Las industrias electrónica, óptica, informática, de inspección, de automatización y 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 lo conforman —rodamientos, sistema de medición de posición, sistema de motor y accionamiento y controlador— deben trabajar juntos de la mejor manera posible para cumplir con los criterios de la aplicación.

Base y cojinete

Para determinar la configuración óptima del sistema, considere primero la parte mecánica. Para 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 atornilladas.
• Base de aluminio o acero y lateral 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 integrales.
• Guías de granito con corredera de granito o hierro fundido y cojinetes de aire.

El aluminio es más ligero que la meehanita o el acero, pero menos rígido, menos estable, menos resistente a los impactos y menos resistente a la tensión. Además, 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 de resonancia prolongada, lo que perjudica los tiempos de respuesta y estabilización.

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 características de amortiguación de vibraciones y estabilidad térmica.

Además, el diseño de la mesa es fundamental para su rendimiento general. Existen mesas con diversas configuraciones, desde unidades ensambladas con pernos y múltiples piezas hasta bases y guías de fundición sencillas. El uso de un solo material en toda la mesa suele proporcionar una respuesta más uniforme a las variaciones de temperatura, lo que se traduce en un sistema más preciso. Elementos como el acanalado proporcionan amortiguación, lo que permite una rápida estabilización.

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

Los rodamientos de rodillos cruzados presentan contacto lineal entre el rodillo y la pista de rodadura, mientras que los rodamientos de bolas presentan contacto puntual entre la bola y la pista. Esto generalmente resulta en un movimiento más suave en los rodamientos de rodillos. Se produce una menor 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. Son estándar cargas de hasta 4,5 a 14 kg/rodillo, junto con una alta rigidez mecánica de aproximadamente 150 a 300 Newtons/micra. Entre las desventajas se encuentra 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.

Los tamaños estándar de mesa de un fabricante incluyen longitudes de 25 a 1.800 mm y anchos de corredera 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 mediante 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 estar ampliamente espaciados. De este modo, los errores geométricos resultantes se promedian, produciendo desviaciones angulares inferiores a 1 segundo de arco y una rectitud mejor que 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, que a su vez depende de la aplicación.

Sistema de transmisión

De los muchos tipos de sistemas de transmisión —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 diversas características de resolución, precisión y rigidez, y pueden proporcionar altas velocidades (superiores a 250 mm/s). Sin embargo, dado que el accionamiento está limitado por la velocidad crítica de rotación del husillo, una mayor velocidad requiere un paso menor, con menor ventaja mecánica y un motor de mayor potencia. Esto suele implicar el uso de un motor de mayor potencia con un voltaje de bus más elevado. Los accionamientos de husillo de bolas, aunque ampliamente utilizados, también pueden sufrir 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 interactúa directamente con la masa móvil sin conexión mecánica. No existe histéresis mecánica ni error cíclico de cabeceo. La precisión depende exclusivamente del sistema de rodamientos y del sistema de control de realimentación.

La rigidez dinámica indica la capacidad de un servosistema para mantener la posición ante una carga de impulso. En general, un mayor ancho de banda y una mayor ganancia proporcionan una mayor rigidez dinámica. Esta se puede cuantificar dividiendo la carga de impulso 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 servo con tiempos de estabilización reducidos. La corredera reacciona rápidamente a los cambios de posición gracias a la ausencia de acoplamiento mecánico entre el motor y la corredera. Además, al no existir oscilación por husillo de bolas, se consiguen tiempos de respuesta y estabilización rápidos.

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

El núcleo del conjunto de bobinas móviles alberga una serie de bobinas de cobre aisladas y superpuestas. Estas se bobinan con precisión y se espacian 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 prácticamente nula. Al ser la conmutación electrónica en lugar de mecánica, se elimina el arco eléctrico.

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, de tan solo unos pocos mm/s). Además, este tipo de motor 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 eficaz (RMS) de la fuerza o corriente continua no debe superar los valores admisibles durante periodos prolongados.

Los servomotores lineales ofrecen fuerzas de accionamiento continuo de 25 a más de 5000 N. La mayoría de los motores de mayor tamaño cuentan con refrigeración por aire o agua. Es posible conectar varios servomotores lineales en paralelo o en serie para obtener fuerzas de accionamiento superiores.

Al no existir conexión mecánica entre el motor y la corredera, no se produce la reducción mecánica propia de un husillo de bolas. La carga se transfiere al motor en una proporción 1:1. Con un accionamiento por husillo de bolas, la inercia de la carga en la corredera respecto al motor se reduce por el cuadrado de la relación de reducción. Esto hace que el accionamiento por motor lineal sea menos adecuado para aplicaciones con cambios de carga frecuentes, a menos que se elija un controlador programable con diferentes conjuntos de parámetros de control del motor para distintas cargas, con el fin de obtener una compensación servo eficaz.

Para muchas aplicaciones verticales, un husillo de bolas resulta más sencillo y económico, ya que el motor lineal requiere alimentación continua para contrarrestar la gravedad. Además, un freno electromecánico puede bloquear la posición de la mesa cuando se interrumpe la alimentación. Sin embargo, es posible utilizar un motor lineal si se compensa su funcionamiento y se añade peso mediante un resorte, un contrapeso o un cilindro neumático.

En cuanto al coste inicial, hay poca diferencia entre un accionamiento por motor lineal y uno por husillo de bolas que incluya motor, acoplamientos, rodamientos, soportes de rodamientos y husillo de bolas. En general, un motor lineal con escobillas es ligeramente más económico que un accionamiento por 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 los costes de mantenimiento, fiabilidad, durabilidad y sustitución, incluyendo la mano de obra. En este aspecto, el motor lineal destaca.

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