Sistema de posicionamiento de alto rendimiento

Un sistema de posicionamiento de alto rendimiento (HPPS) es un tipo de sistema de posicionamiento que consiste en una pieza de equipo electromecánico (por ejemplo, un conjunto de etapas lineales y etapas rotatorias ) que es capaz de mover un objeto en un espacio tridimensional dentro de un entorno de trabajo. El posicionamiento se puede realizar punto a punto o a lo largo de una trayectoria de movimiento deseada . La posición se define típicamente en seis grados de libertad , incluyendo lineal, en un sistema de coordenadas cartesianas x, y, z, y orientación angular de guiñada, cabeceo y balanceo. Los HPPS se utilizan en muchos procesos de fabricación para mover un objeto (herramienta o pieza) de forma suave y precisa en seis grados de libertad, a lo largo de una trayectoria deseada, en una orientación deseada, con alta aceleración , alta desaceleración , alta velocidad y bajo tiempo de asentamiento . Está diseñado para detener rápidamente su movimiento y colocar con precisión el objeto en movimiento en su posición y orientación finales deseadas con una vibración mínima.

El sistema HPPS requiere unas características estructurales de baja masa móvil y alta rigidez. La característica resultante del sistema es un valor alto para la frecuencia natural más baja del sistema. Una frecuencia natural alta permite que el controlador de movimiento controle el sistema a un ancho de banda de servo alto , lo que significa que el sistema HPPS puede rechazar todas las frecuencias que alteran el movimiento, que actúan a una frecuencia más baja que el ancho de banda. Para perturbaciones de mayor frecuencia, como vibración del suelo , ruido acústico , traqueteo del motor, vibración de los cojinetes y traqueteo del transportador de cables , el sistema HPPS puede emplear materiales compuestos estructurales para amortiguar y soportes de aislamiento para atenuar las vibraciones . A diferencia de los robots articulados, que tienen juntas giratorias que conectan sus eslabones, los eslabones del sistema HPPS suelen constar de juntas deslizantes, que son relativamente más rígidas que las juntas giratorias. Esa es la razón por la que los sistemas de posicionamiento de alto rendimiento suelen denominarse robots cartesianos .

Los actuadores de tornillo de bola, accionados por motores lineales, pueden moverse a una alta velocidad combinada del orden de 3-5 m/s, altas aceleraciones de 5-7 g, con una precisión de posicionamiento de micrones o submicrones con tiempos de estabilización del orden de milisegundos y un ancho de banda servo de 30-50 Hz. Los actuadores de tornillo de bola, por otro lado, tienen un ancho de banda típico de 10-20 Hz y los actuadores accionados por correa de aproximadamente 5-10 Hz. El valor del ancho de banda de los actuadores de tornillo de bola es aproximadamente 1/3 de la frecuencia natural más baja en el rango de 90-150 Hz. El tiempo de estabilización a +/- 1% de velocidad constante, o +/- 1 um de fluctuación, después de una alta aceleración o alta desaceleración respectivamente, toma aproximadamente 3 períodos de ancho de banda. Por ejemplo, un ancho de banda servo de 50 Hz, que tiene un período de 1 / 50 · 1000 = 20 ms, se estabilizará a una precisión de posición de 1 um dentro de un estimado de 3 · 20 = 60 ms. La frecuencia natural más baja es igual a la raíz cuadrada de la rigidez del sistema dividida por la inercia del movimiento. Un riel de cojinetes recirculantes lineales típico, de una etapa de posicionamiento de alto rendimiento, tiene una rigidez del orden de 100-300 N/um. Tal rendimiento se requiere en equipos de procesamiento de semiconductores , líneas de ensamblaje de productos electrónicos, máquinas herramienta controladas numéricamente , máquinas de medición de coordenadas , impresión 3D , máquinas de selección y colocación , ensayos de descubrimiento de fármacos y muchos más. En su rendimiento más alto, los HPPS pueden usar una base de granito para estabilidad térmica y superficies planas, cojinetes de aire para un movimiento sin vibraciones , motores lineales sin escobillas para una actuación sin contacto y sin fricción, alta fuerza y ​​baja inercia, e interferómetro láser para retroalimentación de posición submicrónica. Por otro lado, un robot articulado típico de 6 grados de libertad , con un alcance de 1 m', tiene una rigidez estructural del orden de 1 N/um. Es por eso que los robots articulados se emplean mejor como equipos de automatización en procesos que requieren una repetibilidad de posición del orden de cientos de micrones, como robots de soldadura , robots de pintura , paletizadores y muchos más.

