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Feb 18, 2024

Una introducción al enchufe

Si construye máquinas, probablemente trabaje con actuadores y etapas de posicionamiento todos los días. Pero, ¿realmente obtiene el mejor rendimiento o el menor costo de propiedad de estos dispositivos de movimiento? La respuesta

Si construye máquinas, probablemente trabaje con actuadores y etapas de posicionamiento todos los días. Pero, ¿realmente obtiene el mejor rendimiento o el menor costo de propiedad de estos dispositivos de movimiento? Puede que la respuesta no sea la que esperabas.

Mike Everman, director de tecnología, | Bell-Everman

Si construye máquinas, probablemente trabaje con actuadores y etapas de posicionamiento todos los días. Pero, ¿realmente obtiene el mejor rendimiento o el menor costo de propiedad de estos dispositivos de movimiento? Puede que la respuesta no sea la que esperabas.

Con demasiada frecuencia, los ingenieros piensan en las etapas o actuadores como un elemento más en la lista de materiales. Siempre y cuando el dispositivo de movimiento cumpla nominalmente con los requisitos de posicionamiento, fuerza, carga útil, velocidad y costo deseados, está listo.

Con requisitos de movimiento simples, este enfoque para la selección de etapa o actuador puede producir resultados aceptables. Sin embargo, las máquinas con requisitos de movimiento mecánico complejos se beneficiarán de una estrategia de diseño de movimiento integrada. En lugar de una colección de componentes electromecánicos, que pueden funcionar bien juntos o no, los sistemas de movimiento integrados funcionan como verdaderos subsistemas de máquinas plug-and-play.

Los sistemas de movimiento integrados están diseñados para caber dentro de un espacio físico predefinido en una máquina y conectarse al sistema de control de movimiento de la máquina, listos para aceptar comandos desde una interfaz de computadora de alto nivel, una tarjeta de control o un PLC. En su forma más simple, los sistemas de movimiento integrados pueden consistir en poco más que una etapa o actuador que ha sido conectorizado para facilitar la instalación empotrada. En su forma más compleja, estos subsistemas de movimiento se extienden desde la configuración de pines hasta la carga útil. Abarcan no sólo el dispositivo de movimiento en sí, sino también todo lo que transporta.

Las etapas ServoBelt Rotary se utilizan normalmente para aplicaciones de posicionamiento de precisión, pero también son una plataforma de movimiento ideal para una nueva máquina CNC.

En comparación con un enfoque componente por componente para el movimiento de la máquina, el movimiento integrado ofrece algunas ventajas convincentes:

Incluso cuando utilizan la misma etapa o actuador, los sistemas de movimiento integrados normalmente superarán a los sistemas de movimiento integrados. La razón se reduce a la experiencia en aplicación y montaje. Un buen proveedor de movimiento integrado tendrá años de experiencia resolviendo problemas de posicionamiento difíciles y una colección de componentes básicos de movimiento probados que se pueden personalizar para la tarea en cuestión. Tendrán un conocimiento profundo de cómo la dinámica del escenario, la arquitectura de control de movimiento y el entorno operativo afectarán los requisitos de posicionamiento.

En cuanto al ensamblaje, muchos fabricantes de máquinas carecen de técnicos capacitados, accesorios especializados, interferómetros láser y otros sistemas de metrología necesarios para alinear las etapas multieje más precisas, que a menudo tienen tolerancias de alineación de eje a eje medidas en micras.

Los sistemas de movimiento integrados pueden enviarse o no con controles de movimiento, según los requisitos del cliente. Pero una estrategia de control siempre debería ser parte de la ecuación de movimiento integrada. Un buen proveedor de movimiento integrado tendrá un amplio conocimiento de cómo las diferentes plataformas de control de movimiento y sus capacidades cinemáticas interactuarán con los sistemas de movimiento mecánico. Este conocimiento puede permitirnos ir más allá de lo que es posible en términos de capacidades dinámicas, como índices de desajuste de inercia aceptables.

Basada en los actuadores lineales ServoBelt, esta etapa de múltiples ejes se ensambla y prueba completamente como una sola unidad antes de su integración en una máquina de fabricación de semiconductores más grande.

