Las técnicas económicas de compensación de desalineación evitan la sobrecarga de los rodamientos y el fallo prematuro del pórtico.

Herramientas de alineación de pórtico

Cuando los fabricantes de sistemas de posicionamiento construyen un sistema de pórtico, normalmente utilizan herramientas de alineación especiales durante el proceso de ensamblaje para garantizar que cumplan con las especificaciones de fuerza, precisión y vida útil.

Los interferómetros láser se utilizan con frecuencia para alinear máquinas con una precisión del orden de micras y segundos de arco. Por ejemplo, un interferómetro láser de Renishaw ayuda a alinear la planitud, la rectitud y la escuadra de los rieles 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 móvil. Ajustar los tornillos de nivelación de los rieles o colocar cuñas debajo de los rieles lleva el riel o el escenario a la orientación deseada. La nivelación de rieles con alta precisión puede llevar días o semanas dependiendo del nivel de precisión, el tamaño y la configuración de una máquina.

Para requisitos de alineación de menor precisión, se utilizan varios componentes mecánicos, incluidos niveladores electrónicos, indicadores de cuadrante, bordes rectos y vigas paralelas. Con estos, los técnicos alinean el riel maestro con un indicador de cuadrante contra una superficie de montaje de precisión o una regla. Después de apretar un riel con la precisión requerida, se guía un deslizador mientras se aprietan los pernos del segundo riel flotante, utilizando un indicador de cuadrante o un deslizador de guía.

Independientemente del método de alineación, se debe garantizar que la desalineación residual no ejerza fuerzas sobre los rieles del escenario, lo que puede resultar en una vida corta o una falla catastrófica.

Los sistemas de pórtico, a veces denominados robots cartesianos, son sistemas de posicionamiento ideales para líneas de transferencia automatizadas. En este tipo de proceso de fabricación, un transportador continuo o indexado transfiere piezas de una estación pórtico a otra. Cada estación de pórtico a lo largo de la línea transportadora manipula una herramienta con respecto a una pieza para realizar operaciones de fabricación como mecanizado, pegado, ensamblaje, inspección, impresión o embalaje. Los pórticos se utilizan comúnmente para posicionar productos en líneas de transferencia automatizadas.

Claramente, la confiabilidad de cada máquina en una operación de línea de transferencia debe ser extremadamente alta para minimizar el tiempo de inactividad, porque el tiempo de inactividad en una máquina puede detener costosamente toda la línea de transferencia. Además, los pórticos incluyen muchos elementos críticos, como un controlador, amplificador, motor, acoplamiento, actuador (como un husillo de bolas, una correa o un motor lineal), rieles, correderas, bases, topes, codificadores y cables. La confiabilidad de todo el sistema de pórtico es la suma estadística de las confiabilidades de todos los componentes.

Para una alta confiabilidad del sistema, cada componente debe dimensionarse para garantizar que su carga durante la operación no exceda sus valores nominales. Si bien dimensionar cada componente puede ser una tarea de ingeniería sencilla, según lo recomendado por el fabricante del componente, los modos de falla de los rieles lineales son algo más complejos. Dependen, además de la capacidad de carga, el tamaño y la precisión, de su precisa orientación en el espacio.

Problemas de desalineación

Casi todos los fabricantes de carriles 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 las fallas por desalineación ferroviaria que incluyen:flacando: eliminación de material de la superficie del carril;tener puesto: resultados de una fricción excesiva;sangría: las bolas deforman los raíles; ypiezas dañadas: carriles deformados debido a la caída de bolas de las ranuras del carril.

Las causas fundamentales comunes de la desalineación de los rieles incluyen la falta de planitud, rectitud, paralelismo y coplanaridad de los rieles lineales. Estas causas podrían minimizarse o eliminarse mediante técnicas adecuadas de montaje y alineación, que, a su vez, minimizan la sobrecarga del riel. Otras causas fundamentales de fallas de los rieles lineales incluyen una lubricación insuficiente y la entrada de partículas extrañas, que pueden mitigarse mediante un sellado adecuado y una lubricación periódica. Si bien son importantes, están fuera del alcance de este artículo.

Conceptos básicos de alineación

Los rieles de pórtico generalmente incluyen rodamientos de bolas de recirculación que están precargados en sus ranuras para proporcionar una alta rigidez. La alta rigidez y la poca masa móvil son características críticas del pórtico, porque definen la frecuencia natural más baja del sistema. Se requiere una frecuencia natural alta, del orden de 150 Hz, para un ancho de banda de posición alto. Se requiere un ancho de banda de posición alto, del orden de 40 Hz, para una alta precisión dinámica. Para una alta calidad de las piezas y un alto rendimiento, respectivamente, se requiere una alta precisión dinámica, como una velocidad constante con un error de posición de unas pocas micras, o un tiempo de asentamiento bajo, del orden de unos pocos milisegundos para una ventana de asentamiento submicrónica. Estas características de rendimiento suelen ser necesarias bajo los efectos conflictivos de una alta aceleración y un movimiento suave en procesos como la inspección de PCB, la impresión por inyección de tinta y el trazado láser.