Los HPPS originales fueron desarrollados en Anorad Corporation (ahora Rockwell Automation ) en la década de 1980, después de la invención de los motores lineales sin escobillas por el fundador y director ejecutivo de Anorad, Anwar Chitayat . Inicialmente, los HPPS se utilizaron para procesos de fabricación de alta precisión en aplicaciones de semiconductores como Applied Materials , PCB Inspection Orbotech y High Velocity Machine Tool Ford . ^[1] En paralelo, la tecnología de motores lineales y su integración en HPPS se expandió por todo el mundo. Como resultado, en 1996 Siemens integró su CNC con motores lineales Anorad para impulsar una máquina Maskant de 20 m de largo en Boeing para el fresado químico de alas de aviones . ^[2] En 1997, FANUC licenció la tecnología de motores lineales de Anorad y la integró como una solución completa con su línea de productos CNC. ^[3] Y en 1998, Rockwell Automation adquirió Anorad para competir con Siemens y Fanuc en el suministro de soluciones completas de motores lineales para impulsar máquinas herramienta de alta velocidad en líneas de transferencia automotrices . ^[4] En la actualidad, los motores lineales se utilizan en cientos de miles de sistemas de posicionamiento de alto rendimiento que impulsan procesos de fabricación en todo el mundo. Se espera que su mercado crezca, según algunos estudios, a un ritmo del 4,4 % anual y alcance los 1500 millones de dólares en 2025. ^[5]

• Semiconductores: la fotolitografía es un proceso de fabricación de obleas (electrónica) en plantas de fabricación de semiconductores . Utiliza etapas de motor lineal o etapas de levitación magnética, para un posicionamiento extremo, para mover su etapa de oblea. ^[6]
• Electrónica: La tecnología de montaje superficial utiliza sistemas de posicionamiento de motores lineales de alto rendimiento para montar chips de circuitos integrados en placas de circuitos impresos . ^[7]
• Óptica: Los microscopios estereoscópicos utilizan plataformas de posicionamiento de motor lineal para lograr una gran suavidad de movimiento durante el escaneo ^[8]
• Máquinas herramienta: el mecanizado por descarga eléctrica de alambre se utiliza para cortar metales duros y gruesos, como en la fabricación de matrices . Los sistemas de posicionamiento con cojinetes de aire y motor lineal proporcionan una gran suavidad de movimiento. ^[9]
• CMM: Las máquinas de medición de coordenadas a menudo requieren una base de granito, soportes de aislamiento, actuadores de motor lineal, cojinetes de aire e interferómetro láser. ^[10]
• Automatización de laboratorio: el proceso de detección de alto rendimiento se utiliza en la automatización de laboratorio para el descubrimiento de fármacos , donde el posicionamiento del motor lineal proporciona alta aceleración/desaceleración con un tiempo de estabilización corto. ^[11]

La especificación del sistema (norma técnica) es una interfaz oficial entre los requisitos de la aplicación (problema), tal como los describe el usuario (cliente), y el diseño (solución) optimizado por el desarrollador (proveedor).

• Inercia : indica la resistencia de la carga en movimiento (herramienta o pieza) a cambios lineales (kg) y angulares (kg·m2) en la velocidad. Para maximizar la frecuencia natural, la inercia de la carga en movimiento debe ser mínima.
• Tamaño - Indica las restricciones geométricas del ancho (m), largo (m) y alto (m) del sistema, según sean necesarias para su manipulación, transporte o instalación.
• Movimiento : indica el tiempo del ciclo del proceso (s) y las restricciones del proceso para cada grado de libertad , incluido el recorrido máximo (m, rad), la velocidad máxima (m/s, rad/s) y la aceleración/desaceleración máxima (m/s2, rad/s2).
• Precisión: indica la resolución lineal y angular de la medición de la posición y el movimiento (um, urad), así como la lectura total del indicador de precisión y exactitud para cada grado de libertad.
• Jitter : indica la amplitud máxima (um) de vibraciones de alta frecuencia que se permite en condiciones de reposo.
• Velocidad constante: indica la suavidad de movimiento requerida y las variaciones permitidas en (+/- %) de la velocidad constante requerida (m/s, rad/s) durante el movimiento.
• Rigidez : Indica la resistencia al cambio de posición en respuesta a una carga externa (N/um, N·m/rad).
• Vida útil: indica el tiempo esperado (horas) o el recorrido (km) que se espera que el grado de libertad más activo del sistema actúe de manera confiable en la operación del proceso.
• Confiabilidad: tiempo medio entre fallas (horas, ciclos) a menudo asociado con un requisito de modos de falla, efectos y análisis de diagnóstico.
• Mantenibilidad: Tiempo medio de reparación (horas), a menudo asociado con manuales del sistema que incluyen información sobre operación, programa de mantenimiento y lista de repuestos.
• Entorno: indica las condiciones de perturbación esperadas que el sistema puede encontrar durante su funcionamiento durante su vida útil, incluidas las condiciones térmicas, la humedad, los golpes y las vibraciones, la limpieza y la radiación.

