¿Y cómo se puede evitar...?

Los pórticos se diferencian de otros tipos de sistemas multieje (como los robots cartesianos y las mesas XY) por utilizar dos ejes base (X) paralelos, conectados por un eje perpendicular (Y). Si bien esta disposición de doble eje X proporciona una base amplia y estable, y permite que los sistemas de pórtico ofrezcan una alta capacidad de carga, largos recorridos y buena rigidez, también puede dar lugar a un fenómeno conocido como deformación.

Siempre que se montan y conectan dos ejes lineales en paralelo, existe el riesgo de que no se muevan en perfecta sincronización. En otras palabras, durante el movimiento, uno de los ejes X puede retrasarse con respecto al otro, y el eje que va delante intentará arrastrar al rezagado. Cuando esto ocurre, el eje Y que conecta ambos ejes puede desviarse, dejando de ser perpendicular a los dos ejes X. Esta pérdida de ortogonalidad entre los ejes X e Y se denomina desalineación, y puede provocar atascos al moverse el sistema en la dirección X, además de generar fuerzas potencialmente dañinas en ambos ejes.

El desajuste en los sistemas de pórtico puede deberse a diversos factores de diseño y montaje, pero uno de los más influyentes es el método de accionamiento de los ejes X. Con dos ejes X en paralelo, los diseñadores pueden optar por accionar cada eje X de forma independiente o accionar un eje y tratar al otro como un eje secundario o de seguimiento.

En aplicaciones de baja velocidad con una distancia relativamente pequeña entre los dos ejes X (recorrido corto del eje Y), puede ser aceptable accionar solo un eje X y permitir que el segundo eje X actúe como seguidor, sin mecanismo de accionamiento. En este diseño, un aspecto clave es la rigidez de la conexión entre los ejes, es decir, la rigidez del eje Y.

Dado que el eje accionado ejerce una fuerza de tracción sobre el eje no accionado, si la conexión entre ambos se flexiona, se retuerce o presenta cualquier otro comportamiento no rígido, cualquier diferencia de fricción o carga entre los dos ejes X puede provocar inmediatamente deformaciones y atascos. Además, cuanto más largo sea el eje Y, menor será su rigidez. Por ello, la configuración de "eje accionado-seguidor" se recomienda generalmente para aplicaciones donde la distancia entre los ejes X es inferior a un metro.

La solución de accionamiento más sofisticada consiste en utilizar un motor independiente para cada eje, sincronizados mediante un controlador en configuración maestro-esclavo. Sin embargo, en esta configuración, los errores de desplazamiento de los accionamientos mecánicos deben coincidir a la perfección (o casi a la perfección); de lo contrario, pequeñas desviaciones en la distancia que recorre cada eje por revolución del motor pueden provocar atascos y bloqueos.

Para aplicaciones de pórtico de alta velocidad y precisión, los mecanismos de accionamiento más comunes son los husillos de bolas y los sistemas de cremallera y piñón. Ambas tecnologías pueden combinarse selectivamente para lograr un error lineal similar en cada eje, evitando así la acumulación de errores que puede producirse en conjuntos de accionamiento no compatibles. Dado que los sistemas de transmisión por correa y cadena presentan errores de paso difíciles de igualar y compensar, no suelen recomendarse para sistemas de pórtico cuando los ejes X se accionan de forma independiente. Por otro lado, los motores lineales son una excelente opción para ejes paralelos en sistemas de pórtico, ya que no presentan errores mecánicos y permiten recorridos largos y altas velocidades.

Otra solución —una especie de término medio entre las dos opciones descritas anteriormente— consiste en utilizar un solo motor para accionar ambos ejes X. Esto se puede lograr conectando la salida del eje accionado por el motor a la entrada del segundo eje mediante un acoplamiento de distancia (también conocido como eje de conexión). Esta configuración elimina la necesidad del segundo motor (y la sincronización que ello implicaría).

Sin embargo, la rigidez torsional del acoplamiento es importante. Si el par que se transmite entre los ejes provoca que el acoplamiento se tense, pueden producirse deformaciones y atascos. Esta configuración suele ser una buena opción cuando la distancia entre los ejes X oscila entre uno y tres metros, con requisitos de carga y velocidad moderados.

Otro factor que puede provocar desalineación en los sistemas de pórtico es la falta de precisión en el montaje y de paralelismo entre los dos ejes X. Siempre que se montan y operan dos guías lineales en paralelo, se requiere una cierta tolerancia en cuanto a paralelismo, planitud y rectitud para evitar la sobrecarga de los rodamientos de una o ambas guías. En los sistemas de pórtico, donde los ejes X suelen estar muy separados (debido al largo recorrido del eje Y), el montaje y el paralelismo de los ejes X se vuelven aún más críticos, ya que los errores angulares se amplifican a lo largo de grandes distancias.

Las distintas tecnologías de guiado requieren diferentes niveles de precisión en cuanto a paralelismo, planitud y rectitud. En aplicaciones de pórtico, la mejor tecnología de guiado lineal para los ejes X paralelos suele ser la que ofrece mayor tolerancia a errores de montaje y alineación, a la vez que proporciona la capacidad de carga y la rigidez necesarias.

Las guías lineales de rodillos o bolas recirculantes suelen ofrecer la mayor capacidad de carga y rigidez de todas las tecnologías de guías lineales, pero cuando se utilizan en configuración paralela, requieren tolerancias de altura de montaje y paralelismo muy precisas para evitar atascos. Algunos fabricantes ofrecen versiones autoalineables de rodamientos de bolas recirculantes que pueden compensar cierta desalineación, aunque la rigidez y la capacidad de carga pueden verse reducidas.

Por otro lado, las ruedas guía que se desplazan sobre rieles de precisión requieren menos exactitud en el montaje y la alineación que las guías de riel perfiladas. Incluso pueden montarse sobre superficies con una precisión moderada sin causar problemas de funcionamiento como vibraciones o atascos, incluso cuando se utilizan dos rieles en paralelo.

Si bien la alineación puede realizarse con herramientas sencillas como comparadores de cuadrante y cables, las grandes longitudes que implican los sistemas de pórtico suelen hacer que esto resulte poco práctico. Además, alinear múltiples ejes paralelos y perpendiculares aumenta exponencialmente la complejidad, el tiempo y la mano de obra necesarios.

Por eso, un interferómetro láser suele ser la mejor herramienta para garantizar la rectitud, la planitud y la ortogonalidad entre los ejes del pórtico.