Las técnicas económicas de compensación de desalineación evitan la sobrecarga de los cojinetes y la falla prematura del pórtico.

Herramientas de alineación de pórticos

Cuando los fabricantes de sistemas de posicionamiento construyen un sistema de pórtico, suelen utilizar herramientas de alineación especiales durante el proceso de montaje 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 perpendicularidad de los rieles del pórtico.

Otras herramientas, como los láseres de alineación de Hamar, utilizan haces láser giratorios como planos de referencia de precisión en el espacio, con sensores colocados en la corredera móvil. Ajustando los tornillos de nivelación de los rieles o colocando calzas debajo de ellos, se logra la orientación deseada del riel o la plataforma. La nivelación de rieles con alta precisión puede llevar días o semanas, dependiendo del nivel de precisión, el tamaño y la configuración de la máquina.

Para requisitos de alineación menos precisos, se utilizan diversos componentes mecánicos, como niveladores electrónicos, comparadores de cuadrante, reglas y vigas paralelas. Con estos, los técnicos alinean el riel maestro con un comparador de cuadrante contra una superficie de montaje de precisión o una regla. Una vez que un riel se ha ajustado con la precisión requerida, se guía una corredera mientras se aprietan los pernos del segundo riel flotante, utilizando un comparador de cuadrante o una corredera guía.

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

Los sistemas de pórtico, también conocidos como robots cartesianos, son sistemas de posicionamiento ideales para líneas de transferencia automatizadas. En este tipo de proceso de fabricación, una cinta transportadora continua o indexada traslada 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 mecanizado, pegado, ensamblaje, inspección, impresión o embalaje. Los pórticos se utilizan habitualmente para posicionar productos en líneas de transferencia automatizadas.

Es evidente que la fiabilidad de cada máquina en una línea de transferencia debe ser extremadamente alta para minimizar el tiempo de inactividad, ya que la parada de una sola máquina puede provocar el costoso cierre de toda la línea. Además, los pórticos incluyen numerosos elementos críticos, como un controlador, un amplificador, un motor, un acoplamiento, un actuador (como un husillo de bolas, una correa o un motor lineal), rieles, una corredera, una base, topes, un codificador y cables. La fiabilidad de todo el sistema del pórtico es la suma estadística de la fiabilidad de todos sus componentes.

Para garantizar una alta fiabilidad del sistema, cada componente debe dimensionarse de forma que su carga durante el funcionamiento no supere sus valores nominales. Si bien dimensionar cada componente puede ser una tarea de ingeniería sencilla, según las recomendaciones del fabricante, los modos de fallo de los rieles lineales son algo más complejos. Estos 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 coinciden en que la desalineación provoca problemas. De todos los factores que contribuyen a la falla prematura de los rodamientos lineales, la desalineación se encuentra entre los principales.

Se clasifican como fallas de desalineación de rieles las que incluyen:flago: eliminación de material de la superficie del riel;tener puesto: resultados de una fricción excesiva;sangría: las bolas deforman los rieles; ypiezas dañadas: Rieles deformados debido a que las bolas se salen de las ranuras de los rieles.

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

Conceptos básicos de alineación

Los rieles del pórtico suelen incluir rodamientos de bolas recirculantes precargados en sus ranuras de rodadura para proporcionar una alta rigidez. La alta rigidez y la baja masa móvil son características críticas del pórtico, ya que definen la frecuencia natural más baja del sistema. Se requiere una alta frecuencia natural, del orden de 150 Hz, para un ancho de banda de posición elevado. Un ancho de banda de posición elevado, del orden de 40 Hz, es necesario para una alta precisión dinámica. Una alta precisión dinámica, como una velocidad constante con un error de posición de unas pocas micras, o un tiempo de estabilización bajo, del orden de unos pocos milisegundos a una ventana de estabilización 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 contrapuestos de la alta aceleración y el movimiento suave en procesos como la inspección de PCB, la impresión por inyección de tinta y el grabado láser.

Para garantizar una alta rigidez del pórtico (del orden de 100 N/µm), los rodamientos se precargan. Sin embargo, cualquier desalineación entre los dos lados del pórtico, del orden de decenas de micras, ya sea en orientación vertical (planitud) u horizontal (rectitud), puede aumentar drásticamente la carga sobre los rodamientos. Esto, a su vez, puede provocar una falla catastrófica debido a que las bolas se salgan de las ranuras de los rodamientos o a que se produzcan hendiduras profundas en los rieles. Incluso deformaciones menores pueden reducir sustancialmente la vida útil de los rodamientos.

