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Consejos para elegir sistemas de posicionamiento lineal de alta precisión: Parte 2
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Ningún sistema es adecuado para todos.
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Los componentes que conforman su sistema de posicionamiento de alta precisión -base y rodamientos, sistema de medición de posición, sistema de motor y accionamiento, y controlador- deben funcionar juntos lo mejor posible. En la primera parte, tratamos la base del sistema y los rodamientos. En esta parte, tratamos la medición de la posición. La tercera parte tratará sobre el diseño de la plataforma, el accionamiento y el codificador, el amplificador de accionamiento y los controladores.
Sistema de medición de la posición
En general, se pueden clasificar los controladores como "de bucle abierto" o "de bucle cerrado" Con los controladores de bucle abierto (generalmente utilizados con motores paso a paso) cada impulso que emite el controlador provoca un determinado desplazamiento del carro. Sin embargo, no existe ningún medio para determinar la magnitud del desplazamiento. Por ejemplo, pueden haberse emitido 500 impulsos, pero debido a la adherencia, la tolerancia del husillo, la histéresis, los errores de bobinado, etc., la mesa puede haberse desplazado sólo durante 498 impulsos. Una desventaja importante es que no se produce ninguna corrección del error de posicionamiento.
En un sistema de bucle cerrado, o servosistema, un codificador de posición proporciona información al controlador. El controlador continúa enviando señales de control del motor hasta que se alcanza la posición exacta deseada del carro.
En la ilustración superior, un carro sin retroalimentación de posición, seguido de los tres métodos habituales para medir la posición del carro:
- Codificador de posición montado en el motor o en el eje del husillo.
- Codificador lineal montado en el carro.
- Interferómetro láser con espejos montado en el carro.
En el primer método, la posición del carro se mide indirectamente: el codificador de posición se monta en el eje del motor. La tolerancia, el desgaste y la conformidad de los componentes mecánicos entre el carro y el codificador de posición provocan desviaciones entre las posiciones deseadas y las reales del carro. En combinación con el husillo de bolas, la precisión del carro está limitada, en el mejor de los casos, por la precisión del husillo de bolas. Las precisiones típicas son de ±5 a ±10 mm/300 mm de recorrido.
La mayoría de los sistemas de medición lineal constan de una escala de vidrio de precisión y un cabezal de medición fotoeléctrico. La escala o el cabezal se fijan directamente al carro móvil y miden la posición del carro directamente. Tampoco se introducen errores por imprecisiones del husillo de bolas. Las precisiones típicas de la propia escala son de ±1 a ±5 mm/m. Esta es también la precisión del propio carro en la ubicación del cabezal de medición.
La carga de la platina (cuya precisión de posición es lo que realmente nos interesa) está siempre a cierta distancia de la escala de medición, medida en una dirección perpendicular a la dirección del movimiento, porque la mayoría de los codificadores están situados debajo de la platina, pero la carga está encima. Esto es aún más pronunciado con las etapas apiladas. Durante un movimiento, si el carro se inclina un poco debido a desviaciones en la rectitud de las vías de rodamiento, errores de inversión, etc., se crea una desviación relativa a la posición de la carga frente al codificador.
Un pequeño error angular con un gran desplazamiento, como el que se encuentra en las etapas XY apiladas, puede llevar a multiplicar la inexactitud de la escala. En otras palabras, una escala de medición proporciona información de posición correcta sólo en el lugar donde se acopla el cabezal de medición.
Una etapa de movimiento con características de precisión de balanceo, por ejemplo, muestra errores angulares típicos de alrededor de ±5 segundos de arco. (1 arco-segundo = 1/3.600 grados o aproximadamente 5 μrad.) Para una distancia de 100 mm entre la carga y la escala, esto se traduce en un error de posicionamiento de ±2,5 mm
Para aplicaciones extremadamente precisas, el sistema de retroalimentación de posicionamiento por interferómetro láser con espejos planos es la mejor opción. La longitud de onda de un láser de helio y neón, 632,8 nm, sirve de patrón. Un nanómetro es 1 × 10-9 metros. Es posible una precisión de aproximadamente ±0,1 mm/m para una fuente láser estabilizada, con una resolución de hasta λ/1,024 o 0,617 μm. Lambda (λ) es la longitud de onda de la luz.
Una ventaja principal es que los espejos pueden estar en el lugar de la carga; es decir, donde la precisión es realmente importante. Se eliminan los errores de abatimiento. La planitud de los espejos, normalmente en el rango submicrónico, determina la linealidad con la que se mueve el carro.
Además, como el movimiento de una platina XY está referenciado a un punto fijo fuera del plano de movimiento, la retroalimentación compensa automáticamente cualquier desajuste del sistema XY, porque mantiene el carro a una distancia fija.
La longitud de onda de la luz en el aire depende de la velocidad de la luz en el aire, que es una función de la temperatura del aire, la presión y la humedad relativa, entre otras cosas. Cuando se utiliza una escala de medición, un cambio de temperatura provoca errores de medición debido a la expansión del material de la escala. Los coeficientes de dilatación típicos de las escalas de vidrio y acero son de 8 y 10 mm/m por grado K. Con un interferómetro láser, donde no se puede mantener un entorno estable, se pueden corregir los cambios atmosféricos con componentes de compensación automática opcionales.