¿Y cómo se puede evitar...?

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

Siempre que se montan y conectan dos ejes lineales en paralelo, existe el riesgo de que los ejes no se desplacen en perfecta sincronización. En otras palabras, durante el movimiento, uno de los ejes X puede "quedarse detrás" del otro, y el eje principal intentará arrastrar a su compañero rezagado. Cuando esto sucede, el eje de conexión (Y) puede volverse sesgado y ya no es perpendicular a los dos ejes X. La condición en la que los ejes X e Y pierden ortogonalidad se conoce como trasiego y puede provocar atascos a medida que el sistema se mueve en la dirección X, así como fuerzas potencialmente dañinas en los ejes X e Y.

El estanteríado en los sistemas de pórtico puede deberse a una variedad de factores de diseño y montaje, pero uno de los factores más influyentes es el método de accionamiento de los ejes X. Con dos ejes X en paralelo, los diseñadores tienen la opción de controlar cada eje X de forma independiente o controlar un eje y tratar el otro como un eje “esclavo” o seguidor.

En aplicaciones de baja velocidad con una distancia relativamente pequeña entre los dos ejes X (carrera corta del eje Y), puede ser aceptable impulsar solo un eje X y permitir que el segundo eje X sea un seguidor, sin ningún 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 impulsado efectivamente "tira" del eje no impulsado, si la conexión entre ellos experimenta flexión, torsión u otro comportamiento no rígido, cualquier diferencia en la fricción o carga entre los dos ejes X puede provocar inmediatamente un desplazamiento y vinculante. Y cuanto más largo sea el eje Y, menos rígido será. Esta es la razón por la que la disposición de “seguidor impulsado” generalmente se recomienda para aplicaciones donde la distancia entre los ejes X es inferior a un metro.

La solución de accionamiento más sofisticada es utilizar un motor independiente en cada eje, con los motores sincronizados en una disposición maestro-esclavo a través del controlador. Sin embargo, en esta disposición, los errores de recorrido de los accionamientos mecánicos deben coincidir perfectamente (o casi perfectamente); de lo contrario, el trasiego y el atascamiento pueden deberse a ligeras desviaciones en la distancia que recorre cada eje por revolución del motor.

Para aplicaciones de pórtico de precisión y alta velocidad, los mecanismos de accionamiento elegidos suelen ser husillos de bolas y accionamientos de piñón y cremallera. Ambas tecnologías se pueden combinar selectivamente para proporcionar un error lineal similar en cada eje, evitando parte de la acumulación de errores que puede ocurrir en conjuntos de unidades sin igual. Debido a que las transmisiones por correa y cadena tienen errores de paso que son difíciles de igualar y compensar, generalmente no se recomiendan 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 tienen errores mecánicos y pueden proporcionar largos recorridos y altas velocidades.

Otra solución, una especie de compromiso entre las dos opciones descritas anteriormente, es utilizar un motor para impulsar ambos ejes X. Esto se puede hacer conectando la salida del eje motorizado a la entrada del segundo eje mediante un acoplamiento distanciador (también llamado eje de conexión). Esta configuración elimina el segundo motor (y la sincronización correspondiente que sería necesaria).

Sin embargo, la rigidez torsional del acoplamiento distanciado es importante. Si el par que se transfiere entre los ejes hace que el acoplamiento experimente un "enrollamiento", todavía se pueden producir atascos y atascos. 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 provocar estanterías en los sistemas pórtico es la falta de precisión de montaje y el paralelismo entre los dos ejes X. Cada vez que se montan y operan dos guías lineales en paralelo, se requiere una cierta tolerancia en paralelismo, planitud y rectitud para evitar sobrecargar los rodamientos en una o ambas guías. En los sistemas de pórtico, donde los ejes X tienden a estar muy separados (debido al largo recorrido del eje Y), el montaje y el paralelismo de los ejes X se vuelven aún más críticos, y los errores angulares se amplifican en largas distancias.

Las diferentes tecnologías de guía requieren distintos niveles de precisión para el paralelismo, la planitud y la rectitud. En aplicaciones de pórtico, la mejor tecnología de guía lineal para los ejes X paralelos suele ser la que ofrece la mayor "perdón" en errores de montaje y alineación y al mismo tiempo proporciona la capacidad de carga y rigidez requeridas.

Las guías de rieles con perfil de rodillos o bolas de recirculación generalmente brindan la mayor capacidad de carga y rigidez de todas las tecnologías de guías lineales, pero cuando se usan en una configuración paralela, requieren una altura de montaje y tolerancias de paralelismo muy precisas para evitar atascamientos. Algunos fabricantes ofrecen versiones "autoalineantes" de rodamientos de bolas recirculantes que pueden compensar cierta desalineación, aunque se puede reducir la rigidez y la capacidad de carga.

Por otro lado, las ruedas guía que circulan sobre carriles de precisión requieren menos precisión en el montaje y alineación que las guías de carril perfiladas. Incluso se pueden montar en superficies moderadamente imprecisas sin causar problemas de funcionamiento, como vibraciones y atascos, incluso cuando se utilizan dos orugas en paralelo.

Si bien la alineación se puede realizar con herramientas simples como indicadores de cuadrante y cables, las grandes longitudes involucradas en los sistemas de pórtico a menudo hacen que esto no sea práctico. Además, alinear múltiples ejes paralelos y perpendiculares aumenta exponencialmente la complejidad y el tiempo y la mano de obra necesarios.

Esta es la razón por la que un interferómetro láser suele ser la mejor herramienta para garantizar la rectitud, la planitud y la ortogonalidad entre los ejes del pórtico.