal para los ejes X paralelos es típicamente la que ofrece la mayor "tolerancia" a los errores de montaje y alineación, al tiempo que proporciona la capacidad de carga y la rigidez necesarias.

Las guías de recirculación de bolas o de rodillos suelen proporcionar la mayor capacidad de carga y rigidez de todas las tecnologías de guías lineales, pero cuando se utilizan en una configuración paralela, requieren tolerancias muy precisas en cuanto a la altura de montaje y al paralelismo para evitar el atasco. Algunos fabricantes ofrecen versiones "autoalineables" de los rodamientos de bolas circulantes que son capaces de compensar algunas desalineaciones, aunque la rigidez y la capacidad de carga pueden reducirse.

Por otro lado, las ruedas guía que se desplazan sobre rieles de precisión requieren menos precisión en el montaje y la alineación que las guías de rieles perfilados. Incluso se pueden montar en superficies moderadamente imprecisas sin causar problemas de funcionamiento como el cascabeleo y el atado, incluso cuando se utilizan dos pistas en paralelo.

Aunque la alineación puede realizarse con herramientas simples como relojes comparadores y cables, las grandes longitudes que implican los sistemas de pórtico a menudo hacen que esto sea poco práctico. Además, la alineación de múltiples ejes paralelos y perpendiculares aumenta la complejidad y el tiempo y trabajo requeridos de manera exponencial.

Por ello, un interferómetro láser suele ser la mejor herramienta para asegurar la rectitud, la planitud y la ortogonalidad entre los ejes del pórtico.