• Térmico - Indica la temperatura máxima y mínima (°C) que puede soportar el sistema durante su funcionamiento. Afecta a las deformaciones estructurales y a la precisión. Puede requerir refrigeración, aislamiento y material de baja conductividad térmica.
• Humedad : indica el nivel de vapor de agua en el aire circundante (%). Puede incluir la protección del sistema requerida según el código IP . Puede requerir sellos protectores.
• Choque (mecánica) y vibración: indica el nivel de vibración del suelo y otras perturbaciones del proceso. Puede requerir soportes de aislamiento de vibración activos o pasivos y material estructural con alta amortiguación. ^[12]
• Limpieza : indica el nivel permitido (tamaño y cantidad por unidad de volumen) de partículas en el aire circundante. Puede requerir el funcionamiento en sala limpia , la filtración del aire entrante y sellos protectores. ^[13]
• Radiación: Las interferencias electromagnéticas pueden requerir una gestión de cables blindados, material estructural no ferroso y pantallas protectoras de las placas magnéticas del motor lineal.

La configuración de HPPS generalmente está optimizada para lograr la máxima rigidez estructural con máxima amortiguación y mínima inercia, el menor error de Abbe en el punto de interés (POI), con un mínimo de componentes y máxima capacidad de mantenimiento.

• X - Una sola etapa lineal , impulsada por un motor lineal , un tornillo de bolas o una correa de distribución , suele estar disponible como actuador estándar (también conocido como corredera, eje o mesa) de muchos proveedores. ^[14]
• XYZ: conjunto personalizado de etapas individuales, que incluye gestión de cables móviles . El eje Z suele accionarse con un husillo de bolas o un motor lineal con contrapeso . Los ejes pueden estar separados para reducir la inercia.
• XYZR: los ejes rotacionales que incluyen inclinación, guiñada y balanceo generalmente se agregan en HPPS para orientar la herramienta del extremo del brazo (EOAT) o el efector final del robot .
• Pórtico: la configuración de pórtico proporciona el máximo espacio de trabajo en la configuración XYZ según las restricciones de tamaño dadas. Tiene 2 ejes paralelos para x, controlados como un solo eje o maestro/esclavo. Ideal para líneas de transferencia .
• Rotatorio (cabeceo, guiñada, balanceo): las etapas rotatorias se pueden personalizar con una etapa lineal en distintos ordenes para cumplir mejor con las especificaciones. Por lo general, utilizan un mecanismo de accionamiento directo , análogo a los motores lineales.
• Personalizado: Es posible que se requieran configuraciones personalizadas de HPPS en el proceso de optimización matemática para integrar los mejores componentes del sistema en el sistema más compacto y con mayor capacidad de respuesta.

El análisis del sistema es un proceso de comprensión de las relaciones entre los parámetros de diseño, las condiciones de operación, las variables ambientales y el rendimiento del sistema basado en herramientas de análisis y modelado del sistema .

• Dinámica (mecánica) : optimización del movimiento lineal y los perfiles rotacionales , precisión dinámica, cargas de cojinetes y potencia del motor, utilizando herramientas de análisis como MATLAB , Simulink , Mathcad y Microsoft Excel
• Análisis de vibraciones : estimación de frecuencia natural , ancho de banda del servo , tiempos de asentamiento, utilizando herramientas de análisis como MATLAB , Simulink , Mathcad , Microsoft Excel
• Exactitud y precisión : estimación de errores estáticos 3D en el punto de interés en función de la rectitud, planitud, inclinación, guiñada, balanceo, bamboleo y desviaciones de los ejes utilizando herramientas de análisis como Mathcad y Microsoft Excel.
• Resistencia de materiales - Estimación de rigidez de ejes, marcos, soportes y estructuras de montaje, utilizando herramientas del método de elementos finitos como AutoCAD , Nastran
• Expansión térmica : predicción de expansiones térmicas y optimización de la transferencia de calor mediante aislamiento y refrigeración, utilizando herramientas de análisis como AutoCAD , Nastran
• Dinámica de fluidos : estimación de caudales y presiones de suministro para actuadores de fluidos y refrigeración mediante herramientas de análisis como la dinámica de fluidos computacional
• Control servo : estimación de filtros necesarios y parámetros de ajuste para bucles de controladores PID de ejes del sistema utilizando herramientas de análisis como MATLAB y Simulink
• Ingeniería de confiabilidad : estimación del tiempo medio entre fallas del sistema utilizando herramientas de análisis como Mathcad y Microsoft Excel

El dimensionamiento de componentes es el proceso de seleccionar piezas estándar de proveedores de componentes o diseñar una pieza personalizada para su fabricación.

