Las técnicas económicas de compensación de desalineación evitan 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 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 haces láser rotatorios como planos de referencia de precisión en el espacio, con sensores colocados en la corredera móvil. El ajuste de los tornillos de nivelación de los rieles, o el uso de calzas debajo de estos, permite orientar el riel o la plataforma según se desee. La nivelación de 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, comparadores, reglas y vigas paralelas. Con estos, los técnicos alinean el riel maestro con un comparador contra una superficie de montaje de precisión o una regla. Una vez que un riel alcanza la precisión requerida, se guía una corredera mientras se aprietan los pernos del segundo riel flotante, utilizando un comparador 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 la cinta 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 avería de una máquina puede provocar una costosa parada 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), guías, correderas, bases, topes, un codificador y cables. La fiabilidad de todo el sistema del pórtico es la suma estadística de las fiabilidades de todos sus componentes.

Para lograr 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. Dependen, además de la capacidad de carga, el tamaño y la precisión, de su orientación espacial exacta.

Problemas de desalineación

Casi todos los fabricantes de guías lineales coinciden en que la desalineación provoca problemas. De todos los factores que contribuyen al fallo prematuro de los rodamientos lineales, la desalineación se sitúa entre los principales.

Se clasifican como fallos por desalineación de rieles los siguientes:flago: eliminación de material de la superficie del riel;tener puesto: resultados de la fricción excesiva;sangríaLas bolas deforman los rieles; ypiezas dañadas: Rieles deformados debido a la caída de bolas de las ranuras de los rieles.

Las causas principales de la desalineación de los rieles incluyen la falta de planitud, rectitud, paralelismo y coplanaridad de los mismos. Estas causas pueden minimizarse o eliminarse mediante técnicas adecuadas de montaje y alineación, lo que, a su vez, minimiza la sobrecarga de los rieles. Otras causas principales de fallas en los rieles incluyen la lubricación insuficiente y la entrada de partículas extrañas, problemas 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 deslizamiento 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 amplio ancho de banda de posicionamiento. Un amplio ancho de banda de posicionamiento, 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 unos pocos micrómetros, o un tiempo de estabilización bajo, del orden de unos pocos milisegundos hasta una ventana de estabilización 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 la alta aceleración y el movimiento suave en procesos como la inspección de PCB, la impresión de 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 la caída de las bolas de las ranuras de los rodamientos o a profundas hendiduras en los rieles. Incluso deformaciones menores en los rodamientos pueden reducir considerablemente su vida útil.

Alinear guías lineales con una precisión de decenas de micras en recorridos largos (del orden de 1 a 3 metros) requiere herramientas costosas, como un interferómetro láser y dispositivos de fijación especiales. Estas herramientas pueden no estar al alcance del usuario final o integrador de sistemas habitual. Sin ellas, la desalineación de las guías puede ser la causa principal de la baja fiabilidad del sistema, los elevados costes de mantenimiento, los tiempos 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 gran valor al reducir los efectos potencialmente perjudiciales de la desalineación de los rieles. Estos dispositivos de compensación de desalineación se integran a la estructura del pórtico y proporcionan los grados de libertad necesarios para evitar sobrecargas en los cojinetes en diversas configuraciones de montaje de rieles y accionamientos 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 alabeo entre sí, así como en planitud y paralelismo. Supongamos que la X izquierda₁El carro (9) es el maestro motorizado y tiene una junta esférica (j) que soporta la plataforma Y (4). El eje X derecho motorizado opuesto₂La etapa (3) cuenta con una junta esférica (b) y una junta deslizante lineal (c) que soportan la etapa Y. Los otros carros X (7 y 6) son rodillos guía y también soportan la etapa Y mediante una junta esférica y una junta deslizante 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 es indeseable para etapas Y largas y, por lo tanto, los ingenieros deben realizar modificaciones para permitir que la segunda etapa X se mueva independientemente de la primera.

Al añadir un grado de libertad adicional al sistema, como en el caso del esclavo del eje X, se añade un grado de libertad adicional a una de las articulaciones. Una solución común en estas configuraciones permite que una corredera de la polea tensora tenga un grado de libertad en el eje 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 articulaciones b, j e i, que permite 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, es práctica común añadir cierta flexibilidad en el eje Z entre la articulación d y la corredera e para soportar 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 junta de revolución compuesta con una junta deslizante lineal, para una configuración de pórtico 3D. El segundo es una junta de revolución 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.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, y la otra guía es una guía loca.

Las plataformas, ensambladas por el usuario final, sufrieron una falla prematura en los cojinetes. El problema se solucionó añadiendo cuatro juntas esféricas estándar, fácilmente disponibles, montadas sobre cuatro guías lineales en las cuatro guías de las dos plataformas lineales del pórtico. Para que la configuración coincidiera con la del pórtico descrito anteriormente, una de las guías se fijó mediante 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 placa tiene orificios de montaje para la corredera X del pórtico y la otra tiene 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 el eje 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 el movimiento de rotación entre las dos placas. La flexión está diseñada para operar con una deflexión máxima inferior al límite de fatiga.

Finalmente, para evitar, en el caso de configuraciones de pórtico 2D, que la flexión se someta 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.