Al poner en marcha un nuevo sistema de movimiento, algunos de los problemas más comunes ocurren porque componentes individuales, aparentemente menores, no funcionan correctamente o no funcionan correctamente entre sí. Por ejemplo, un solo conector defectuoso o un cable incorrecto pueden dejar inmóvil incluso la mejor etapa de movimiento. Los sistemas de movimiento integrados evitan este tipo de falla porque se ensamblan y prueban como un sistema antes de su integración en la máquina de producción. Con los sistemas de movimiento compuestos por componentes individuales, los pequeños fallos e incompatibilidades pueden pasar desapercibidos hasta que la máquina de producción se une.

Los sistemas de movimiento integrados suelen costar entre un 25 y un 50 % menos que sus homólogos basados ​​en componentes. En parte, este ahorro proviene de la capacidad de reducir el número de piezas, por ejemplo, mediante el diseño de soportes, conectores y otros componentes. La reducción de costos puede dispararse muy por encima del 50 % si se tienen en cuenta todos los componentes de costos ocultos asociados con la construcción e instalación de un sistema de movimiento. Estos incluyen costos relacionados con la ingeniería de diseño, inventario, tiempo de comercialización y más.

Muchos tipos de aplicaciones pueden aprovechar los beneficios del movimiento integrado. Hemos implementado este enfoque en docenas de máquinas de semiconductores, de banco húmedo, de corte por láser, de embalaje y de automatización de laboratorio. Los estudios de caso que siguen destacan dos aplicaciones cuyos requisitos de rendimiento y costo habrían sido imposibles de cumplir sin una solución de movimiento integrada. Uno es un sistema de movimiento integrado lineal para una operación de singularización de semiconductores de precisión. El otro es un subsistema de movimiento giratorio que creamos para un tipo único de máquina CNC.

Las etapas apiladas de cualquier tipo pueden sufrir problemas de alineación y control cuando las diseñas y construyes como una colección de ejes individuales. Si ese escenario apilado tiene que cumplir requisitos desafiantes de precisión de posicionamiento o velocidad, es crucial que el escenario funcione como un sistema integrado. Recientemente entregamos una etapa de este tipo para una operación de singularización de semiconductores.

Esta etapa multieje requería un sistema de accionamiento lineal lo suficientemente versátil como para realizar dos tipos de movimientos muy diferentes. Uno era un movimiento de largo recorrido a 400 mm/seg. El otro era un movimiento corto y de alta velocidad de 13 mm que debía alcanzar los 10 micrones en 150 milisegundos. La masa en movimiento vista por el eje más bajo del sistema fue de 38 kg con un objetivo de precisión bidireccional de ± 5 micras basado en la referencia de posicionamiento de un codificador lineal óptico Renishaw de 1 micra.

Los sistemas de movimiento integrados tienen una serie de costos ocultos que pueden eliminarse mediante el enfoque de movimiento integrado, que incluyen:

Costos de tiempo de comercialización. Los sistemas de movimiento integrados, que inherentemente soportan la ingeniería concurrente, pueden reducir semanas o incluso meses el tiempo de desarrollo de una máquina compleja.

Costos de Programa, Producción y Gestión de Materiales. Los sistemas de movimiento integrados se envían como una sola lista de materiales, lo que elimina cientos de piezas que deben ordenarse, inventariarse y ensamblarse.

Costos de producción. Los sistemas de movimiento de precisión requieren técnicos de ensamblaje capacitados y equipos de producción especializados cuyo costo puede ser difícil de justificar si no se utiliza por completo.

Costos de garantía y fallas. Un buen proveedor de movimiento integrado garantizará sus sistemas contra fallas y respaldará su trabajo, lo que reduce el riesgo del OEM.

El cliente primero intentó utilizar un diseño de etapa de husillo de bolas XY existente. Por un amplio margen, simplemente no logró realizar los cambios deseados ni cumplir con los requisitos de rendimiento del cliente. En teoría, era posible idear un diseño basado en husillos de bolas que cumpliera con los requisitos de movimiento. Sin embargo, un diseño de este tipo requeriría costosos codificadores y husillos de bolas sin juego que excederían los objetivos de costos del proyecto.

