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Preparando el terreno para un buen diseño de la máquina

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Por muy sofisticado que sea su controlador de movimiento, no podrá superar un sistema electromecánico mal diseñado.

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Los sistemas de control de movimiento constan de tres componentes principales: el mecanismo de posicionamiento, la electrónica de accionamiento del motor y el controlador de movimiento. Cada uno de estos componentes debe seleccionarse cuidadosamente, pero para obtener los mejores resultados del sistema, planifique primero el mecanismo de posicionamiento. Si el mecanismo no es capaz de cumplir los requisitos, los accionamientos y el controlador de movimiento no podrán compensar la diferencia.

El primer paso en el diseño de cualquier sistema de movimiento es describir y comprender completamente el proceso. A partir de esta descripción, haga una lista de los parámetros de rendimiento de los componentes. Esta lista incluye parámetros de primer orden, como el número de ejes, la longitud de desplazamiento de cada eje, la precisión del movimiento (incluida la resolución, la repetibilidad y la exactitud), la capacidad de carga útil y el tamaño físico de las etapas. Otros parámetros menos obvios, pero igualmente importantes, son las limitaciones o retos medioambientales, la selección de accionamientos, el funcionamiento en múltiples orientaciones, la gestión de los cables en configuraciones multieje, la planificación de la vida útil y la facilidad de integración. Un rápido repaso a estos parámetros muestra que todos están relacionados con el mecanismo de posicionamiento, por lo que una evaluación exhaustiva de estos componentes es fundamental para el éxito del proyecto.

La aplicación definirá si la etapa de posicionamiento es lineal, rotativa o incorpora una combinación de etapas en un sistema multieje. Incluso en aplicaciones de un solo eje bastante sencillas, hay que tener en cuenta muchas consideraciones. Las cargas son un aspecto vital de este perfil, ya que cuestiones como el peso de la carga útil y el desplazamiento (centro de gravedad) pueden tener un impacto dramático en los requisitos de movimiento. Hay que tener en cuenta los pesos de carga típicos y máximos, así como la distancia máxima y mínima que debe recorrer la plataforma, las velocidades de desplazamiento necesarias y la aceleración.

Es importante considerar la plataforma como una parte integral del sistema más amplio. La forma de montar la platina y la estructura de montaje, por ejemplo, tienen un impacto dramático en el rendimiento de la platina y la capacidad de cumplir con las especificaciones. Por ejemplo, en una aplicación de inspección de alta velocidad en la que las muestras oscilan rápidamente de un lado a otro bajo una cámara, una platina de posicionamiento lineal debe montarse sobre una estructura que pueda soportar el "efecto de sacudida de la pintura" de la carga en movimiento. Del mismo modo, una platina lineal de largo recorrido seleccionada para una alta precisión en la planicidad debe montarse sobre una superficie adecuadamente plana para evitar la distorsión de la platina al ajustarse a una superficie no plana.

También hay que tener en cuenta los requisitos de vida útil del sistema al definir las especificaciones de la platina. Si los requisitos cambian a lo largo de la vida útil de la máquina, es posible que el sistema quede fuera de la tolerancia de la platina de posicionamiento y puede degradar la precisión, la productividad y la fiabilidad de la máquina. Como ocurre con cualquier componente móvil, las capacidades de posicionamiento pueden cambiar con el uso prolongado. Asegúrese de que la platina está preparada para cumplir los requisitos de movimiento durante la vida útil prevista de la máquina.

Otros factores que influyen son el tamaño y las limitaciones ambientales del sistema. Tenga en cuenta las limitaciones de tamaño tanto horizontales como verticales. Los factores que pueden influir en el tamaño total del sistema son si la mecánica de accionamiento es externa o interna y cómo se gestiona el cableado. Las limitaciones ambientales pueden incluir aplicaciones de sala limpia, en las que las piezas móviles de la máquina deben generar pocas partículas, o entornos sucios, en los que las partículas ambientales pueden causar una fricción excesiva dentro de la etapa y afectar a la fiabilidad y el rendimiento. La temperatura de funcionamiento es una cuestión ambiental clave que puede afectar drásticamente al rendimiento de la platina. Un cambio de temperatura de tan sólo dos o tres grados puede provocar una expansión suficiente para cambiar la tolerancia de la platina.

Muchas aplicaciones requieren un movimiento de varios ejes. En un sistema multieje, las platinas deben apilarse para el movimiento en diferentes direcciones. Un sistema de inspección de obleas de silicio, por ejemplo, puede necesitar un movimiento lineal en X e Y, así como un movimiento rotativo en theta. En estos sistemas, es importante tener en cuenta cómo la geometría afecta a las tolerancias en el resto del sistema. Por ejemplo, con dos etapas apiladas una encima de la otra, la etapa superior puede desviarse en los extremos de su recorrido. La deflexión de la etapa superior es una función de la carga en voladizo de la etapa inferior. Esta deflexión debe tenerse en cuenta o debe considerarse una configuración diferente. El fabricante de la platina debe asegurarse de que las especificaciones de las platinas apiladas cumplen los requisitos de la aplicación.