Para garantizar una alta rigidez del pórtico (del orden de 100 N/μm), los rodamientos están precargados. Sin embargo, cualquier desalineación entre los dos lados del pórtico del orden de decenas de micrones, ya sea en orientación vertical (planitud) u horizontal (rectitud), puede aumentar drásticamente la carga del soporte. Esto, a su vez, puede provocar fallos catastróficos debido a que las bolas se caigan de las ranuras del rodamiento o a profundas hendiduras en los rieles. Las deformaciones más pequeñas de los rodamientos aún pueden reducir sustancialmente su vida útil.

Para alinear rieles lineales con una precisión de decenas de micrones en recorridos largos (del orden de 1 a 3 metros) se requieren herramientas costosas, como un interferómetro láser y accesorios especiales. Es posible que estas herramientas no estén disponibles para el usuario final típico o el integrador de sistemas. Sin estas herramientas, la desalineación de los rieles puede ser la causa principal de la baja confiabilidad del sistema, los altos costos de mantenimiento, el tiempo de inactividad y la corta vida útil del sistema.

Afortunadamente, existen varias opciones de compensación de desalineación probadas en campo que pueden no requerir herramientas de alineación extensas, pero que brindan un gran valor al reducir los efectos potencialmente severos de la desalineación ferroviaria. Estos dispositivos de compensación de desalineación se convierten en partes integrales del marco del pórtico y proporcionan los grados de libertad necesarios para evitar sobrecargas de rodamientos en diversos montajes de rieles del pórtico y configuraciones de accionamiento de eje.

Cinemática de desalineación

Para comprender cómo funciona un compensador de desalineación, es necesario comprender las características cinemáticas del compensador como parte de su sistema de pórtico. A modo de ejemplo, el diagrama de pórtico 3D adjunto muestra cuatro soportes. Las bases de las etapas X.₁(enlace conectado 10) y X₂(enlace 1) se muestran exageradamente desalineados en cabeceo, guiñada y balanceo entre sí, así como en planicidad y paralelismo. Asuma la X izquierda₁El carro (9) es el maestro motorizado, y tiene una junta esférica (j) que soporta la etapa Y (4). La derecha motorizada opuesta X₂la etapa (3) tiene una junta esférica (b) y una junta deslizante lineal (c) que soportan la etapa Y. Los otros carros X (7 y 6) son rodillos y también soportan la etapa Y mediante una junta esférica y un deslizamiento lineal.

Luego, 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 sobre los carriles. Esta es una configuración indeseable para etapas Y largas y, por lo tanto, los ingenieros deben realizar cambios correctivos para permitir que la segunda etapa X se mueva independientemente de la primera etapa X.

Agregar otro grado de libertad al sistema, como para el esclavo X, significa agregar otro grado de libertad a una de las uniones. Una solución común en tales configuraciones permite que una corredera loca tenga un grado de libertad en la dirección Z, por ejemplo, entre las juntas esféricas d y la junta deslizante e.

El resultado será un soporte cinemático para la etapa Y en las uniones b, j e i, que se adapta a la orientación 3D del plano de la etapa 4 sin ninguna restricción. Sin embargo, para evitar el apoyo de la etapa 4 sólo en tres puntos de las esquinas, la práctica común es agregar algo de elasticidad en la dirección Z entre la junta d y la corredera e para soportar parte de la carga. En algunos casos, la flexibilidad del enlace 4 puede ser suficiente; en otros casos, se puede utilizar una lavadora Belleville compatible.

Diseños de compensadores

Los compensadores de desalineación integrados están diseñados para configuraciones de pórtico 2D. El diseño incluye dos placas que rodean una flexión que proporciona un grado de libertad lineal en la dirección Y.

Repasemos dos diseños de compensadores de desalineación. Una es una junta giratoria compuesta con una junta deslizante lineal, para una configuración de pórtico 3D. La segunda es una junta giratoria integrada con una junta de flexión lineal para una configuración de pórtico 2D. En la versión 2D, supongamos que los rieles del pórtico X₁y X₂son coplanares.

Diseño de juntas 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 soldado sobre cuatro correderas. Un servomotor impulsa cada etapa del pórtico en una configuración maestro-esclavo. Una correa impulsa una corredera de cada etapa y la otra corredera es una rueda guía.

Las etapas, ensambladas por el usuario final, experimentaron fallas prematuras en el cojinete de la etapa. El problema se corrigió agregando cuatro juntas esféricas estándar fácilmente disponibles montadas en cuatro guías lineales a las cuatro guías de las dos etapas lineales del pórtico. Para hacer coincidir la configuración con el pórtico discutido anteriormente, una corredera 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, lo que puede requerir cambios en la etapa Z.

Diseño de juntas integradas.Se puede utilizar un compensador de desalineación integrado en configuraciones de pórtico 2D. El diseño incluye dos placas. Una placa tiene orificios de montaje para la corredera X del pórtico y la otra placa tiene orificios de montaje para la base de la plataforma Y del eje transversal. Un cojinete en el centro conecta las dos placas.

Además, una placa incluye una flexión que proporciona un grado de libertad lineal en la dirección Y. Para utilizar el mismo componente para todas las uniones, se pueden utilizar dos pernos para "rectificar" el grado de libertad lineal de flexión y retener 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.

Finalmente, para evitar, en el caso de configuraciones de pórtico 2D, cargar la flexión en un momento de flexión alrededor del eje Y, cuatro pernos de retención absorben las cargas de momento.

Las ventajas de este diseño incluyen componentes integrados, perfil bajo, tamaño compacto y facilidad de montaje en etapas de pórtico existentes en menos de 15 minutos.