A continuación, el cliente recurrió a los motores lineales. Si bien eran capaces de realizar los movimientos deseados, los motores lineales para esta aplicación habrían sido grandes y costosos debido a la larga bobina del motor necesaria para cumplir con los requisitos de fuerza continua de 300 N de la aplicación. La longitud de la bobina habría requerido cambios radicales en el diseño general de la máquina. Y el coste del motor lineal habría sido más de un 50% superior a los objetivos de costes del cliente.

En última instancia, el cliente optó por un sistema de movimiento integrado basado en nuestros accionamientos ServoBelt Linear y una estrategia de control contraria a la intuición que rechazaba el control de bucle doble en favor del control de bucle único utilizando solo el codificador lineal.

El sistema de movimiento ServoBelt superó al motor lineal más caro al proporcionar:

Una solución sin reacción. La única manera de lograr movimientos de índice rápidos en esta aplicación fue cerrar los bucles servo usando el codificador lineal, lo que requiere una línea de transmisión verdaderamente libre de juego desde el motor hasta la carga útil. ServoBelt no tiene reacción, lo que resultó esencial a la hora de ajustar un sistema de control que cumpliera con los requisitos dinámicos.

Amortiguación inherente. ServoBelt ofrece inherentemente una excelente amortiguación mecánica, lo que permite ganancias de sintonización muy altas (normalmente 4 veces la velocidad y las ganancias posicionales), lo que se traduce en tiempos de estabilización extremadamente bajos. Los motores lineales, por el contrario, deben simular esta amortiguación en la electrónica del servoamplificador, lo que reduce inherentemente la posible ganancia posicional.

Un sistema compacto, plug-and-play. El escenario fue diseñado, montado y entregado como una sola unidad. Nos encargamos de la alineación crucial, las pruebas funcionales y el trabajo intensivo. Los problemas se identifican en nuestro taller, no en las máquinas de nuestros clientes. Diseñar el escenario como un sistema de movimiento integrado también nos permitió cumplir con los requisitos de espacio físico predefinidos.

La mayoría de las fresadoras CNC se basan en componentes de movimiento lineal. Sin embargo, el movimiento giratorio permite que la máquina cumpla con los estrictos requisitos de acabado de superficies.

Las fresadoras CNC de tres ejes suelen depender de sistemas de movimiento lineal para posicionar la herramienta de corte. Tomamos un camino diferente con una plataforma CNC integrada que desarrollamos recientemente para el fresado de cerámica médica.

En lugar de un sistema tradicional de movimiento lineal de tres ejes, esta nueva máquina del tamaño de una computadora de escritorio combina dispositivos de posicionamiento lineal y giratorio. Los dispositivos giratorios, dos de nuestras unidades ServoBelt 100, están uno frente al otro. Uno de los dispositivos giratorios lleva un husillo accionado por aire de 150.000 RPM. El otro giratorio sostiene la pieza de trabajo y puede girarla 180 grados para permitir el mecanizado por ambos lados. El eje lineal, impulsado por nuestro actuador ServoNut, permite que el dispositivo giratorio con los cabezales de corte se traslade axialmente con respecto al giratorio que sujeta la pieza de trabajo.

Los tres dispositivos se mueven sincronizados durante las operaciones de mecanizado. El eje lineal maneja el posicionamiento del eje Z, llevando la herramienta de corte a la cara de la pieza de trabajo. Los dos ServoBelts giran entre sí, de modo que la herramienta de corte puede alcanzar cualquier punto de la superficie de la pieza de trabajo en un volumen de 40x40x40 mm.

El diseño rotativo ofrecía importantes ventajas técnicas. Por un lado, las etapas giratorias exhiben una rigidez extremadamente alta, lo cual es crucial para cumplir con las tolerancias de mecanizado de la aplicación. Por otro lado, los rotativos están lubricados de por vida, lo que ahorra costos de mantenimiento y reduce la posibilidad de contaminación. Y, por último, las etapas giratorias proporcionaron una solución de sellado simple que protege los componentes de movimiento del fluido de corte y del polvo cerámico volador. Ambas etapas giratorias se extienden a través de simples sellos giratorios en la pared de la cámara de corte. Por el contrario, un sistema de movimiento XYZ habría requerido escenarios de sellado menos elegantes, como fuelles y cubiertas de armadillo.

