Las industrias electrónicas, ópticas, informáticas, de inspección, automatización y láser requieren diversas especificaciones del sistema de posicionamiento.Ningún sistema es adecuado para todos.

Para garantizar que un sistema de posicionamiento de alta precisión funcione de manera óptima, los componentes que componen el sistema (rodamientos, sistema de medición de posición, sistema de motor y conductor) deben trabajar juntos lo más bien como posible para cumplir con los criterios de aplicación.

Base y rodamiento

Para decidir la configuración óptima del sistema, considere primero la parte mecánica del sistema. Para las etapas lineales, estas son las cuatro opciones de diseño de base y carga comunes:
• Base de aluminio y deslizamiento con formas de bolas de Bolton.
• Base de aluminio o acero y aluminio o acero con cuatro bloques de recirculación de rodillos en rieles de acero.
• Base de hierro fundido meehanita y deslizamiento con formas integrales de rodillos.
• Guías de granito con granito o portaobjetos de hierro fundido y cojinetes de aire.

El aluminio es más ligero que la meehanita o el acero, pero menos rígido, menos estable, menos capaz de recibir una paliza y menos resistente al estrés. Además, el aluminio es mucho más sensible a los cambios de temperatura. El hierro fundido es 150% más rígido que el aluminio y un 300% mejor en amortiguación de vibración. El acero es duradero y más fuerte que el hierro. Sin embargo, sufre un sonido prolongado, que es perjudicial para moverse rápido y establecer tiempos.

Las guías de granito con cojinetes de aire proporcionan la combinación más dura y duradera. El granito se puede pulir para la planitud y la rectitud en el rango de submicrones. El inconveniente de una mesa de granito es que, debido a la masa del granito, tiene una envoltura espacial más grande y pesa más que un sistema de posicionamiento a base de acero o hierro. Sin embargo, debido a que no hay contacto entre los rodamientos y las superficies de la guía de granito, no hay desgaste y los cojinetes de aire son en gran medida auto limpieza. Además, el granito tiene excelentes características de amortiguación de vibración y estabilidad térmica.

Además, el diseño de la tabla en sí es importante en el rendimiento general de la tabla. Las tablas vienen en una variedad de configuraciones, desde unidades de Bolt-Togethon con muchas partes hasta bases y diapositivas de fundición simples. El uso de un material en toda la tabla generalmente proporciona una respuesta más uniforme a las variaciones de temperatura, lo que lleva a un sistema más preciso. Las características como la costilla proporcionan amortiguación, lo que permite un asentamiento rápido.

Las formas integrales tienen una ventaja sobre las formas atornilladas en que incluso después de mucho tiempo, no se necesita ajuste de formas de precarga.

Los rodamientos de rodillos cruzados tienen contacto de línea entre Roller y Raceway, mientras que los rodamientos de bolas tienen contacto puntual entre la pelota y la vía de corral. Esto generalmente resulta en un movimiento más suave para los rodamientos de rodillos. Hay menos deformación de la superficie (y desgaste) sobre la superficie de rodadura y hay un área de contacto mayor, por lo que la carga se distribuye de manera más uniforme. Las cargas de hasta 4.5 a 14 kg/rodillo son estándar, junto con una alta rigidez mecánica de aproximadamente 150 a 300 Newtons/Micron. Las desventajas incluyen fricción inherente desde el contacto de línea.

Sin embargo, el pequeño área de contacto que limita la fricción del rodamiento de bolas también limita su capacidad de carga. Los rodamientos de rodillos generalmente tienen vidas más largas que los rodamientos de bolas. Sin embargo, los rodamientos de rodillos cuestan más.

Los tamaños de tabla estándar de un fabricante incluyen de 25 a 1,800 mm de longitud y ancho de deslizamiento de 100 a 600 mm.

Una configuración de cojinete de aire consiste en cojinetes de elevación y guía precargados por cojinetes de aire opuestos o por imanes de alta fuerza de tierra rara incrustada en los miembros guía. Este diseño sin contacto evita la fricción de otros diseños de rodamientos. Además, los cojinetes de aire no sufren desgaste mecánico. Además, los cojinetes de aire se pueden espaciar ampliamente. Por lo tanto, se promedian los errores geométricos resultantes, produciendo desviaciones angulares de menos de 1 segundo de arco y rectitud de más de 0.25 micras de más de 200 mm.

Los valores numéricos son difíciles de proporcionar: dependen de muchos factores. Por ejemplo, la precisión de posicionamiento depende no solo de los rodamientos o guías, sino también del sistema de medición de posición y el controlador. La fricción en un sistema de posicionamiento depende no solo del sistema de accionamiento que elija, sino también en el ajuste del rodamiento, el sellado de la mesa, la lubricación, etc. Por lo tanto, los valores exactos que se pueden alcanzar dependen mucho de la combinación de todos los componentes, que a su vez depende de la aplicación.

Sistema de transmisión

De los muchos tipos de sistemas de accionamiento (correa, estante y pinzón, tornillo de plomo, tornillo de bola de precisión y motor lineal), solo los dos últimos se consideran para la mayoría de los sistemas de posicionamiento de alta precisión.

