Esta tesis debate el diseño de rodamientos axiales aerostáticos activos, con el fin de desarrollar herramientas de diseño para simular, analizar y optimizar su rendimiento, para el control de posición nanométrica, rastreo rápido y rechazo de perturbaciones. Se presentan los antecedentes teóricos de estas herramientas y su precisión se valida con resultados experimentales.
Los rodamientos aerostáticos activos extienden la función del rodamiento a la función del actuador sin contacto por medio de actuadores piezoeléctricos que modifican la forma de la superficie del rodamiento, afectando así a la distribución de la presión y a la fuerza del rodamiento. El fuerte acoplamiento entre la flexibilidad estructural de la placa de rodamiento, la distribución de presión, la piezoelectricidad y el control requieren la consideración simultánea de todos estos efectos a la hora de analizar el rendimiento de los rodamientos neumáticos activos. Por lo tanto, se ha desarrollado un modelo de elementos finitos en multifísica con formulación fuertemente acoplada para simular las características estáticas y dinámicas de los rodamientos neumáticos activos.
Los actuadores piezoeléctricos ofrecen muy buenas características para el control de posición, logrando una alta precisión y ancho de banda. Sin embargo, dos efectos pueden limitar el rendimiento: la histéresis no simétrica en la relación entre tensión y elongación, y la amplificación en vibración del ruido eléctrico en la señal de tensión. Se ha desarrollado y utilizado un nuevo modelo para la histéresis no simétrica para la compensación de histéresis en tiempo real, que muestra una mejora relevante en la precisión del seguimiento de la posición a altas frecuencias. El efecto no deseado del ruido eléctrico a altas frecuencias se reduce implementando un filtro analógico (hecho de hardware) para la tensión aplicada al actuador piezoeléctrico.
Las herramientas para optimizar las características del actuador de los rodamientos neumáticos activos arriba señaladas no son suficientes para analizar el rendimiento real del sistema. Cuando se busca la precisión nanométrica, existen varias posibles perturbaciones que pueden limitar el rendimiento del sistema, desde la vibración del suelo al ruido eléctrico en los sensores y actuadores. La variedad y naturaleza diferente de estas perturbaciones (es decir, diferentes espectros de potencia que actúan en diferentes puntos del sistema de control en lazo) requieren herramientas más avanzadas que las funciones de respuesta de frecuencia para un análisis directo del sistema, tanto en la etapa de diseño como de evaluación del prototipo. El método de análisis dinámico de incertidumbres se ha implementado con éxito para evaluar el rendimiento de los prototipos de rodamiento neumático activo. Los rodamientos neumáticos activos no son productos industriales finales, sino que deben integrarse en máquinas más complejas. Se han analizado los desafíos de diseño en el desarrollo de un carro aerostático activo con rodamientos activos para lograr una precisión submicrométrica en todos los grados de libertad. Se ha construido un primer prototipo y se ha demostrado la viabilidad de un control de varios grados de libertad con rodamientos neumáticos activos.