Las industrias electrónica, óptica, informática, de inspección, de automatización y de láser requieren diversas especificaciones de sistemas 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 (cojinetes, sistema de medición de posición, sistema de motor y accionamiento y controlador) deben trabajar juntos lo mejor posible para cumplir con los criterios de la aplicación. .

Base y rodamiento

Para decidir la configuración óptima del sistema, considere primero la parte mecánica del sistema. Para etapas lineales, estas son las cuatro opciones comunes de diseño de base y soporte:
• Base y corredera de aluminio con guías con rodamientos de bolas Bolton.
• Base de aluminio o acero y lateral de aluminio o acero con cuatro patines de rodillos de recirculación sobre carriles de acero.
• Base y corredera de hierro fundido Meehanite con guías integrales de rodamientos de rodillos.
• Guías de granito con corredera de granito o hierro fundido y cojinetes neumáticos.

El aluminio es más ligero que la meehanita o el acero, pero menos rígido, menos estable, menos capaz de recibir golpes y menos resistente al estrés. Además, el aluminio es mucho más sensible a los cambios de temperatura. El hierro fundido es un 150% más rígido que el aluminio y un 300% mejor en amortiguación de vibraciones. El acero es duradero y más resistente que el hierro. Sin embargo, sufre un timbre prolongado, lo que perjudica los tiempos de movimiento y establecimiento rápidos.

Las guías de granito con cojinetes de aire proporcionan la combinación más rígida y duradera. El granito se puede pulir para lograr planitud y rectitud en el rango submicrónico. 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 cojinetes y las superficies guía de granito, no hay desgaste y los cojinetes neumáticos se limpian en gran medida por sí solos. Además, el granito tiene excelentes características de amortiguación de vibraciones y estabilidad térmica.

Además, el diseño de la mesa en sí es importante para su rendimiento general. Las mesas vienen en una variedad de configuraciones, desde unidades atornilladas con muchas piezas hasta guías y bases de fundición simples. El uso de un material en toda la mesa generalmente proporciona una respuesta más uniforme a las variaciones de temperatura, lo que genera un sistema más preciso. Características como las nervaduras proporcionan amortiguación, lo que permite un asentamiento rápido.

Las guías integrales tienen la ventaja sobre las guías atornilladas de que, incluso después de mucho tiempo, no es necesario ajustar las guías para la precarga.

Los rodamientos de rodillos cruzados tienen un contacto lineal entre el rodillo y la pista de rodadura, mientras que los rodamientos de bolas tienen un punto de contacto entre la bola y la pista de rodadura. Esto generalmente da como resultado un movimiento más suave para los rodamientos de rodillos. Hay menos deformación (y desgaste) de la superficie sobre la superficie de rodadura y hay una mayor área de contacto, 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/micra. Las desventajas incluyen la fricción inherente del contacto de la línea.

Sin embargo, la pequeña superficie de contacto que limita la fricción del rodamiento de bolas también limita su capacidad de carga. Los rodamientos de rodillos suelen tener una vida útil más larga que los rodamientos de bolas. Sin embargo, los rodamientos de rodillos cuestan más.

Los tamaños de mesa estándar de un fabricante incluyen de 25 a 1.800 mm de largo y de 100 a 600 mm de ancho de corredera.

Una configuración de cojinete de aire consta de cojinetes de elevación y guía precargados por cojinetes de aire opuestos o por imanes de tierras raras de alta fuerza integrados en los miembros de guía. Este diseño sin contacto evita la fricción de otros diseños de rodamientos. Además, los cojinetes neumáticos no sufren desgaste mecánico. Además, los cojinetes neumáticos pueden estar muy separados entre sí. De este modo, los errores geométricos resultantes se promedian, produciendo desviaciones angulares de menos de 1 segundo de arco y rectitud superior a 0,25 micras en 200 mm.

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

Sistema de propulsión

De los muchos tipos de sistemas de transmisión (correa, piñón y cremallera, husillo de avance, husillo de bolas rectificado con precisión y motor lineal), solo los dos últimos se consideran para la mayoría de los sistemas de posicionamiento de alta precisión.

