Control de Movimiento. (Mecanismos y dispositivos mecanicos)

Componentes Mecánicos en Sistemas de Control de Movimiento

Los componentes mecánicos juegan un papel fundamental en los sistemas de control de movimiento, muchas veces con más influencia que los propios circuitos electrónicos. Factores como el flujo de producto, el rendimiento del sistema, las necesidades del operario y el mantenimiento dictan la elección de los elementos mecánicos, los cuales a su vez afectan las especificaciones del controlador y del software.

Los actuadores son dispositivos que convierten el movimiento rotatorio del motor en movimiento lineal. Entre los más comunes están:

• Tornillos de avance (leadscrews)
• Tornillos de bolas (ballscrews)
• Reductores tipo gusano (worm drives)
• Transmisiones por correa, cable o cadena

La elección del actuador depende del costo relativo y del impacto del juego mecánico (backlash), que afecta la precisión del sistema.

Las guías lineales o etapas (stages) limitan el movimiento del sistema a un solo grado de libertad, garantizando trayectorias rectas y suaves con mínima fricción. Un ejemplo común es una etapa uniaxial accionada por tornillo de bolas, donde un motor hace girar un tornillo que a través de una tuerca mueve el carro y la carga.

Estas etapas pueden incorporar sensores de retroalimentación, como:

• Encoders rotatorios o lineales
• Interferómetros láser

Cuando el encoder está en el eje del motor, se obtiene una medición indirecta, limitada por el desgaste y la tolerancia mecánica. Esto puede afectar la precisión de posicionamiento, típica de ±5 a 10 µm por cada 300 mm de recorrido.

Otras variantes de guías uniaxiales incluyen:

• Rodamientos con bolas recirculantes o no recirculantes
• Guías de fricción
• Sistemas de cojinetes de aire
• Sistemas hidrostáticos
• Sistemas con levitación magnética (Maglev)

Estos sistemas permiten alta velocidad (hasta 3 m/s) y gran precisión. Con encoders no contactivos, se logra una resolución de hasta 20 nm y precisión de ±1 µm. Si se utiliza un interferómetro láser, la resolución puede llegar a 0,3 nm y la precisión a submicrónica. Los errores de pitch, roll y yaw también son considerados, con límites de ±1 segundo de arco por cada 100 mm.

Los aspectos clave para estas etapas son:

• Fricción dinámica y estática
• Rigidez y planitud
• Capacidad de carga
• Rectitud y suavidad
• Requisitos de instalación en la máquina huésped

La estructura sobre la cual se monta el sistema de control de movimiento debe ser rígida y tener buena amortiguación para evitar resonancias y responder adecuadamente a perturbaciones externas. Una alta relación entre masa estática y masa en movimiento ayuda a evitar excitaciones indeseadas.

Los acoplamientos compensan desalineaciones entre ejes. Existen varios tipos:

• Acoplamientos flexibles simples: para desalineación angular y paralela menor
• Tipo fuelle (bellows): aceptables para tareas ligeras con gran desalineación
• Tipo hélice (helical): previenen el juego mecánico y pueden operar a alta velocidad

Otros componentes incluyen:

• Transportadores de cables
• Topes de fin de carrera
• Amortiguadores
• Cubiertas protectoras

Componentes Electrónicos del Sistema

Controlador de Movimiento

Es el “cerebro” del sistema. Realiza cálculos complejos relacionados con la planificación del movimiento, el cierre de lazo de control (servo loop) y la ejecución de secuencias programadas. Genera señales de bajo nivel para ser amplificadas por el driver del motor.

Los avances en microprocesadores y memorias han permitido el desarrollo de controladores programables potentes y accesibles. Estos dispositivos han mejorado la calidad del producto, la eficiencia de producción y la entrega a tiempo (just-in-time).

El controlador es el componente más crítico por su dependencia del software. Mientras que motores, sensores y drivers pueden reemplazarse, un cambio en el controlador o software puede implicar rediseños costosos.

Los controladores deben elegirse en función de:

• Tipos y cantidad de motores a controlar
• Software disponible para lograr el rendimiento deseado
• Capacidades de multitarea
• Cantidad de puertos de entrada/salida (I/O)
• Necesidad de interpolación lineal o circular
• Requerimientos de engranaje o levas electrónicas

En operación, el controlador recibe comandos del operador o de un sistema superior, y los traduce en señales para los drivers que activan los motores correspondientes.

• Actuador mecánico: Convierte movimiento rotacional en lineal.
• Guía lineal: Asegura movimiento recto con baja fricción.
• Juego mecánico (backlash): Espacio entre componentes que genera error.
• Encoder: Sensor de posición, puede ser rotatorio o lineal.
• Interferómetro láser: Instrumento para medición precisa de distancia.
• Pitch/Roll/Yaw: Errores angulares en un sistema tridimensional.
• Cojinetes de aire: Proveen baja fricción y alta precisión.
• Rigidez: Capacidad de resistir deformaciones bajo carga.
• Fricción estática y dinámica: Fuerzas que se oponen al movimiento.
• Acoplamiento flexible: Compensa desalineaciones mecánicas.
• Controlador de movimiento: Ejecuta algoritmos de control y planificación.
• Interpolación: Movimiento suave entre puntos definidos.
• Leva electrónica: Emulación de movimiento mecánico por software.
• Sistema host: Base donde se instala el sistema de movimiento.
• Velocidad y aceleración: Parámetros clave del control de movimiento.
• Sistema cerrado de control (servo loop): Sistema con retroalimentación.