Las unidades de tornillo de bola vienen en una variedad de características de resolución, precisión y rigidez, y pueden proporcionar altas velocidades (por encima de 250 mm/seg). Sin embargo, debido a que la unidad de tornillo de bola está limitada por la velocidad giratoria crítica del tornillo, la velocidad más alta requiere un paso más bajo, con menos ventaja mecánica y un motor de mayor potencia. Esto generalmente significa cambiar a una unidad de motor de mayor potencia con mayor voltaje de bus. Las unidades de tornillo de bola, aunque ampliamente utilizadas, también pueden sufrir una reacción mecánica, liquidación, errores cíclicos de tono y fricción. También se pasa por alto la rigidez del acoplamiento mecánico que une el motor y la unidad.

Con el servomotor lineal, la fuerza electromagnética involucra directamente la masa móvil sin conexión mecánica. No hay histéresis mecánica o error cíclico de tono. La precisión depende completamente del sistema de rodamientos y el sistema de control de retroalimentación.

La rigidez dinámica indica qué tan bien un servo sistema mantiene la posición en respuesta a una carga de impulso. En general, un mayor ancho de banda y mayor ganancia proporcionan una mayor rigidez dinámica. Esto se puede cuantificar dividiendo la carga de impulso medida por la distancia de deflexión:

Rigidez dinámica = ΔF/ΔX

La alta rigidez y la alta frecuencia natural dan como resultado un excelente comportamiento de servo con tiempos de asentamiento cortos. La diapositiva reacciona rápidamente al cambio en los comandos de posición porque no hay un enlace mecánico entre el motor y la diapositiva. Además, debido a que no hay un tornillo de pelota "sonar", se pueden lograr tiempos de movimiento rápido y asentamiento.

Un motor lineal sin escobillas consiste en un conjunto de imán permanente fijo a la base de la máquina, y un conjunto de bobina sujeto al portaobjetos. Se mantiene un espacio de aproximadamente 0,5 mm entre el conjunto de la bobina y los imanes. No hay contacto físico entre los dos conjuntos.

El núcleo del ensamblaje de la bobina móvil alberga una serie de bobinas de cobre superpuestas y aisladas. Estos son heridas de precisión y lanzados para la operación trifásica. Se utiliza una serie de sensores de efecto Hall para la conmutación electrónica. El diseño de la electrónica de conmutación proporciona movimiento con ondulación de fuerza insignificante. Debido a que la conmutación es electrónica en lugar de mecánica, se elimina el arco de conmutación.

Esas propiedades hacen que un servomotor lineal sea útil en aplicaciones que requieren alta aceleración (digamos 2.5 m/seg2 o más), alta velocidad (digamos 2 m/seg o más) o un control de velocidad preciso, incluso con muy baja velocidad (digamos solo unos pocos mm/seg). Además, dicho motor no necesita lubricación u otro mantenimiento y no tiene desgaste. Como con cualquier otro motor, debido a la disipación de calor, el valor RMS de la fuerza o la corriente continua no debe exceder los valores permitidos durante largos períodos.

Puede obtener servomotores lineales en fuerzas continuas de accionamiento de 25 a más de 5,000 N. La mayoría de los motores más grandes tienen enfriamiento de aire o agua. Se pueden conectar múltiples motores lineales en la disposición paralela o en serie para obtener fuerzas de accionamiento más altas.

Debido a que no existe un enlace mecánico entre el motor y el portaobjetos, no hay una reducción mecánica como la que existe con un tornillo de bola. La carga se transfiere en una relación 1: 1 al motor. Con una unidad de tornillo de bola, la inercia de carga en el portaobjetos al motor se reduce por el cuadrado de la relación de reducción. Esto hace que la unidad de motor lineal sea menos adecuada para aplicaciones con cambios de carga frecuentes a menos que elija un controlador que pueda programar con diferentes conjuntos de parámetros de control del motor correspondientes a diferentes cargas para obtener una servo compensación efectiva.

Para muchas aplicaciones verticales, un tornillo de bola es más fácil y más rentable: el motor lineal debe ser energizado continuamente a la gravedad compensada. Además, un freno electromecánico puede bloquear la posición de la mesa cuando la energía está apagada. Sin embargo, puede usar un motor lineal si compensa el motor y carga el peso con un resorte, contrapeso o un cilindro de aire.

En el costo inicial, hay poca diferencia entre una unidad de motor lineal y una unidad de tornillo de bola que incluye motor, acoplamientos, rodamientos, bloques de rodamiento y tornillo de bola. En general, un motor lineal de tipo pincel es ligeramente más barato que una tracción en el tornillo de bola, y las versiones sin escobillas suelen ser algo más caras.

Hay más que considerar que el costo inicial. Una comparación más realista incluye mantenimiento, confiabilidad, durabilidad y costos de reemplazo, incluida la mano de obra. Aquí, el motor lineal se muestra bien.

La Parte 2 cubrirá los sistemas de medición de posición.