¿Y cómo puede evitarse…?

Los pórticos se diferencian de otros 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 pórticos ofrezcan una alta capacidad de carga, largos recorridos y buena rigidez, también puede provocar un fenómeno conocido como deformación plástica.

Siempre que se montan y conectan dos ejes lineales en paralelo, existe el riesgo de que no se desplacen en perfecta sincronización. Es decir, durante el movimiento, uno de los ejes X puede retrasarse con respecto al otro, y el eje adelantado intentará arrastrar al rezagado. Cuando esto ocurre, el eje de conexión (Y) puede desviarse, dejando de ser perpendicular a los dos ejes X. Esta pérdida de ortogonalidad entre los ejes X e Y se denomina torsión, y puede provocar bloqueos al moverse el sistema en la dirección X, así como fuerzas potencialmente dañinas en ambos ejes.

El pandeo 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 de forma independiente o accionar uno y tratar el otro como 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 accionar solo un eje X y permitir que el segundo 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 motriz ejerce una fuerza de tracción sobre el eje no motriz, si la conexión entre ambos sufre flexión, torsión u otro comportamiento no rígido, cualquier diferencia en la fricción o la carga entre los dos ejes X puede provocar inmediatamente vibraciones y bloqueos. Además, cuanto mayor sea la longitud del eje Y, menor será su rigidez. Por este motivo, la configuración de eje motriz-seguidor se recomienda generalmente para aplicaciones donde la distancia entre ejes X es inferior a un metro.

La solución de accionamiento más sofisticada consiste en utilizar un motor independiente en cada eje, sincronizados mediante un controlador en una 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 bloqueos y oscilaciones.

Para aplicaciones de pórtico de alta velocidad y precisión, los mecanismos de accionamiento preferidos suelen ser husillos de bolas y sistemas de cremallera y piñón. Ambas tecnologías pueden combinarse selectivamente para proporcionar un error lineal similar en cada eje, evitando así la acumulación de errores que puede producirse en conjuntos de accionamiento no coincidentes. Debido a que las transmisiones por correa y cadena presentan errores de paso difíciles de igualar y compensar, generalmente no se recomiendan para sistemas de pórtico cuando los ejes X se accionan de forma independiente. En cambio, los motores lineales son una excelente opción para ejes paralelos en sistemas de pórtico, ya que no presentan error mecánico y permiten grandes recorridos y altas velocidades.

Otra solución —una especie de término medio entre las dos opciones anteriores— consiste en usar un solo motor para accionar ambos ejes X. Esto se logra 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 el segundo motor (y la sincronización que este requeriría).

Sin embargo, la rigidez torsional del acoplamiento a distancia es importante. Si el par transmitido entre los ejes provoca que el acoplamiento se tense, aún pueden producirse deformaciones y bloqueos. 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 oscilaciones en los sistemas de pórtico es la falta de precisión de montaje y 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 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 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, sin dejar de proporcionar 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, pero cuando se utilizan en configuración paralela, requieren tolerancias de altura y paralelismo de montaje muy precisas para evitar el bloqueo. 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 cierta imprecisión 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 y alambres, las grandes longitudes que implican los sistemas de pórtico a menudo hacen que esto resulte poco práctico. Además, alinear múltiples ejes paralelos y perpendiculares aumenta exponencialmente la complejidad y 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.