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Consejos para elegir sistemas de posicionamiento lineal de alta precisión: Parte 1
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Los sectores de la electrónica, la óptica, la informática, la inspección, la automatización y el láser requieren diversas especificaciones de sistemas de posicionamiento.
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Ningún sistema es adecuado para todos.
Para que un sistema de posicionamiento de alta precisión funcione de forma óptima, los componentes que lo componen -cojinetes, sistema de medición de la posición, sistema de motor y accionamiento, y controlador- deben funcionar todos juntos lo mejor posible para cumplir los criterios de la aplicación.
Base y cojinete
Para decidir la configuración óptima del sistema, hay que considerar primero la parte mecánica del mismo. Para las etapas lineales, estas son las cuatro opciones de diseño de base y cojinete más comunes:
- Base y carro de aluminio con vías de rodamiento de bolas bolton.
- Base de aluminio o acero y lateral de aluminio o acero con cuatro bloques de rodamientos de rodillos recirculantes sobre raíles de acero.
- Base y guía de hierro fundido de Meehanite con guías de rodillos integradas.
- Guías de granito con deslizamiento de granito o hierro fundido y cojinetes de aire.
El aluminio es más ligero que el meehanite o el acero, pero menos rígido, menos estable, menos capaz de soportar golpes y menos resistente a la tensión. Además, el aluminio es mucho más sensible a los cambios de temperatura. El hierro fundido es un 150% más rígido que el aluminio y un 300% mejor en la amortiguación de las vibraciones. El acero es duradero y más fuerte que el hierro. Sin embargo, sufre un repiqueteo prolongado, lo que va en detrimento de los tiempos de movimiento y asentamiento rápidos.
Las guías de granito con cojinetes de aire proporcionan la combinación más rígida y duradera. El granito puede pulirse para obtener una planitud y rectitud en el rango submicrónico. El inconveniente de una mesa de granito es que, debido a la masa del granito, tiene un espacio mayor y pesa más que un sistema de posicionamiento basado en acero o hierro. Sin embargo, al no haber contacto entre los cojinetes y las superficies de guía del granito, no hay desgaste y los cojinetes de aire se autolimpian en gran medida. Además, el granito tiene excelentes características de amortiguación de vibraciones y estabilidad térmica.
Además, el diseño de la propia mesa es importante para su rendimiento general. Las mesas se presentan en una gran variedad de configuraciones, desde unidades atornilladas con muchas piezas hasta simples bases y guías de fundición. El uso de un solo material en toda la mesa suele proporcionar una respuesta más uniforme a las variaciones de temperatura, lo que da lugar a un sistema más preciso. Características como las nervaduras proporcionan una amortiguación que permite un asentamiento rápido.
Las guías integrales tienen una ventaja sobre las guías atornilladas, ya que, incluso después de mucho tiempo, no es necesario ajustar las guías para la precarga.
Los rodamientos de rodillos cruzados tienen un contacto lineal entre el rodillo y la pista de rodadura, mientras que los rodamientos de bolas tienen un contacto puntual entre la bola y la pista de rodadura. Por lo general, los rodamientos de rodillos tienen un movimiento más suave. Hay menos deformación superficial (y desgaste) en la superficie de rodadura y hay una mayor área de contacto, por lo que la carga se distribuye más uniformemente. Las cargas de hasta 4,5 a 14 kg/rodillo son estándar, junto con una alta rigidez mecánica de unos 150 a 300 Newtons/micrón. Las desventajas son la fricción inherente al contacto con la línea.
Sin embargo, la pequeña superficie de contacto que limita la fricción del rodamiento de bolas también limita su capacidad de carga. Los rodamientos de rodillos suelen tener una vida útil más larga que los rodamientos de bolas. Sin embargo, los rodamientos de rodillos son más caros.
Los tamaños estándar de las mesas de un fabricante incluyen una longitud de 25 a 1.800 mm y una anchura de deslizamiento de 100 a 600 mm.
Una configuración de cojinetes de aire consiste en cojinetes de elevación y guía precargados por cojinetes de aire opuestos o por imanes de tierras raras de alta fuerza incrustados en los miembros de guía. Este diseño sin contacto evita la fricción de otros diseños de cojinetes. Además, los cojinetes de aire no sufren desgaste mecánico. Además, los cojinetes de aire pueden estar muy separados entre sí. Así, los errores geométricos resultantes se promedian, produciendo desviaciones angulares de menos de 1 segundo de arco y una rectitud mejor de 0,25 micras en 200 mm.
Los valores numéricos son difíciles de proporcionar, ya que dependen de muchos factores. Por ejemplo, la precisión del posicionamiento no sólo depende de los rodamientos o las guías, sino también del sistema de medición de la posición y del controlador. La fricción en un sistema de posicionamiento no sólo depende del sistema de accionamiento elegido, sino también del ajuste de los rodamientos, el sellado de la mesa, la lubricación, etc. Por tanto, los valores exactos que se pueden alcanzar dependen en gran medida de la combinación de todos los componentes, que a su vez depende de la aplicación.
Sistema de accionamiento
De los muchos tipos de sistemas de accionamiento -correa, piñón y cremallera, husillo, husillo de bolas de precisión y motor lineal- sólo los dos últimos se consideran para la mayoría de los sistemas de posicionamiento de alta precisión.
