¡Hola, mecatrónicos!

Bienvenidos a una nueva entrega del blog de Sinadrives.

Abril 2022

Igual que en todo sistema mecánico los ejes lineales están sujetos a una serie de errores mecánicos que, de forma inherente, desvirtúan el posicionamiento en mayor o menor medida.

A su vez existen técnicas de construcción, materiales o tecnologías que permiten minimizar el efecto de estos errores geométricos, pero en última instancia, para aumentar la precisión de nuestro sistema no queda otra solución que la medida del error y la compensación de este. Ya sea de forma mecánica o electrónica.

Si ponemos el foco en las condiciones ambientales que pueden afectar al eje o al motor lineal, como pueden ser las dilataciones provocadas por cambios de temperatura, podemos optar por tener el sistema en una habitación con temperatura controlada o usar materiales donde este factor tiene menor efecto. Por ejemplo usar acero en lugar de aluminio, o usar granito en lugar de acero para reducir aun más esta dependencia.

Tecnológicamente se puede hacer uso de un encoder directo, para medir la posición directamente en la parte móvil del eje lineal. Esto eliminará los errores introducidos por las transmisiones mecánicas en los ejes de correa o husillo.

En el caso de ejes con motor lineal esta opción está incluida de forma intrínseca, por lo simplifica en gran medida la construcción de sistemas de precisión.

Equipos de medida de precisión

Para poder compensar el error del sistema lineal es necesario disponer de un elemento que nos permita medir este error de forma precisa y confiable.
Dejando de lado los palpadores, ballbar y otros elementos de medida de contacto usados en la calibración de máquina herramienta, para obtener una medición de alta precisión en ejes lineales debemos ir al uso de tecnologías láser.

Esta tecnología, usada durante los últimos 150 años, ha evolucionado, no tanto en su principio de funcionamiento, sino en la compensación de factores ambientales que le permiten medir de forma fiable con resolución por debajo de 1nm.

Interferómetro láser

El funcionamiento del interferómetro consiste en la emisión de un rayo láser monocromático, el cual conserva su frecuencia y longitud de onda en distancias de varios metros. El rayo láser se divide en dos, uno de los cuales se dirige a una óptica de medición fija que se usará como referencia. El otro se refleja en una lente que se mueve juntamente con el carro del eje lineal.

Al variar la distancia entre el aparato emisor del haz y esta lente reflectora, también varía el desfase entre la onda de referencia y la onda reflejada, permitiendo la medición de la distancia recorrida.

Adicionalmente, mediante el uso de las ópticas complementarias se pueden medir los errores de ángulo, rectitud y perpendicularidad. Uno de los inconvenientes del láser es que la longitud de onda se ve afectada por varios factores ambientales (humedad, presión del aire, temperatura, …). Por este motivo el interferómetro viene acompañado por una unidad de compensación que mide estas variables meteorológicas y aplica las correcciones necesarias a la medición.

interferometro

Laser Tracker

El laser tracker se basa en el mismo principio de funcionamiento que el interferómetro láser. Pero a diferencia de este, donde movemos el eje lineal en una sola dirección, el laser tracker nos permite medir desplazamiento en las 3 dimensiones. El sistema consiste en una esfera con lentes reflectantes que se monta en el punto de medición del eje lineal, o el conjuntos de ejes lineales. Y en un cabezal emisor de láser que dispone de dos ejes de rotación motorizados.

La medida constante de la posición de la esfera permite mover el cabezal emisor para seguir el desplazamiento de esta, y a su vez dibujar un mapa de desplazamiento tridimensional de su recorrido. Si a este mapa añadimos puntos fijos de referencia medidos con anterioridad, conseguimos una medición del error de posición, rectitud, perpendicularidad, cabeceo y balanceo de todos los ejes del sistema.

A costa de reducir la precisión, que en este sistema está alrededor de 5um, conseguimos medir sistemas de varios ejes para compensar las desalineaciones provocadas al unir dos o más ejes. Además consigue llegar a longitudes de medición de más de 50m.

Laser Tracker

Compensación del error

Una vez se ha determinado el error del eje lineal es necesario aplicar las correcciones que permitan compensarlo. Solo en casos de error de gran magnitud se actuará sobre la mecánica. Debido a los límites físicos se eleva el coste de esta compensación a medida que bajamos de magnitud, mientras que la compensación electrónica ofrece mayor flexibilidad a un coste menor.

Tablas de compensación

La tabla de compensación permite definir una serie de tramos de longitud dentro del recorrido del eje lineal. Y aplicar una corrección en cada tramo, determinada por los errores medidos con anterioridad.

Esta corrección puede ser fija, aplicando un valor constante en cada tramo. O se puede usar una interpolación para determinar los valores de error en los puntos intermedios. En cualquier caso cuando mayor sea el número de tramos definidos más nos acercaremos al valor real a compensar.
Las tablas de compensación se definen dentro del sistema de control de la máquina. Pero en algunos casos el propio servodrive que controla cada eje lineal incorpora esta función, permitiendo liberar al CNC del cálculo general de la compensación del error lineal.

Encoders lineales inteligentes

Con el avance en la electrónica de medición de los encoders, y el uso de protocolos digitales de comunicación, hoy en día es posible llegar a introducir esta información dentro de la electrónica del propio encoder. Mejorando, de esta forma, la precisión del eje lineal sin necesidad de una calibración posterior. Cabe destacar que la medición del error estará condicionada por las características ambientales del fabricante del eje lineal, y que seguramente serán muy distintas de las condiciones ambientales de la máquina en su ubicación final.

De todas formas esta calibración permitirá eliminar los errores en gran medida, sobre todo los derivados de las imperfecciones mecánicas.

Conclusiones

En aplicaciones donde la precisión es un valor a tener en cuenta, se hace imprescindible la calibración de los ejes lineales para un correcto funcionamiento del sistema final.

Debido a esto es importante seleccionar los elementos adecuados en la fase de diseño. Hay ciertas tecnologías que simplificarán el proceso de calibración, como pueden ser ejes lineales con sistema de medición directa o los servodrivers con tablas de compensación, y esto redundará en un menor tiempo de puesta a punto, con el ahorro consecuente en costes de mano de obra.

Si tienes una aplicación donde te interesa mejorar las prestaciones de tu máquina ya sea velocidad, dinámica, precisión o simplemente reducir su mantenimiento ponte en contacto con nosotros.

Nuestros especialistas en tecnología Direct Drive y Módulos lineales con motor lineal te asesorarán de manera gratuita.

¡Hasta la próxima!

El equipo Sinadrives.

Suscríbete a nuestro blog