Desarrollo mecatrónico de sistemas flexibles para la ingeniería de precisión: posicionador dual de resolución nanométrica.

Resumen

Un posicionador nanométrico forma parte de dispositivos de alta precisión en áreas como microscopía, microfabricación, manipulación biológica, metrología, entre otras. Estos sistemas generalmente utilizan actuadores piezoeléctricos para generar la deformación elástica de una estructura que guía el movimiento. Aunque se caracterizan por ofrecer una resolución teórica ilimitada, su desplazamiento suele ser de algunas decenas de micrones, incluso con amplificación mecánica. Sin embargo, muchas aplicaciones requieren desplazamientos mayores con un alto grado de precisión a lo largo de todo el rango de movimiento. Una manera efectiva de lograr este objetivo se consigue a partir de un sistema de posicionamiento dual. Este consiste de dos sistemas montados en serie, donde uno de ellos se caracteriza por lograr desplazamientos amplios, con resolución moderada y el otro de mayor resolución, pero menor recorrido. Esta solución permite combinar las bondades de cada uno para cumplir el objetivo de posicionamiento, situación que no puede lograrse solo con uno de ellos. El desarrollo de estos sistemas impone exigencias tanto en el diseño mecánico del conjunto como en la estrategia de control. El diseño debe garantizar una solución compacta que permita su utilización dentro de sistemas de manipulación. Además, el rango de desplazamiento del sistema de alta resolución debe ser lo suficientemente amplio para compensar los errores de posicionamiento del sistema de baja resolución. Referido al control de estos dispositivos, se puede señalar que el mismo debe garantizar una adecuada coordinación entre ambas etapas de movimiento, asegurando que las mismas operen de manera colaborativa para alcanzar la posición deseada. Por su parte, el controlador debe ser capaz de ofrecer un correcto desempeño en presencia de eventuales perturbaciones que puedan incidir sobre estos sistemas durante su funcionamiento. Por lo expuesto anteriormente, el grupo de Mecatrónica Aplicada de la FI-UNLPam ha trabajado en el diseño y ensamble de un posicionador dual de estructura monolítica para un recorrido de 10 mm de amplitud y resolución nanométrica. La etapa de baja resolución será accionada con un motor paso a paso y un sistema de tornillo-tuerca montado sobre una estructura y acoples impresos con tecnología 3D. La combinación del paso del tornillo y el paso del motor definen una resolución de posicionamiento de 2,5 μm. La etapa de alta resolución se diseña para un recorrido de 30 μm y se implementa en el área de trabajo del sistema de baja resolución. Se utiliza un actuador piezoeléctrico de 16 μm de desplazamiento nominal y un mecanismo de tipo puente para amplificar su recorrido, como se ilustra en la Figura 1. En forma paralela a la etapa de diseño se ha trabajado en el desarrollo del algoritmo de control aplicable a estos sistemas, que permita compensar parte de su dinámica no conocida. Como avances del trabajo de investigación, se presentan cuestiones afines al diseño del sistema dual desarrollado y resultados preliminares a lazo cerrado obtenidos con el algoritmo de control propuesto, utilizando el equipamiento que se ilustra en la Figura 2.