Las industrias electrónica, óptica, informática, de inspección, de automatización y láser requieren especificaciones diversas para los sistemas de posicionamiento.No existe un único sistema que sea adecuado para todos.

Para garantizar que un sistema de posicionamiento de alta precisión funcione de forma óptima, los componentes que lo conforman (rodamientos, sistema de medición de posición, sistema de motor y accionamiento, y controlador) deben funcionar conjuntamente de la mejor manera posible para cumplir con los criterios de la aplicación.

Base y cojinete

Para decidir la configuración óptima del sistema, considere primero la parte mecánica del mismo. Para las etapas lineales, estas son las cuatro opciones comunes de diseño de base y cojinete:
• Base y corredera de aluminio con guías de rodamientos de bolas atornillables.
• Base de aluminio o acero y laterales de aluminio o acero con cuatro bloques de rodamientos de rodillos recirculantes sobre rieles de acero.
• Base y corredera de hierro fundido Meehanite con guías de rodamientos de rodillos integradas.
• Guías de granito con cojinetes deslizantes y neumáticos de granito o hierro fundido.

El aluminio es más ligero que la meehanita o el acero, pero menos rígido, menos estable, menos resistente a los golpes y menos resistente a la tensión. Además, el aluminio es mucho más sensible a los cambios de temperatura. El hierro fundido es un 150 % más rígido que el aluminio y amortigua las vibraciones un 300 % mejor. El acero es duradero y más resistente que el hierro. Sin embargo, sufre resonancia prolongada, lo que perjudica los tiempos de movimiento y estabilización rápidos.

Las guías de granito con cojinetes de aire ofrecen la combinación más rígida y duradera. El granito se puede pulir para lograr una planitud y rectitud submicrónicas. La desventaja de una mesa de granito es que, debido a su masa, ocupa más espacio y pesa más que un sistema de posicionamiento de acero o hierro. Sin embargo, al no haber contacto entre los cojinetes y las superficies de las guías de granito, no se produce desgaste y los cojinetes de aire son prácticamente autolimpiables. Además, el granito posee excelentes propiedades de amortiguación de vibraciones y estabilidad térmica.

Además, el diseño de la mesa es fundamental para su rendimiento general. Existen mesas en diversas configuraciones, desde unidades atornilladas con múltiples piezas hasta bases y guías sencillas de fundición. El uso de un solo material en toda la mesa generalmente proporciona una respuesta más uniforme a las variaciones de temperatura, lo que resulta en un sistema más preciso. Elementos como las nervaduras proporcionan amortiguación, lo que permite un asentamiento rápido.

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

Los rodamientos de rodillos cruzados tienen contacto lineal entre el rodillo y la pista de rodadura, mientras que los rodamientos de bolas tienen contacto puntual entre la bola y la pista. Esto generalmente resulta en un movimiento más suave para los rodamientos de rodillos. Hay menos deformación superficial (y desgaste) en la superficie de rodadura y hay una mayor área de contacto, por lo que la carga se distribuye de manera más uniforme. Las cargas estándar son de hasta 4,5 a 14 kg/rodillo, junto con una alta rigidez mecánica de aproximadamente 150 a 300 Newtons/micrómetro. Entre las desventajas se incluye la fricción inherente al contacto lineal.

La reducida 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 de bolas. Sin embargo, son más caros.

Las dimensiones estándar de las mesas de un fabricante incluyen longitudes de 25 a 1800 mm y anchos de deslizamiento de 100 a 600 mm.

Una configuración de cojinetes de aire consta de cojinetes de elevación y guía precargados mediante cojinetes de aire opuestos o imanes de tierras raras de alta fuerza integrados en los elementos de guía. Este diseño sin contacto evita la fricción de otros diseños de cojinetes. Además, los cojinetes de aire no sufren desgaste mecánico. Asimismo, pueden colocarse a una distancia considerable entre sí. De este modo, los errores geométricos resultantes se promedian, produciendo desviaciones angulares inferiores a 1 segundo de arco y una rectitud superior a 0,25 micras en 200 mm.

Es difícil proporcionar valores numéricos, ya que 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 del controlador. La fricción en un sistema de posicionamiento depende no solo del sistema de accionamiento elegido, sino también del ajuste de los rodamientos, 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, lo cual, a su vez, depende de la aplicación.

