Hola mecatrónicos,
bienvenidos a otra entrega de nuestro blog, esta vez sobre ser más competitivos gracias a una mejor precisión en el posicionamiento en tus máquinas.
Hemos hablado de muchos temas en estos últimos seis meses desde que iniciamos este blog, desde conceptos motor generales hasta entrar en elementos más técnicos como los encoders. Aunque siempre centrados en ejes lineales con motor lineal, cada vez más vemos la necesidad de dar la visión clara de cómo solucionar un problema o simplemente mejorar las prestaciones de la máquina. El mercado es cada día más competitivo y los clientes son cada día más exigentes. Por lo tanto, aquel que no innova, no renueva, se queda atrás. En la vieja Europa no podemos ganar la guerra de los precios contra el gigante asiático y aun así muchos todavía intentan fabricar lo mismo que hace 20 años.
Buscar innovación y ser creativo a la hora de diseñar la máquina se ha convertido en una necesidad y para ello, los ingenieros y los técnicos de I+D tienen que conocer todas las novedades que les ofrece el mercado. Desde simples piezas mecánicas hasta los complejos subsistemas, ensamblajes, software y control que se ofrecen, todo ello puede comportar una gran ventaja para el fabricante de máquina.
En el capítulo de hoy queremos hablar de cómo se pueden mejorar la precisión y repetitividad de una aplicación. En el caso de que estos conceptos no estén claros, os recomendamos leer este artículo anterior del blog que explica en profundidad estos conceptos. En el artículo de hoy trataremos de explicar cómo el usuario puede mejorar el comportamiento de su máquina, hacerla más competitiva, darle nuevos argumentos de venta y todo ello sin apenas modificar el coste. A continuación, os presentamos algunos esquemas cinemáticos que describen cómo se cierra el lazo de control de una máquina.
Lazo de control de una máquina con posicionamiento lineal mediante transmisión clásica tipo husillo
En el dibujo 1, podemos ver un sistema clásico de posicionamiento lineal mediante un servomotor y una transmisión por husillo a bolas. El servomotor rotativo (1) gira el husillo (3) y mediante la conexión con una tuerca (4) genera un movimiento de desplazamiento lineal del carro (5). La posición del carro se determina mediante el encoder (7) que a su vez comunica la posición al servo accionamiento (6). Es un sistema fiable y muy popular a día de hoy. Es simple, los componentes son asequibles y ofrece una relación prestaciones/precio muy buena.
Dibujo 1
La precisión de esta configuración está sujeta a la suma de la precisión de todos los componentes de la transmisión, holguras, desalineaciones, desgaste, vibraciones, etc. El error de posición principal puede provenir de:
- Acoplamiento (2): holguras y desalineaciones
- Husillo (3): error de paso, error de precisión absoluta
- Tuerca (4): error de holgura y error de desgaste
- Carro móvil (5): alineación entre las guías y el husillo
- Vibraciones y flexión del husillo si se trata de un posicionamiento dinámico
La precisión y repetividad de esta configuración puede ser mejorada si usamos componentes de mayor precisión y mejoramos la alineación durante el proceso de montaje.
Lazo de control de una máquina con posicionamiento lineal mediante transmisión clásica tipo husillo y con un encoder externo
En el siguiente esquema (Dibujo 2) podemos ver la misma configuración que en el caso anterior, pero con una diferencia: le añadimos un encoder lineal (8) que lee la posición del carro directamente. Es decir, que la precisión y la repetitividad de posicionamiento no dependen de las transmisiones, holguras o desgaste. En cada momento obtenemos la posición real del carro con la precisión deseada. Tan solo hemos de seleccionar la resolución y la precisión del encoder lineal para cumplir con los requerimientos del proyecto.
Dibujo 2
Encoder lineal (8)
Este tipo de configuraciones se utiliza en el sector de la máquina herramienta desde hace más de 70 años y es muy fiable. El encoder del servomotor se utiliza para el control de velocidad y el encoder lineal para el control de posición. Todos los controles numéricos y los servo accionamientos de mercado saben cómo interpretar la posición de ambos encoders y la configuración de este lazo es fácil y está más que probada.
Para ofrecer una excelente precisión absoluta de estos sistemas existen métodos de calibración (mapping) mediante un interferómetro (9). El método de mapping también está muy probado y es muy popular en las máquinas de gran precisión (Dibujo 3).
Lazo de control de una máquina con posicionamiento lineal mediante un motor lineal y un encoder externo
Zeichnung 3
Interferómetro laser (9)
En el método de mapping se comparan las posiciones generadas por el encoder lineal y el interferómetro y se introducen las diferencias en una tabla en el control CNC. De esta manera, el control numérico corrige los errores de precisión absoluta que puede tener el encoder lineal, los errores de montaje y los errores de precisión geométrica. Los valores de precisión habituales suelen estar en un rango de hasta +/- 3 micras/metro.
Una de las desventajas de este sistema es el aumento de coste provocado por el encoder lineal, su montaje y alineación, que en algunos casos puede suponer cierta dificultad técnica. El proceso de calibración también es complejo y depende de la longitud y la precisión que el fabricante desea alcanzar.
Lazo de control de una máquina con posicionamiento lineal mediante un motor lineal y un encoder interno
El posicionamiento mediante un motor lineal (10) y una pista de imanes permanentes (11) resuelve muchos de los problemas de precisión y repetitividad descritos en los apartados anteriores. Primero eliminamos todos los errores de los componentes mecánicos y holguras, mejoramos la precisión y la repetitividad mediante un encoder lineal (8) y reducimos tanto el número de componentes como el tiempo de montaje (Dibujo 4).
Zeichnung 4
Motor lineal (10), Imanes permanentes (11)
Mediante el uso de la tecnología de motor lineal, el fabricante de máquina no solo mejora la precisión y la repetitividad, sino que el nuevo diseño ofrece las siguientes ventajas:
- mayor valor añadido
- mejores argumentos de venta
- simplificación del diseño y el montaje
- aumento de la vida útil
- reducción del mantenimiento
Puede consultar este video que describe en detalle cómo es el concepto de ‘motor lineal’. Desde un punto de vista mecánico es muy fácil de entender, es simple y las ventajas de su implementación son evidentes. En el dibujo 4 se puede observar cómo se reduce drásticamente el número de componentes empleados reduciendo de esta manera el tiempo de diseño y montaje.
Desde un punto de vista cinemático, la reducción de componentes lleva a la reducción de vibraciones, rebotes, resonancias y frecuencias propias. Se pueden aumentar notablemente los lazos de rigidez, y con ello se consigue un mejor comportamiento del eje en general. Todo esto simplifica el lazo de control y evita ajustes innecesarios en el software. Los técnicos de puesta en marcha son los primeros en agradecer que una mecánica simplificada les permita reducir los tiempos de puesta en marcha.
Volviendo al tema de este articulo: la mejora de precisión y de repetitividad va a ser notable a medida que el encoder lineal directo sea incorporado en los sistemas. Cualquier desplazamiento mínimo del carro va a ser detectado y corregido por el control. El lazo de control es más rápido debido a que ya no hay transmisiones que han de devolver la referencia de posición al encoder del servomotor. Las mejoras son muy evidentes.
Desde SINADRIVES le invitamos a hacer un test para comprobar por usted mismo las ventajas de esta solución, para mejorar la precisión y la repetitividad y conseguir de este modo una máquina más competitiva y atractiva para el comprador.
Esto es todo en esta ocasión, os esperamos en la próxima edición del blog.
Hasta entonces, un saludo muy cordial.
El Equipo de SINADRIVES
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