Las técnicas económicas de compensación de desalineación previenen la sobrecarga de los cojinetes 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 frecuentemente para alinear máquinas con precisión de micras y segundos de arco. Por ejemplo, un interferómetro láser de Renishaw ayuda a alinear la planitud, rectitud y perpendicularidad 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 ubicados en la corredera móvil. Ajustar los tornillos de nivelación de los rieles o colocar calzas debajo de ellos permite orientar el riel o la platina a la posición deseada. Nivelar los rieles con alta precisión puede tardar días o semanas, dependiendo del nivel de precisión, el tamaño y la configuración de la máquina.

Para requisitos de alineación de menor precisión, se utilizan diversos componentes mecánicos, como niveladores electrónicos, relojes comparadores, reglas y vigas paralelas. Con estos, los técnicos alinean el riel maestro con un reloj comparador contra una superficie de montaje de precisión o una regla. Tras apretar un riel con la precisión requerida, se guía una corredera mientras se aprietan los pernos del segundo riel flotante, utilizando un reloj comparador o una corredera guía.

Independientemente del método de alineación, se debe garantizar que la desalineación residual no ejerza fuerzas sobre los rieles del escenario, lo que puede provocar una vida útil 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 de indexación transfiere piezas de una estación de 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, encolado, ensamblaje, inspección, impresión o empaquetado. Los pórticos se utilizan comúnmente 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 inactividad de una máquina puede provocar una costosa parada de toda la línea de transferencia. 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 de pórtico es la suma estadística de la fiabilidad de todos los componentes.

Para una alta confiabilidad del sistema, cada componente debe dimensionarse para garantizar que su carga durante el funcionamiento no supere sus valores nominales. Si bien el dimensionamiento de cada componente puede ser una tarea de ingeniería sencilla, según lo recomendado por el fabricante, 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 orientación precisa en el espacio.

Problemas de desalineación

Casi todos los fabricantes de rieles lineales coinciden en que la desalineación causa problemas. De todos los factores que contribuyen al fallo prematuro de los rodamientos lineales, la desalineación ocupa uno de los primeros lugares.

Se clasifican como fallas por desalineación ferroviaria las siguientes:flaking:retirada 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 caen de las ranuras del riel.

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

Conceptos básicos de alineación

Los rieles de pórtico suelen incluir rodamientos de bolas recirculantes precargados en sus ranuras de rodadura para proporcionar una alta rigidez. Una alta rigidez y una masa móvil reducida son características cruciales del pórtico, ya que 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 elevado. Un ancho de banda de posición elevado, del orden de 40 Hz, se requiere 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 asentamiento bajo, del orden de unos pocos milisegundos a una ventana de asentamiento submicrónica, 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 una alta aceleración y un movimiento suave en procesos como la inspección de PCB, la impresión de inyección de tinta y el trazado 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 un fallo catastrófico debido a la caída de bolas de las ranuras de los rodamientos o a hendiduras profundas en los rieles. Deformaciones menores de los rodamientos pueden reducir considerablemente su vida útil.

Para alinear rieles lineales con una precisión de decenas de micras en recorridos largos (de 1 a 3 metros), se requieren herramientas costosas, como un interferómetro láser y accesorios especiales. Estas herramientas pueden no estar fácilmente disponibles para el usuario final 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 diversas opciones de compensación de desalineación probadas en campo que, si bien no requieren herramientas de alineación complejas, ofrecen un alto valor al reducir los efectos potencialmente severos de la desalineación del riel. Estos dispositivos de compensación de desalineación se convierten en partes integrales del bastidor del pórtico y proporcionan los grados de libertad necesarios para evitar sobrecargas en los rodamientos en diversas configuraciones de montaje de rieles de pórtico y accionamiento de ejes.

Cinemática de la desalineación

Para comprender el funcionamiento de un compensador de desalineación, es necesario comprender sus características cinemáticas como parte de su sistema de pórtico. A modo de ejemplo, el diagrama 3D del pórtico 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 platina Y (4). El carro X derecho motorizado opuesto₂La etapa (3) tiene una articulación esférica (b) y una articulación 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 articulación esférica y una corredera lineal.

Al contar el número total de grados de libertad y restar el número total de restricciones, se obtiene un grado de libertad. Esto significa que solo el eje X maestro 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 recomendable para etapas Y largas; por lo tanto, los ingenieros deben realizar correcciones para que la segunda etapa X se mueva de forma independiente de la primera.

Añadir otro grado de libertad al sistema, como en el caso del esclavo X, implica añadir otro grado de libertad a una de las articulaciones. Una solución común en estas configuraciones permite que una corredera de rueda libre tenga un grado de libertad en la dirección Z, por ejemplo, entre las articulaciones esféricas d y la articulación de corredera e.

El resultado será un montaje 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 restricciones. Sin embargo, para evitar que la etapa 4 se apoye solo en tres puntos de esquina, se suele añadir cierta flexibilidad en la dirección Z entre la unión d y la corredera 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.

Repasemos dos diseños de compensadores de desalineación. Uno es una junta giratoria compuesta con una junta deslizante lineal para una configuración de pórtico 3D. El segundo 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 de soldadura sobre cuatro guías. Un servomotor acciona cada etapa del pórtico en una configuración maestro-esclavo. Una correa acciona una guía de cada etapa, y la otra guía es un rodillo tensor.

Las plataformas, ensambladas por el usuario final, experimentaron una falla prematura en el rodamiento. El problema se corrigió añadiendo cuatro juntas esféricas estándar, fácilmente disponibles, montadas en cuatro guías lineales a las cuatro guías de las dos plataformas lineales de pórtico. Para adaptar la configuración al pórtico mencionado anteriormente, se fijó una guía a tierra con una placa de bloqueo. El rediseño resolvió el problema por completo.

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 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 en la corredera X del pórtico y la otra placa tiene orificios de montaje en la base de la platina del eje transversal Y. Un rodamiento en el centro conecta ambas placas.

Además, una placa 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 conectar a tierra 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 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 del 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.