El movimiento coordinado en este sistema requirió un replanteamiento de la cinemática CNC, en gran parte porque el posicionamiento giratorio de la herramienta de corte y la pieza de trabajo requiere el uso de coordenadas polares en lugar de cartesianas. El controlador todavía recibe comandos de código G XYZ pero los convierte a coordenadas polares en tiempo real, lo cual no es una tarea fácil.

Entonces, ¿por qué hacer el esfuerzo? El movimiento giratorio tiene una ventaja inherente sobre el lineal al producir un acabado superficial suave en las piezas cerámicas. La razón se reduce al "retumbar" que incluso los mejores rodamientos lineales y husillos de bolas pueden exhibir cuando las bolas recirculan dentro y fuera de un estado cargado entre las ranuras del rodamiento. Este ruido de la bola habría reverberado a través del sistema de movimiento y se habría transferido a la pieza como variaciones periódicas en la calidad de la superficie. Con sus cojinetes giratorios de gran diámetro, las etapas ServoBelt Rotary evitan inherentemente por completo el problema del ruido de las bolas.

Esta máquina CNC no tradicional tiene todas las características de una aplicación de movimiento integrado ideal. Requirió:

Tanto en controles como en mecánica. Combinar el sistema mecánico con los controles y amplificadores que respaldan la compleja cinemática del movimiento polar requirió un enfoque de sistemas y meses de pruebas. También tuvimos que desarrollar un conjunto de técnicas y herramientas de alineación para construir este nuevo sistema CNC.

Diseño compacto, fácil integración. El espacio era escaso en esta máquina CNC del tamaño de una computadora de escritorio. El diseño de ServoBelt Rotary, que presenta un gran orificio pasante sin obstrucciones, nos permitió utilizar el espacio disponible de manera eficiente. Los orificios pasantes de 100 mm facilitaron llevar el suministro de aire directamente al husillo, insertar un indexador de material en el lado de la pieza de trabajo y realizar todas las conexiones eléctricas necesarias.

Contención de costes. Un aspecto interesante de este sistema de movimiento integrado es que no es más complejo de lo necesario. El principal requisito funcional era el acabado de la superficie, no la precisión del posicionamiento. Las necesidades de posicionamiento son bastante modestas, al menos según nuestros estándares. Así que pudimos prescindir de los codificadores de lectura directa y ejecutar todo el sistema en modo de bucle abierto. Eso le ahorró a nuestro cliente miles de dólares por máquina.

ServoBeltTM Linear viene en dos estilos de carro diferentes. El carro estándar es más compacto y utiliza nuestra tecnología de transmisión por doble correa. Este estilo de carro es adecuado para la mayoría de las aplicaciones. El carro LoopTrack es un diseño en el que la correa de transmisión superior se enrolla continuamente dentro del propio carro. Previene la posibilidad de que la correa se hunda en aplicaciones invertidas o en voladizo.

El salto de sistemas de movimiento componente por componente a sistemas de movimiento integrados puede parecer un acto de fe. Después de todo, subcontratará el control de movimiento a un proveedor.

Sin embargo, si elige al proveedor adecuado, la subcontratación dará sus frutos con un mejor rendimiento y confiabilidad. Los costos también disminuirán a medida que los subsistemas de movimiento lleguen a su planta completamente probados, garantizados y listos para instalarse en su máquina.

Bell-Everman crea dispositivos de movimiento que ofrecen la mejor precisión, calidad y valor de su clase. Nuestras tecnologías de control de movimiento se incorporan a una amplia variedad de sistemas de automatización y metrología, incluidos los que se encuentran en las industrias aeroespacial, biomédica, de semiconductores, de ensamblaje de productos electrónicos, de corte por láser y chorro de agua, de mecanizado CNC y de embalaje. Nuestra línea de productos comprende rodamientos lineales de precisión, dispositivos de posicionamiento de movimiento lineal, etapas giratorias y sistemas robóticos multieje completos. Todos los productos están diseñados y fabricados en nuestras propias instalaciones en el sur de California.

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