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#Tendencias de productos
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Mantener los pórticos en el camino recto
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Las técnicas económicas de compensación de desalineación evitan la sobrecarga de los rodamientos y el fallo prematuro del pórtico.
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Herramientas de alineación de pórticos
Cuando los fabricantes de sistemas de posicionamiento construyen un sistema de pórtico, suelen utilizar herramientas especiales de alineación durante el proceso de ensamblaje para garantizar que cumplen las especificaciones de fuerza, precisión y vida útil.
Los interferómetros láser se utilizan con frecuencia para alinear las máquinas con una precisión del orden de las micras y los segundos de arco. Por ejemplo, un interferómetro láser de Renishaw ayuda a alinear la planitud, la rectitud y la cuadratura de los raíles del pórtico.
Otras herramientas, como los láseres de alineación de Hamar, utilizan rayos láser giratorios como planos de referencia de precisión en el espacio con sensores colocados en el carro en movimiento. El ajuste de los tornillos de nivelación de los raíles, o el calce debajo de los mismos, hace que el raíl o la platina alcancen la orientación deseada. La nivelación de los carriles con gran precisión puede llevar días o semanas en función del nivel de precisión, el tamaño y la configuración de una máquina.
Para los requisitos de alineación de menor precisión, se utilizan diversos componentes mecánicos, como niveladores electrónicos, relojes comparadores, bordes rectos y vigas paralelas. Con ellos, los técnicos alinean el raíl maestro con un indicador de cuadrante contra una superficie de montaje de precisión o una arista recta. Después de apretar un raíl con la precisión requerida, se guía un carro mientras se aprietan los tornillos del segundo raíl flotante, utilizando un reloj comparador o un carro guía.
Independientemente del método de alineación, se debe garantizar que la desalineación residual no ejerza fuerzas sobre los carriles de la platina, lo que puede provocar una vida útil corta o un fallo catastrófico.
Los sistemas de pórtico, a veces denominados robots cartesianos, son sistemas de posicionamiento ideales para las líneas de transferencia automatizadas. En este tipo de proceso de fabricación, un transportador continuo o indexado transfiere las piezas de una estación de pórtico a otra. Cada estación de pórtico a lo largo de la línea de transporte manipula una herramienta con respecto a una pieza para realizar operaciones de fabricación como el mecanizado, el pegado, el montaje, la inspección, la impresión o el embalaje.Los pórticos se utilizan habitualmente para posicionar productos en líneas de transferencia automatizadas.
Está claro que la fiabilidad de cada máquina en una operación de línea de transferencia debe ser extremadamente alta para minimizar el tiempo de inactividad, ya que el tiempo de inactividad de una máquina puede hacer que toda la línea de transferencia se detenga de forma costosa. Además, los pórticos incluyen muchos elementos críticos, como un controlador, un amplificador, un motor, un acoplamiento, un actuador (como un husillo de bolas, una correa o un motor lineal), raíles, carro, base, topes, codificador y cables. La fiabilidad de todo el sistema de pórtico es la suma estadística de las fiabilidades de todos los componentes.
Para obtener una alta fiabilidad del sistema, cada componente debe ser dimensionado para garantizar que su carga durante el funcionamiento no supere sus valores nominales. Mientras que el dimensionamiento de cada componente puede ser una tarea de ingeniería sencilla, según lo recomendado por el fabricante del componente, los modos de fallo del raíl lineal son algo más complejos. Dependen, además de la capacidad de carga, el tamaño y la precisión, de su orientación precisa en el espacio.
Problemas de desalineación
Casi todos los fabricantes de guías lineales están de acuerdo en que la desalineación genera problemas. De todos los factores que contribuyen al fallo prematuro de los rodamientos lineales, la desalineación ocupa el primer lugar de la lista.
Se clasifican los fallos de desalineación de los raíles como: descascarillado: desprendimiento de material de la superficie del raíl; desgaste: resultado de una fricción excesiva; hendidura: las bolas deforman los raíles; y piezas dañadas: raíles deformados debido a la caída de las bolas de las ranuras de los raíles.