En los sistemas de varias etapas, la gestión de los cables puede convertirse en un problema de logística y fiabilidad. Los cables suelen pasarse por alto, pero pueden afectar a la vida útil, la geometría y el rendimiento del sistema. Busque soluciones de cableado innovadoras en el fabricante de la plataforma. Estas pueden incluir la integración de los cables internamente para reducir el roce y el arrastre, o el uso de una única interfaz de cable externo en lugar de conectores de cable externos para una mayor flexibilidad.

Decidir el accionamiento del sistema es un elemento clave. Los dos tipos de accionamiento más comunes son los de husillo de bolas y los de motor lineal. Los accionamientos de husillo de bolas son baratos y fáciles de entender. Con una amortiguación natural, son fáciles de controlar y se puede añadir fácilmente un freno. Por otro lado, la fricción mecánica puede dificultar el mantenimiento de una velocidad constante. En algunas condiciones, como temperaturas o humedad extremas, el paso del husillo de bolas puede cambiar y afectar a la precisión. Si los efectos térmicos son un problema, puede ser necesario un codificador lineal o una etapa de motor lineal puede ser una mejor opción.

Las transmisiones con motor lineal constan de una pista magnética y un conjunto de bobinas. La pista magnética es normalmente estacionaria y consiste en una serie de imanes permanentes montados en un sustrato de acero. El conjunto de la bobina contiene todos los devanados de cobre y suele montarse en el carro de la etapa deslizante. Algunas etapas de motor lineal tienen los imanes permanentes en el conjunto del carro deslizante como medio de simplificar el cableado, pero la longitud del imán limita el recorrido de estos sistemas.

Los accionamientos con motor lineal suelen ser los mejores para cargas ligeras o moderadas en aplicaciones de alta velocidad, velocidad constante o largo recorrido. Los accionamientos con motor lineal tienen una capacidad de recorrido mucho mayor que los accionamientos con husillo de bolas porque no se hunden al aumentar la longitud del recorrido. Pueden proporcionar un mejor control de la velocidad, pero la electrónica de la bobina móvil y el codificador lineal hacen más compleja la gestión de los cables. Además, los grandes accionamientos lineales son más pesados y pueden resultar caros a medida que aumenta la longitud de la carrera y el tamaño del imán.

Una consideración importante a la hora de elegir un tipo de accionamiento es la capacidad de parada y la orientación de montaje. Los accionamientos con motor lineal se mueven libremente sin energía, mientras que los accionamientos con husillo de bolas tienen fricción para amortiguar el movimiento. Esto es especialmente importante en las aplicaciones en las que el accionamiento debe montarse verticalmente. Dado que una etapa con motor lineal prácticamente no tiene fricción, una pérdida de potencia dejará que el carro caiga libremente. Además, siempre hay que vencer la fuerza de la gravedad, lo que supone un gran requisito de fuerza continua para el motor. Los accionamientos de husillo de bolas son más apropiados para aplicaciones verticales, ya que los motores lineales pueden sobrecalentarse rápidamente cuando funcionan en vertical o pueden necesitar un contrapeso.

La selección de un motor también puede implicar compromisos. Los motores rotativos comunes son la opción menos costosa, pero aumentan los requisitos de espacio del sistema de accionamiento. Los motores lineales ocupan menos espacio, pero son más caros porque tienen más imanes que un motor rotativo y requieren un codificador lineal. Las etapas accionadas por husillo de bolas pueden utilizar codificadores lineales, pero los codificadores rotativos del motor y del husillo de bolas suelen funcionar igual de bien y cuestan menos. El uso de motores paso a paso o servomotores también tiene sus ventajas. Los motores paso a paso son más baratos, pero los servomotores tienen un mejor rendimiento a alta velocidad.

Una opción para una etapa accionada por husillo de bolas es un motor sin marco. Un motor sin bastidor es un motor estándar sin escobillas integrado en la platina. Los imanes del rotor están unidos directamente al eje del husillo de bolas y los devanados del estator están integrados en el extremo de la platina. Esta configuración elimina el acoplador del motor, lo que ahorra varios centímetros de espacio. La ausencia del acoplador reduce la histéresis y el enrollamiento de la conexión entre el motor y el husillo de bolas, lo que mejora el rendimiento. Los fabricantes de platós deben aportar su experiencia en motores y codificadores para ayudar a definir la mejor solución total para la aplicación.

Una vez que se entienden bien los aspectos mecánicos y eléctricos del movimiento del sistema y se seleccionan las etapas, se pueden resolver los detalles del sistema de control. Un sistema de control debe ser compatible con la electrónica del accionamiento, prestando especial atención al hecho de que no todos los accionamientos proporcionan información de retorno en sus conectores. Lo ideal es que el controlador se conecte directamente a las señales del transductor y del accionamiento sin necesidad de hardware adicional. El controlador también debe tener suficiente rendimiento para cerrar los bucles de control dentro de las tasas de datos naturales del sistema, o coordinar simultáneamente el movimiento de varios ejes de movimiento según sea necesario.