Términos destacados :

• Acoplamiento flexible ( Flexible coupling )
• Actuador mecánico ( Mechanical actuator )
• Amortiguador ( Shock absorber )
• Base estructural ( Structural base )
• Bellows ( Bellow coupling )
• Controlador de movimiento ( Motion controller )
• Encoder lineal ( Linear encoder )
• Encoder rotativo ( Rotary encoder )
• Engranaje de tornillo sin fin ( Worm-drive gear )
• Etapa lineal ( Linear stage )
• Fricción dinámica ( Dynamic friction )
• Fricción estática ( Static friction )
• Guía lineal ( Linear guide )
• Helicoidal ( Helical )
• Interferómetro láser ( Laser interferometer )
• Leadscrew ( Leadscrew )
• Levitación magnética ( Magnetic levitation )
• Masa en movimiento ( Moving mass )
• Montaje del motor ( Motor mounting )
• Movimiento rotatorio ( Rotary motion )
• Movimiento lineal ( Linear motion )
• Paso ( Pitch )
• Posicionamiento indirecto ( Indirect positioning )
• Precisión del sistema ( System accuracy )
• Reductor ( Gear reducer )
• Resolución ( Resolution )
• Rigidez ( Rigidity )
• Rodamiento de aire ( Air bearing )
• Servo lineal ( Linear servo )
• Tornillo de bolas ( Ballscrew )

Glosario de Términos de Control de Movimiento

• Error de Abbe: (Abbe error): Un error lineal causado por la combinación de un error angular subyacente a lo largo de la línea de movimiento y un desplazamiento dimensional entre la posición del objeto medido y el elemento determinante de precisión, como un husillo de rosca o un codificador.
• Aceleración: (Acceleration): El cambio de velocidad por unidad de tiempo.
• Precisión: (Accuracy):
• Precisión absoluta: (Absolute accuracy): Comparación de la salida del sistema de control de movimiento con la entrada comandada. En realidad, es una medición de la inexactitud y se mide típicamente en milímetros.
• Precisión de movimiento: (Motion accuracy): La diferencia máxima esperada entre la posición real y la posición deseada de un objeto o carga para una entrada dada. Su valor depende del método de medición utilizado.
• Precisión en el eje: (On-axis accuracy): La incertidumbre de la posición de la carga después de eliminar todos los errores lineales. Incluye factores como la inexactitud del paso del husillo, el efecto de desviación angular en el punto de medición y la expansión térmica de los materiales.
• Juego mecánico: (Backlash): La magnitud máxima de una entrada que no produce ninguna salida medible cuando se invierte la dirección del movimiento. Puede ser causado por una precarga insuficiente o un mal engranaje de los dientes en un sistema de transmisión acoplado por engranajes.
• Error: (Error):
• Error general: (General error): La diferencia entre el resultado real de un comando de entrada y el resultado ideal o teórico.
• Error de seguimiento: (Following error): La diferencia instantánea entre la posición real, reportada por el lazo de retroalimentación de posición, y la posición ideal comandada por el controlador.
• Error en estado estable: (Steady-state error): La diferencia entre la posición real y la comandada después de que el controlador ha aplicado todas las correcciones.
• Histéresis: (Hysteresis): La diferencia en la posición absoluta de la carga para una entrada comandada cuando el movimiento proviene de direcciones opuestas.
• Inercia: (Inertia): La medida de la resistencia de una carga a los cambios en su velocidad. Depende de la masa y la forma de la carga. El torque requerido para acelerar o desacelerar la carga es proporcional a la inercia.
• Sobrepaso: (Overshoot): La cantidad de sobrecorrección en un sistema de control subamortiguado.
• Juego: (Play): El movimiento no controlado debido a la holgura en las partes mecánicas. Generalmente es causado por el desgaste, sobrecarga del sistema o una operación incorrecta del mismo.
• Precisión: (Precision): Véase repetibilidad.
• Repetibilidad: (Repeatability): La capacidad de un sistema de control de movimiento para regresar repetidamente a la posición comandada. Se ve afectada por la presencia de juego mecánico y histéresis. La repetibilidad bidireccional, una especificación más precisa, es la capacidad del sistema para alcanzar repetidamente la posición comandada independientemente de la dirección desde la que se accede a la posición deseada. Es sinónimo de precisión. Sin embargo, precisión y exactitud no son lo mismo.
• Resolución: (Resolution): El incremento de posición más pequeño que el sistema de control de movimiento puede detectar. Generalmente se considera la resolución de la pantalla o del codificador, ya que no necesariamente es el movimiento más pequeño que el sistema puede proporcionar de manera confiable.
• Excentricidad: (Runout): La desviación entre el movimiento lineal ideal (rectilíneo) y el movimiento real medido.
• Sensibilidad: (Sensitivity): La entrada mínima capaz de producir movimiento de salida. También es la relación del movimiento de salida con respecto a la entrada de accionamiento. Este término no debe usarse en lugar de resolución.
• Tiempo de estabilización: (Settling time): El tiempo transcurrido entre la introducción de un comando en un sistema y el instante en que el sistema alcanza por primera vez la posición comandada y mantiene esa posición dentro del valor de error especificado.
• Velocidad: (Velocity): El cambio de distancia por unidad de tiempo. La velocidad es un vector y la rapidez es un escalar, pero los términos pueden usarse indistintamente.