Para alinear guías lineales con una precisión de decenas de micras en recorridos largos (del orden de 1 a 3 metros) se requieren herramientas costosas como un interferómetro láser y dispositivos de fijación especiales. Estas herramientas pueden no estar fácilmente disponibles para el usuario final o el integrador de sistemas típico. Sin ellas, la desalineación de las guías puede ser la causa principal de la baja fiabilidad del sistema, los altos costos de mantenimiento, los tiempos de inactividad y la corta vida útil del sistema.

Afortunadamente, existen diversas opciones de compensación de desalineación de eficacia probada que no requieren herramientas de alineación complejas y que, a su vez, ofrecen un gran valor al reducir los efectos potencialmente adversos de la desalineación de los rieles. Estos dispositivos de compensación de desalineación se integran en la estructura del pórtico y proporcionan los grados de libertad necesarios para evitar sobrecargas en los rodamientos en diversas configuraciones de montaje de rieles y accionamiento de ejes.

Cinemática de la desalineación

Para comprender cómo funciona un compensador de desalineación, es necesario 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(enlace conectado 10) y X₂(enlace 1) se muestran exageradamente desalineados en cabeceo, guiñada y balanceo entre sí, así como en planitud y paralelismo. Suponga que la X izquierda₁El carro (9) es el maestro motorizado y tiene una articulación esférica (j) que soporta la etapa Y (4). El eje X derecho motorizado opuesto₂La etapa (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 rodillos tensores y también soportan la etapa Y mediante una articulación esférica y una articulación de deslizamiento lineal.

Al contar el número total de grados de libertad y restar el número total de restricciones, el resultado es 1 grado de libertad. Esto significa que solo el eje X principal puede moverse de forma independiente y todos los demás eslabones lo seguirán. En este caso, si otro motor independiente acciona el otro eje X, podría producirse una carga excesiva en los rieles. Esta configuración no es deseable para etapas Y largas y, por lo tanto, los ingenieros deben realizar modificaciones correctivas para que la segunda etapa X se mueva independientemente de la primera.

Agregar un grado de libertad al sistema, como en el caso del eje X, implica agregar un grado de libertad a una de las articulaciones. Una solución común en estas configuraciones permite que una de las guías tenga un grado de libertad en la dirección Z, por ejemplo, entre las articulaciones esféricas d y la articulación deslizante e.

El resultado será un soporte cinemático para la etapa Y en las articulaciones b, j e i, que se adapta a la orientación 3D del plano de la etapa 4 sin restricciones. Sin embargo, para evitar que la etapa 4 se apoye únicamente en tres puntos de esquina, se suele añadir cierta flexibilidad en la dirección Z entre la articulación d y el deslizador e para absorber parte de la carga. En algunos casos, la flexibilidad del eslabón 4 puede ser suficiente; en otros, se puede utilizar una arandela Belleville flexible.

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.

Analicemos dos diseños de compensadores de desalineación. Uno es una articulación de revolución compuesta con una articulación deslizante lineal, para una configuración de pórtico 3D. El segundo es una articulación de revolución integrada con una articulación 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.Consideremos una aplicación de pórtico en un proceso de fabricación de latas. El pórtico utiliza dos etapas accionadas por correa que soportan una robusta estructura soldada sobre cuatro guías. Un servomotor acciona cada etapa del pórtico en una configuración maestro-esclavo. Una correa acciona una guía de cada etapa, mientras que la otra es una guía auxiliar.

Las etapas, ensambladas por el usuario final, sufrieron fallas prematuras en los cojinetes. El problema se solucionó añadiendo cuatro rótulas esféricas estándar, fácilmente disponibles, montadas sobre cuatro guías lineales a las cuatro guías de las dos etapas lineales del pórtico. Para que la configuración coincidiera con la del pórtico descrito anteriormente, una de las guías se fijó con una placa de bloqueo. El rediseño resolvió completamente el problema.

Sin embargo, la desventaja de utilizar dicho compensador es un aumento sustancial de la altura, lo que puede requerir cambios en la etapa Z.

Diseño de juntas integradas.En configuraciones de pórtico 2D, se puede utilizar un compensador de desalineación integrado. El diseño incluye dos placas: una con orificios de montaje para la corredera X del pórtico y otra con orificios de montaje para la base de la plataforma Y del eje transversal. Un cojinete central conecta ambas 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 en todas las uniones, se pueden usar dos pernos para fijar el grado de libertad lineal de la flexión y conservar únicamente la libertad de movimiento rotacional entre las dos placas. La flexión está diseñada para operar con una deflexión máxima inferior al límite de fatiga.

Finalmente, para evitar que, en el caso de configuraciones de pórtico 2D, la flexión se vea sometida a un momento flector 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 plataformas de pórtico existentes en menos de 15 minutos.