Los accionamientos de husillo de bolas presentan una amplia gama de características de resolución, precisión y rigidez, y pueden proporcionar altas velocidades (superiores a 250 mm/seg). Sin embargo, dado que el accionamiento de husillo de bolas está limitado por la velocidad de giro crítica del husillo, una mayor velocidad requiere un paso inferior, con menos ventaja mecánica y un motor de mayor potencia. Esto suele implicar el cambio a un accionamiento de motor de mayor potencia con una tensión de bus más alta. Los accionamientos de husillo de bolas, aunque son muy utilizados, también pueden sufrir holguras mecánicas, bobinas, errores cíclicos de paso y fricción. También se pasa por alto la rigidez del acoplamiento mecánico que une el motor y el accionamiento.
Con el servomotor lineal, la fuerza electromagnética se acopla directamente a la masa en movimiento sin ninguna conexión mecánica. No hay histéresis mecánica ni error cíclico de paso. La precisión depende totalmente del sistema de rodamientos y del sistema de control de retroalimentación.
La rigidez dinámica indica lo bien que un servosistema mantiene la posición en respuesta a una carga de impulso. En general, un mayor ancho de banda y una mayor ganancia proporcionan una mayor rigidez dinámica. Esto se puede cuantificar dividiendo la carga de impulso medida por la distancia de desviación:
Rigidez dinámica = ΔF/ΔX
La elevada rigidez y la alta frecuencia natural dan como resultado un excelente comportamiento del servo con cortos tiempos de asentamiento. El carro reacciona rápidamente a los cambios en las órdenes de posición, ya que no hay ninguna conexión mecánica entre el motor y el carro. Además, al no haber "anillos" de husillos de bolas, se pueden conseguir tiempos de movimiento y asentamiento rápidos.
Un motor lineal sin escobillas consta de un conjunto de imanes permanentes fijado a la base de la máquina y un conjunto de bobinas fijado al carro. Entre el conjunto de la bobina y los imanes se mantiene una separación de unos 0,5 mm. No hay contacto físico entre los dos conjuntos.
El núcleo del conjunto de la bobina móvil alberga una serie de bobinas de cobre superpuestas y aisladas. Estas bobinas están bobinadas con precisión y están ajustadas para un funcionamiento trifásico. Para la conmutación electrónica se utiliza una serie de sensores de efecto Hall. El diseño de la electrónica de conmutación proporciona un movimiento con una ondulación de fuerza insignificante. Como la conmutación es electrónica y no mecánica, se eliminan los arcos de conmutación.
Estas propiedades hacen que un servomotor lineal sea útil en aplicaciones que requieren una alta aceleración (por ejemplo, 2,5 m/seg2 o más), una alta velocidad (por ejemplo, 2 m/seg) o un control preciso de la velocidad, incluso con una velocidad muy baja (por ejemplo, sólo unos pocos mm/seg). Además, un motor de este tipo no necesita lubricación ni ningún otro tipo de mantenimiento y no sufre desgaste. Al igual que con cualquier otro motor, debido a la disipación del calor, el valor eficaz de la fuerza o la corriente continua no debe superar los valores permitidos durante largos periodos.
Se pueden obtener servomotores lineales con fuerzas de accionamiento continuas de 25 a más de 5.000 N. La mayoría de los motores más grandes tienen refrigeración por aire o agua. Se pueden conectar varios motores lineales en paralelo o en serie para obtener fuerzas de accionamiento mayores.
Dado que no existe una conexión mecánica entre el motor y el carro, no hay una reducción mecánica como la que se produce con un husillo de bolas. La carga se transfiere en una proporción 1:1 al motor. Con un accionamiento por husillo de bolas, la inercia de la carga en el carro hacia el motor se reduce en el cuadrado de la relación de reducción. Esto hace que el accionamiento del motor lineal sea menos adecuado para aplicaciones con cambios frecuentes de carga, a menos que elija un controlador que pueda programar con diferentes conjuntos de parámetros de control del motor correspondientes a diferentes cargas para obtener una compensación eficaz del servo.
Para muchas aplicaciones verticales, un husillo de bolas es más fácil y rentable, ya que el motor lineal debe recibir energía continuamente para compensar la gravedad. Además, un freno electromecánico puede bloquear la posición de la mesa cuando la alimentación está desconectada. Sin embargo, puede utilizar un motor lineal si compensa el peso del motor y de la carga con un muelle, un contrapeso o un cilindro de aire.
En cuanto al coste inicial, hay poca diferencia entre un accionamiento por motor lineal y un accionamiento por husillo de bolas que incluye el motor, los acoplamientos, los rodamientos, los bloques de rodamientos y el husillo de bolas. En general, un motor lineal de escobillas es ligeramente más barato que un accionamiento de husillo de bolas, y las versiones sin escobillas suelen ser algo más caras.
Hay que tener en cuenta algo más que el coste inicial. Una comparación más realista incluye el mantenimiento, la fiabilidad, la durabilidad y los costes de sustitución, incluida la mano de obra. En este caso, el motor lineal sale bien parado.
La segunda parte tratará de los sistemas de medición de posición.