Las industrias electrónica, óptica, informática, de inspección, 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 forman el sistema (cojinetes, sistema de medición de posición, sistema de motor y accionamiento, y controlador) deben funcionar todos juntos lo mejor 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 cojinetes:
• Base y corredera de aluminio con guías atornilladas sobre cojinetes de bolas.
• Base de aluminio o acero y lateral de aluminio o acero con cuatro bloques de cojinetes de rodillos recirculantes sobre rieles de acero.
• Base y corredera de hierro fundido Meehanite con guías con cojinetes de rodillos integrados.
• Guías de granito con corredera de granito o fundición y cojinetes de aire.

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, 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 vibraciones prolongadas, lo que perjudica los tiempos de movimiento y asentamiento 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 en el rango submicrónico. La desventaja de una mesa de granito es que, debido a su masa, ocupa una mayor superficie 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 la guía 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. Las mesas se ofrecen en diversas configuraciones, desde unidades atornilladas con numerosas piezas hasta bases y guías de fundición sencillas. El uso de un mismo material en toda la mesa generalmente proporciona una respuesta más uniforme a las variaciones de temperatura, lo que resulta en un sistema más preciso. Características como las nervaduras proporcionan amortiguación, lo que permite un asentamiento rápido.

Los soportes integrales tienen una ventaja sobre los soportes atornillados, ya que, incluso después de un largo tiempo, no es necesario ajustar los soportes para la precarga.

Los rodamientos de rodillos cruzados tienen contacto lineal entre el rodillo y la pista, 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. La deformación superficial (y el desgaste) en la superficie de rodadura es menor y la superficie de contacto es mayor, por lo que la carga se distribuye de forma 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/micra. Entre las desventajas se encuentra la fricción inherente al contacto lineal.

Sin embargo, la pequeña área 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, los rodamientos de rodillos son más costosos.

Los tamaños de mesa estándar de un fabricante incluyen una longitud de 25 a 1800 mm y un ancho de corredera de 100 a 600 mm.

Una configuración de cojinetes neumáticos consta de cojinetes de elevación y guía precargados mediante cojinetes neumáticos 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 neumáticos no sufren desgaste mecánico. Además, pueden espaciarse ampliamente. Por lo tanto, se promedian los errores geométricos resultantes, lo que produce desviaciones angulares inferiores a 1 s de arco y una rectitud superior a 0,25 micras en 200 mm.

Los valores numéricos son difíciles de proporcionar, ya que dependen de muchos factores. Por ejemplo, la precisión de posicionamiento no solo depende 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 que a su vez depende de la aplicación.

Sistema de accionamiento

De los muchos tipos de sistemas de accionamiento (correa, cremallera y piñón, tornillo de avance, tornillo 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 ofrecen diversas características de resolución, precisión y rigidez, y pueden alcanzar altas velocidades (superiores a 250 mm/s). Sin embargo, dado que el husillo está limitado por la velocidad crítica de rotación del tornillo, una mayor velocidad requiere un paso menor, con menor ventaja mecánica y un motor de mayor potencia. Esto suele implicar cambiar a un motor de mayor potencia con mayor tensión de bus. Los husillos de bolas, aunque ampliamente utilizados, también pueden presentar holgura mecánica, devanado, errores cíclicos de paso y fricción. También se pasa por alto la rigidez del acoplamiento mecánico que une el motor y el husillo.

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 servosistema para mantener 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 entre la distancia de deflexión:

Rigidez dinámica = ΔF/ΔX

La alta rigidez y la alta frecuencia natural resultan en un excelente comportamiento del servo con tiempos de estabilización cortos. La corredera reacciona rápidamente a los cambios de posición gracias a la ausencia de conexión mecánica entre el motor y la corredera. Además, al no haber vibraciones en el husillo de bolas, se pueden lograr tiempos de movimiento 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 bobinas fijado a la corredera. Se mantiene una separación de aproximadamente 0,5 mm entre el conjunto de bobinas y los imanes. No hay 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 funcionamiento trifásico. Se utilizan sensores de efecto Hall para la conmutación electrónica. El diseño de la electrónica de conmutación proporciona movimiento con una ondulación de fuerza insignificante. Dado que la conmutación es electrónica en lugar de mecánica, se elimina el arco eléctrico de 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 requiere lubricación ni mantenimiento, y no presenta desgaste. Al igual que cualquier otro motor, debido a la disipación de calor, el valor eficaz de la fuerza o corriente continua no debe superar los valores admisibles durante períodos prolongados.

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

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

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

En cuanto al costo inicial, existe poca diferencia entre un accionamiento de motor lineal y un accionamiento de husillo de bolas, que incluye motor, acoplamientos, rodamientos, bloques de rodamientos y husillo de bolas. En general, un motor lineal con escobillas es ligeramente más económico que un accionamiento de husillo de bolas, y las versiones sin escobillas suelen ser algo más caras.

Hay más que considerar además del costo inicial. Una comparación más realista incluye el mantenimiento, la confiabilidad, la durabilidad y los costos de reemplazo, incluyendo la mano de obra. En este caso, el motor lineal tiene un buen desempeño.

La parte 2 cubrirá los sistemas de medición de posición.