• Marco: generalmente hecho de tubos huecos soldados de aluminio o acero, posiblemente rellenos con hormigón compuesto para amortiguar. Montado sobre placas niveladoras y fijado al piso, posiblemente con postes antisísmicos.
• Solenoide
  • Corredera, base: las bases de alta precisión utilizan granito para lograr planitud y estabilidad térmica. Las plataformas estándar de menor precisión utilizan aluminio extruido. Las plataformas personalizadas suelen utilizar aluminio acanalado o acero inoxidable mecanizado para lograr una alta rigidez y baja inercia.
  • Cojinete: las opciones incluyen cojinete de rodillos cruzados para un recorrido relativamente corto, cojinete de recirculación para una mayor rigidez y un recorrido más largo y cojinete de aire con base de granito para una mayor suavidad de movimiento y mayor precisión.
  • Servomotor : motor eléctrico de corriente continua lineal sin escobillas para ejes horizontales con corriente trifásica sincronizada en bobina móvil y campo en placas magnéticas estacionarias de bajo desgaste. Para ejes de motor lineal vertical se puede utilizar un contrapeso. Las etapas rotativas utilizan un motor de accionamiento directo de 2 partes similar, que incluye una armadura de bobina estacionaria y un rotor magnético móvil.
  • Retroalimentación: codificador de alta resolución, generalmente óptico, magnético o de captación, analógico o digital, lineal o rotatorio, absoluto o incremental con marca de índice para el retorno al origen. Interferometría láser para recorridos largos, precisión submicrónica.
  • Forzador: las opciones de forzador incluyen husillo de bolas para alta fuerza, cremallera y piñón para recorridos largos y transmisión por correa de distribución para alta velocidad. Sus limitaciones en HPPS son la fricción, la vibración, el juego, la menor rigidez y el mantenimiento.
• Gestión de cables: para la transmisión de energía y señales. El eslabón más débil de la cadena de confiabilidad del sistema. Un radio de curvatura menor para un perfil bajo aumenta la fatiga. Requiere un portacables o el uso de un cable plano. Introduce fluctuaciones.
• Accesorios - Topes duros, soportes de refuerzo, fuelles, soportes amortiguadores , ventiladores de refrigeración por aire , límites, flexiones, pinzas para efectores finales de robots , cámaras de visión artificial y sensores para Inteligencia Artificial , Aprendizaje automático , monitorización como acelerómetros , sensores de temperatura y giroscopios .
• Servoaccionamiento : amplificación de señales de control de movimiento para accionar servomotores. Su potencia varía desde baja hasta 10 kW. Por ejemplo, 40 kW para accionar un motor lineal de alta fuerza de 10 000 N que se mueve a 4 m/s. El voltaje de CC varía desde 24 V/48 V seguros hasta más de 400 V. Las altas tasas de actualización del bucle de corriente de las señales del motor son del orden de miles de Hz. La comunicación de red más común con el controlador de movimiento se realiza a través de EtherCAT .
• Controlador PID de movimiento : las opciones incluyen control numérico por computadora (CNC), eje único, ejes múltiples, basado en PC, independiente o integrado con servoaccionamiento y/o PLC, incluyendo E/S, autoajuste, diagnóstico y programación disponibles desde múltiples fuentes. ^[15]
• Controlador lógico programable (PLC): capa superior en el sistema de control jerárquico para el control de la secuencia de procesos, proporcionado por muchos proveedores. ^[16]

La prueba del sistema es un proceso iterativo de desarrollo del sistema, destinado a validar el modelado del análisis del sistema, la prueba de conceptos, el factor de seguridad de las especificaciones de rendimiento y las pruebas de aceptación.

• Recorrido de movimiento, velocidad máxima, aceleración máxima, tirón: normalmente se proporciona dentro del controlador de movimiento.
• Precisión lineal, repetibilidad, planitud, rectitud, guiñada, inclinación - Interferómetro láser . ^[17]
• Precisión angular, repetibilidad, descentramiento, oscilación - Autocolimador .
• Tiempo de ciclo, tiempo de estabilización, fluctuación, velocidad constante: generalmente se proporcionan dentro del controlador de movimiento.
• Estabilidad térmica: sensores de temperatura montados en múltiples ubicaciones para observar la transferencia de calor.
• Inercia, rigidez: escalas, relojes comparadores y dinamómetros .
• Frecuencia natural , ancho de banda del servo : generalmente se proporciona con un controlador de movimiento que tiene herramientas de respuesta de frecuencia . ^[18]
• Tiempo medio entre fallos , prueba de vida útil: funcionamiento continuo durante un período específico sin fallos en condiciones de funcionamiento extremas, bajo supervisión continua y con comprobaciones visuales y de sensores frecuentes. ^[19]

• Slocum, Alexander (1992). Diseño de máquinas de precisión. Sociedad de Manufactura. p. 750. ISBN 0872634922.