Las causas más comunes de la desalineación de los raíles son la falta de planitud, rectitud, paralelismo y coplanaridad de los raíles lineales. Estas causas pueden minimizarse o eliminarse mediante técnicas adecuadas de montaje y alineación que, a su vez, minimizan la sobrecarga de los raíles. Otras causas fundamentales de los fallos de los raíles lineales son la lubricación insuficiente y la entrada de partículas extrañas, que pueden mitigarse mediante un sellado adecuado y una lubricación periódica. Aunque son importantes, están fuera del alcance de este artículo.
Conceptos básicos de alineación
Los raíles de pórtico suelen incluir rodamientos de bolas de recirculación que están precargados en sus ranuras de funcionamiento para proporcionar una gran rigidez. La alta rigidez y la baja masa móvil son características críticas del pórtico, porque definen la frecuencia natural más baja del sistema. Una frecuencia natural elevada, del orden de 150 Hz, es necesaria para un gran ancho de banda de posición. Se requiere un alto ancho de banda de posición, del orden de 40 Hz, para una alta precisión dinámica. Una alta precisión dinámica, como una velocidad constante con un error de posición de unas pocas micras, o un bajo tiempo de asentamiento, del orden de unos pocos milisegundos a una ventana de asentamiento submicrométrica, son necesarios para una alta calidad de las piezas y un alto rendimiento, respectivamente. Estas características de rendimiento suelen ser necesarias bajo los efectos contradictorios de una alta aceleración y un movimiento suave en procesos como la inspección de placas de circuito impreso, la impresión por chorro de tinta y el trazado láser.
Para garantizar una alta rigidez del pórtico -del orden de 100 N/µm- se precargan los rodamientos. Sin embargo, cualquier desalineación entre los dos lados del pórtico del orden de 10 micras, ya sea en orientación vertical (planitud) u horizontal (rectitud), puede aumentar drásticamente la carga de los rodamientos. Esto, a su vez, puede provocar un fallo catastrófico debido a que las bolas se salgan de las ranuras del rodamiento o a que se produzcan hendiduras profundas en los raíles. Las deformaciones menores de los rodamientos pueden reducir sustancialmente su vida útil.
Para alinear los raíles lineales con una precisión de 10 micras en largos recorridos (del orden de 1 a 3 metros) se necesitan herramientas costosas, como un interferómetro láser y dispositivos especiales. Estas herramientas pueden no estar al alcance del usuario final o del integrador de sistemas. Sin estas herramientas, la desalineación de los raíles puede ser la causa principal de la baja fiabilidad del sistema, los altos costes de mantenimiento, los tiempos de inactividad y la corta vida útil del sistema.
Afortunadamente, existen varias opciones de compensación de desalineación probadas en campo que pueden no requerir extensas herramientas de alineación, pero que proporcionan un alto valor al reducir los efectos potencialmente duros de la desalineación de los carriles. Estos dispositivos de compensación de desalineación se convierten en partes integrales del bastidor del pórtico y proporcionan los grados de libertad necesarios para evitar las sobrecargas de los rodamientos en varios montajes de rieles de pórtico y configuraciones de accionamiento de ejes.
Cinemática de la desalineación
Para entender cómo funciona un compensador de desalineación, hay que comprender las características cinemáticas del compensador como parte de su sistema de pórtico. Como ejemplo, el diagrama de pórtico 3D adjunto muestra cuatro soportes. Las bases de las etapas X1 (eslabón conectado 10) y X2 (eslabón 1) se muestran exageradamente desalineadas en cabeceo, guiñada y balanceo con respecto a las demás, así como en planitud y paralelismo. Supongamos que el carro X1 izquierdo (9) es el maestro motorizado, y tiene una articulación esférica (j) que soporta la etapa Y (4). La etapa X2 derecha motorizada opuesta (3) tiene una articulación esférica (b) y una articulación de deslizamiento lineal (c) que soportan la etapa Y. Los otros carros X (7 y 6) son de rodillos y también soportan la etapa Y mediante una articulación esférica y una corredera lineal.
