¿Y cómo evitarlo?

Los pórticos se diferencian de otros sistemas multieje (como robots cartesianos y mesas XY) por utilizar dos ejes base (X) en paralelo, con un eje perpendicular (Y) que los conecta. Si bien esta disposición de doble eje X proporciona una superficie de apoyo amplia y estable, y permite que los sistemas de pórtico ofrezcan alta capacidad de carga, largos recorridos y buena rigidez, también puede provocar un fenómeno conocido como «racking».

Al montar y conectar dos ejes lineales en paralelo, existe el riesgo de que no se desplacen en perfecta sincronización. En otras palabras, durante el movimiento, uno de los ejes X puede quedar rezagado respecto al otro, y el eje principal intentará arrastrar a su compañero rezagado. Cuando esto ocurre, el eje de conexión (Y) puede desviarse, dejando de ser perpendicular a los dos ejes X. La pérdida de ortogonalidad entre los ejes X e Y se conoce como desplazamiento vertical, y puede provocar atascamientos al moverse el sistema en la dirección X, así como fuerzas potencialmente dañinas en ambos ejes.

El desplazamiento en sistemas de pórtico puede deberse a diversos factores de diseño y ensamblaje, 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 el otro como eje "esclavo" o seguidor.

En aplicaciones de baja velocidad con una distancia relativamente corta 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, una preocupación clave es la rigidez de la conexión entre los ejes; en otras palabras, la rigidez del eje Y.

Dado que el eje motorizado tira del eje no motorizado, si la conexión entre ambos experimenta flexión, torsión u otro comportamiento no rígido, cualquier diferencia de fricción o carga entre los dos ejes X puede provocar inmediatamente un bloqueo y atascamiento. Cuanto más largo sea el eje Y, menos rígido será. Por ello, la configuración de eje motorizado-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 en cada eje, sincronizados en una configuración maestro-esclavo mediante el controlador. Sin embargo, en esta configuración, los errores de recorrido de los accionamientos mecánicos deben estar perfectamente (o casi perfectamente) sincronizados; de lo contrario, ligeras desviaciones en la distancia que recorre cada eje por revolución del motor pueden causar movimientos bruscos y atascamientos.

Para aplicaciones de pórtico de alta velocidad y precisión, los mecanismos de accionamiento preferidos suelen ser husillos de bolas y accionamientos de piñón y cremallera. Ambas tecnologías pueden adaptarse selectivamente para proporcionar un error lineal similar en cada eje, evitando así la acumulación de errores que puede producirse en conjuntos de accionamiento no adaptados. Dado que las transmisiones por correa y cadena presentan errores de paso difíciles de adaptar 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 pueden proporcionar largos recorridos y altas velocidades.

Otra solución, un equilibrio 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 motor a la entrada del segundo eje mediante un acoplamiento de distancia (también conocido como eje de conexión). Esta configuración elimina el segundo motor (y la sincronización que se requeriría).

Sin embargo, la rigidez torsional del acoplamiento de distancia es importante. Si el par transferido entre los ejes provoca que el acoplamiento experimente un "enrollamiento", aún pueden producirse deformaciones y atascamientos. Esta configuración suele ser una buena opción cuando la distancia entre los ejes X es de entre uno y tres metros, con requisitos de carga y velocidad moderados.

Otro factor que puede causar el desplazamiento en sistemas de pórtico es la falta de precisión de montaje y paralelismo entre los dos ejes X. Al montar y operar dos guías lineales en paralelo, se requiere cierta tolerancia de paralelismo, planitud y rectitud para evitar sobrecargar los rodamientos de una o ambas guías. En sistemas de pórtico, donde los ejes X tienden a estar muy separados (debido al largo recorrido del eje Y), el montaje y paralelismo de los ejes X se vuelve aún más crítico, ya que los errores angulares se amplifican a largas distancias.

Las diferentes tecnologías de guía requieren distintos niveles de precisión en cuanto a paralelismo, planitud y rectitud. En aplicaciones de pórtico, la mejor tecnología de guía lineal para los ejes X paralelos suele ser la que ofrece la 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 bolas o rodillos recirculantes suelen ofrecer la mayor capacidad de carga y rigidez de todas las tecnologías de guías lineales. Sin embargo, al utilizarse en configuración paralela, requieren una altura de montaje y tolerancias de paralelismo muy precisas para evitar atascamientos. Algunos fabricantes ofrecen versiones autoalineables de rodamientos de bolas recirculantes que compensan 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 precisión de montaje y alineación que las guías de rieles perfilados. Incluso pueden montarse en superficies con imprecisiones moderadas sin causar problemas de funcionamiento como vibraciones y atascamientos, incluso al utilizar dos rieles en paralelo.

Si bien la alineación puede realizarse con herramientas sencillas como relojes comparadores y cables, las largas longitudes de los sistemas de pórtico suelen dificultar su uso. Además, alinear múltiples ejes paralelos y perpendiculares aumenta exponencialmente la complejidad, el tiempo y la mano de obra necesarios.

Es por esto que un interferómetro láser es a menudo la mejor herramienta para garantizar la rectitud, la planitud y la ortogonalidad entre los ejes del pórtico.