Sistema de transmisión

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

Los accionamientos de husillo de bolas ofrecen una amplia gama de resoluciones, precisión y rigidez, y pueden proporcionar altas velocidades (superiores a 250 mm/s). Sin embargo, debido a que el accionamiento está limitado por la velocidad de rotación crítica del husillo, una mayor velocidad requiere un paso menor, con menor ventaja mecánica y un motor de mayor potencia. Esto generalmente implica cambiar a un motor de mayor potencia con un voltaje de bus más elevado. Si bien los accionamientos de husillo de bolas son ampliamente utilizados, también pueden presentar holgura mecánica, torsión, errores cíclicos de paso y fricción. Además, a menudo se pasa por alto la rigidez del acoplamiento mecánico que une el motor y el accionamiento.

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

La rigidez dinámica indica la capacidad de un servocontrol para mantener la posición ante una carga impulsiva. En general, un mayor ancho de banda y una mayor ganancia proporcionan una mayor rigidez dinámica. Esto se puede cuantificar dividiendo la carga impulsiva medida entre la distancia de deflexión.

Rigidez dinámica = ΔF/ΔX

La elevada rigidez y la alta frecuencia natural dan como resultado un excelente comportamiento del servomotor con tiempos de estabilización cortos. El deslizador reacciona rápidamente a los cambios en las órdenes de posición, ya que no existe conexión mecánica entre el motor y el deslizador. Además, al no producirse oscilaciones en el husillo de bolas, se consiguen tiempos de estabilización y movimiento rápidos.

Un motor lineal sin escobillas consta de un conjunto de imanes permanentes fijado a la base de la máquina y un conjunto de bobinas sujeto al carro. Se mantiene una separación de aproximadamente 0,5 mm entre el conjunto de bobinas y los imanes. No existe contacto físico entre ambos conjuntos.

El núcleo del conjunto de bobina móvil alberga una serie de bobinas de cobre superpuestas y aisladas. Estas están bobinadas con precisión y ajustadas para el funcionamiento trifásico. Se utiliza una serie de sensores de efecto Hall para la conmutación electrónica. El diseño de la electrónica de conmutación proporciona un movimiento con una ondulación de fuerza mínima. Dado que la conmutación es electrónica en lugar de mecánica, se elimina el arco eléctrico durante la conmutación.

Estas propiedades hacen que un servomotor lineal sea útil en aplicaciones que requieren alta aceleración (por ejemplo, 2,5 m/s² o más), alta velocidad (por ejemplo, 2 m/s o más) o un control preciso de la velocidad, incluso a velocidades muy bajas (por ejemplo, tan solo unos pocos mm/s). Además, este tipo de motor no necesita lubricación ni mantenimiento y no sufre desgaste. Como ocurre con cualquier otro motor, debido a la disipación de calor, el valor eficaz de la fuerza o corriente continua no debe superar los valores permitidos durante periodos prolongados.

Se pueden encontrar servomotores lineales con fuerzas de accionamiento continuas de 25 a más de 5000 N. La mayoría de los motores de mayor tamaño cuentan con refrigeración por aire o agua. Se pueden conectar varios motores lineales en paralelo o en serie para obtener fuerzas de accionamiento mayores.

Debido a la ausencia de acoplamiento mecánico entre el motor y el carro, no se produce la reducción mecánica que sí existe en un husillo de bolas. La carga se transfiere al motor en una relación 1:1. En un accionamiento con husillo de bolas, la inercia de carga en el carro, que se transmite al motor, se reduce al cuadrado de la relación de reducción. Esto hace que el accionamiento lineal sea menos adecuado para aplicaciones con cambios frecuentes de carga, a menos que se elija un controlador programable con diferentes conjuntos de parámetros de control del motor que correspondan a distintas cargas para lograr una compensación servo efectiva.

Para muchas aplicaciones verticales, un husillo de bolas es más sencillo y económico, ya que el motor lineal debe mantenerse energizado continuamente para contrarrestar la gravedad. Además, un freno electromecánico puede bloquear la posición de la mesa cuando se interrumpe la alimentación. Sin embargo, también se puede usar un motor lineal si se compensa el motor y el peso de la carga con un resorte, un contrapeso o un cilindro neumático.

En cuanto al costo inicial, hay poca diferencia entre un motor lineal y un husillo de bolas, incluyendo el motor, los acoplamientos, los rodamientos, los soportes de rodamientos y el husillo de bolas. En general, un motor lineal con escobillas es ligeramente más económico que un husillo de bolas, y las versiones sin escobillas suelen ser algo más caras.

Hay que tener en cuenta más factores que el coste inicial. Una comparación más realista incluye el mantenimiento, la fiabilidad, la durabilidad y los costes de sustitución, incluida la mano de obra. En este aspecto, el motor lineal ofrece un buen rendimiento.

La segunda parte tratará sobre los sistemas de medición de posición.