Contando el número total de grados de libertad y restando el número total de restricciones, el resultado es 1 grado de libertad. Esto significa que sólo el eje X maestro puede moverse de forma independiente y todos los demás enlaces lo seguirán. En este caso, si otro motor independiente acciona el otro X, puede producirse una carga excesiva en los raíles. Esta es una configuración indeseable para las etapas Y largas y, por lo tanto, los ingenieros deben hacer cambios correctivos para dejar que la segunda etapa X se mueva independientemente de la primera etapa X.
Añadir otro grado de libertad al sistema, como para el esclavo X, significa añadir otro grado de libertad a una de las articulaciones. Un arreglo común en este tipo de configuraciones permite que una corredera tenga un grado de libertad en la dirección Z, por ejemplo, entre las articulaciones esféricas d y la articulación de la corredera e.
El resultado será un montaje cinemático para la etapa Y en las articulaciones b, j, e i, acomodando la orientación 3D del plano de la etapa 4 sin ninguna restricción. Sin embargo, para evitar el apoyo de la etapa 4 en sólo tres puntos de esquina, la práctica común es añadir alguna conformidad en la dirección Z entre la articulación d y el deslizamiento e para tomar parte de la carga. En algunos casos, la flexibilidad de la articulación 4 puede ser suficiente; en otros casos, se puede utilizar una arandela Belleville flexible.
Diseños de compensadores
Los compensadores de desalineación integrados están pensados para configuraciones de pórtico en 2D. El diseño incluye dos placas que rodean una flexión que proporciona un grado de libertad lineal en la dirección Y.
Vamos a revisar dos diseños de compensadores de desalineación. Uno es una junta revoluta compuesta con una junta deslizante lineal, para una configuración de pórtico en 3D. El segundo es una junta revoluta integrada con una junta de flexión lineal para una configuración de pórtico en 2D. En la versión 2D, se supone que los raíles del pórtico X1 y X2 son coplanares.
Diseño de articulaciones compuestas. Considere una aplicación de pórtico en un proceso de fabricación de latas. El pórtico utiliza dos etapas accionadas por correa que soportan un robusto marco de soldadura sobre cuatro guías. Un servomotor acciona cada etapa del pórtico en una configuración maestro-esclavo. Una correa acciona un carro de cada etapa, y el otro carro es un rodillo.
Las etapas, montadas por el usuario final, experimentaron un fallo prematuro en el cojinete de la etapa. El problema se corrigió añadiendo a las cuatro guías de las dos etapas lineales de pórtico cuatro articulaciones esféricas estándar fácilmente disponibles montadas en cuatro guías lineales. Para que la configuración coincidiera con la del pórtico anteriormente comentado, una de las guías se "conectó a tierra" con una placa de bloqueo. El rediseño resolvió completamente el problema.
Sin embargo, la desventaja de utilizar un compensador de este tipo es un aumento sustancial de la altura, que puede requerir cambios en la etapa Z.
Diseño de articulaciones integradas. Un compensador de desalineación integrado puede utilizarse en configuraciones de pórtico 2D. El diseño incluye dos placas. Una placa tiene agujeros de montaje en el carro X del pórtico y la otra placa tiene agujeros de montaje en la base de la platina Y de eje transversal. Un cojinete en el centro conecta las dos placas.
Además, una de las placas incluye una flexión que proporciona un grado de libertad lineal en la dirección Y. Para utilizar el mismo componente para todas las articulaciones, se pueden utilizar dos pernos para "aterrizar" el grado de libertad lineal de la flexión y conservar sólo la libertad de movimiento rotacional entre las dos placas. La flexión está diseñada para funcionar con una deflexión máxima por debajo del límite de fatiga.
Por último, para evitar, en el caso de las configuraciones de pórtico en 2D, que se cargue la flexión en un momento de flexión en torno al eje Y, cuatro pernos de retención asumen las cargas de momento.
Las ventajas de este diseño son los componentes integrados, el bajo perfil, el tamaño compacto y la facilidad de montaje en las etapas de pórtico existentes en menos de 15 minutos.