Los husillos de bolas vienen en una variedad de características de resolución, precisión y rigidez, y pueden proporcionar altas velocidades (por encima de 250 mm/s). Sin embargo, debido a que el accionamiento del husillo de bolas está limitado por la velocidad de rotación crítica del husillo, una velocidad más alta requiere un paso más bajo, con menos ventaja mecánica y un motor de mayor potencia. Esto generalmente significa cambiar a un motor de mayor potencia con mayor voltaje de bus. Los husillos de bolas, aunque se utilizan ampliamente, también pueden sufrir holgura mecánica, errores cíclicos de bobinado, paso y fricción. También se pasa por alto la rigidez del acoplamiento mecánico que une el motor y la transmisión.

Con el servomotor lineal, la fuerza electromagnética interactúa directamente con la masa en movimiento sin conexión mecánica. No hay histéresis mecánica ni error cíclico de tono. La precisión depende completamente del sistema de rodamientos y del sistema de control de retroalimentación.

La rigidez dinámica indica qué tan bien un servosistema mantiene su posición en respuesta a una carga de impulso. En general, un mayor ancho de banda y una 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 del servo con tiempos de estabilización cortos. La corredera reacciona rápidamente a los comandos de cambio de posición porque no existe un vínculo mecánico entre el motor y la corredera. Además, como no se produce un “sonido” en el husillo de bolas, se pueden lograr tiempos de movimiento y asentamiento rápidos.

Un motor lineal sin escobillas consta de un conjunto de imán permanente fijado a la base de la máquina y un conjunto de bobina fijado a la corredera. Se mantiene un espacio de aproximadamente 0,5 mm entre el conjunto de bobina y los imanes. No hay contacto físico entre las dos asambleas.

El núcleo del conjunto de bobina móvil alberga una serie de bobinas de cobre superpuestas y aisladas. Estos están enrollados y posicionados con precisión para operación trifásica. Para la conmutación electrónica se utiliza una serie de sensores de efecto Hall. El diseño de la electrónica de conmutación proporciona movimiento con una 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 control preciso de la velocidad, incluso con velocidades muy bajas (digamos sólo unos pocos mm). /segundo). Además, un motor de este tipo no necesita lubricación ni otro tipo de mantenimiento y no sufre desgaste. Como ocurre con cualquier otro motor, debido a la disipación de calor, el valor rms de fuerza o corriente continua no debe exceder los valores permitidos durante períodos prolongados.

Puede obtener servomotores lineales con fuerzas de accionamiento continuo de 25 a más de 5000 N. La mayoría de los motores más grandes tienen refrigeración por aire o agua. Se pueden conectar varios motores lineales en paralelo o en serie para obtener mayores fuerzas de accionamiento.

Debido a que no existe un vínculo mecánico entre el motor y la corredera, no existe una reducción mecánica como la que ocurre con un husillo de bolas. La carga se transfiere en una proporción de 1:1 al motor. Con un husillo de bolas, la inercia de carga en el carro hacia el motor se reduce en el cuadrado de la relación de reducción. Esto hace que el variador de motor lineal sea menos adecuado para aplicaciones con cambios frecuentes de carga, 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 compensación servo efectiva.

Para muchas aplicaciones verticales, un husillo de bolas es más fácil y rentable: el motor lineal debe estar continuamente energizado para compensar la gravedad. Además, un freno electromecánico puede bloquear la posición de la mesa cuando se corta la energía. Sin embargo, puede utilizar un motor lineal si compensa el motor y el peso de la carga con un resorte, contrapeso o cilindro de aire.

En el costo inicial, hay poca diferencia entre un motor lineal y un husillo de bolas que incluye motor, acoplamientos, cojinetes, bloques de cojinetes y husillo de bolas. En general, un motor lineal de tipo escobillas es ligeramente más económico que un husillo de bolas, y las versiones sin escobillas suelen ser algo más caras.

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

La parte 2 cubrirá los sistemas de medición de posición.