Wirtschaftliche Techniken zur Fehlausrichtungskompensation verhindern eine Lagerüberlastung und einen vorzeitigen Ausfall des Portals
Werkzeuge zur Portalausrichtung
Wenn Hersteller von Positionierungssystemen ein Portalsystem bauen, verwenden sie während des Montageprozesses in der Regel spezielle Ausrichtungswerkzeuge, um sicherzustellen, dass sie den Kraft-, Präzisions- und Lebensdauerspezifikationen entsprechen.
Laserinterferometer werden häufig zur Ausrichtung von Maschinen mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von Mikrometern und Bogensekunden eingesetzt. Beispielsweise hilft ein Laserinterferometer von Renishaw dabei, die Ebenheit, Geradheit und Rechtwinkligkeit der Portalschienen auszurichten.
Andere Werkzeuge, wie beispielsweise Ausrichtungslaser von Hamar, nutzen rotierende Laserstrahlen als Präzisionsreferenzebenen im Raum mit Sensoren, die auf dem beweglichen Schlitten platziert sind. Durch Einstellen der Schienennivellierungsschrauben oder Unterlegen der Schienen wird die Schiene oder Bühne in die gewünschte Ausrichtung gebracht. Das Nivellieren von Schienen mit hoher Präzision kann je nach Genauigkeitsgrad, Größe und Konfiguration einer Maschine Tage oder Wochen dauern.
Für Ausrichtungsanforderungen mit geringerer Genauigkeit werden verschiedene mechanische Komponenten verwendet, darunter elektronische Nivelliergeräte, Messuhren, gerade Kanten und parallele Balken. Dabei richten Techniker die Masterschiene mit einer Messuhr an einer Präzisionsmontagefläche oder einer geraden Kante aus. Nachdem eine Schiene mit der erforderlichen Präzision festgezogen wurde, wird ein Schlitten entlang geführt, während die Schrauben der zweiten schwimmenden Schiene mithilfe einer Messuhr oder eines Führungsschlittens festgezogen werden.
Unabhängig von der Ausrichtungsmethode muss sichergestellt werden, dass eine verbleibende Fehlausrichtung keine Kräfte auf die Bühnenschienen ausübt, die zu einer verkürzten Lebensdauer oder einem katastrophalen Ausfall führen können.
Portalsysteme, manchmal auch als kartesische Roboter bezeichnet, sind ideale Positionierungssysteme für automatisierte Transferstraßen. Bei dieser Art von Fertigungsprozess transportiert ein kontinuierlicher oder getakteter Förderer Teile von einer Portalstation zu einer anderen. Jede Portalstation entlang der Förderstrecke manipuliert ein Werkzeug in Bezug auf ein Teil, um Fertigungsvorgänge wie Bearbeitung, Kleben, Zusammenbauen, Inspektion, Drucken oder Verpacken durchzuführen. Portale werden häufig zum Positionieren von Produkten auf automatisierten Transferlinien verwendet.
Natürlich muss die Zuverlässigkeit jeder Maschine in einem Transferlinienbetrieb extrem hoch sein, um Ausfallzeiten zu minimieren, da ein Ausfall einer Maschine zu einem kostspieligen Stillstand der gesamten Transferlinie führen kann. Darüber hinaus umfassen Portale viele kritische Elemente, wie z. B. eine Steuerung, einen Verstärker, einen Motor, eine Kupplung, einen Aktuator (z. B. eine Kugelumlaufspindel, einen Riemen oder einen Linearmotor), Schienen, Schlitten, Basis, Anschläge, Encoder und Kabel. Die Zuverlässigkeit des gesamten Portalsystems ist die statistische Summe der Zuverlässigkeiten aller Komponenten.
Für eine hohe Systemzuverlässigkeit muss jede Komponente so dimensioniert sein, dass ihre Belastung während des Betriebs ihre Nennwerte nicht überschreitet. Während die Dimensionierung jeder Komponente gemäß den Empfehlungen des Komponentenherstellers eine unkomplizierte technische Aufgabe sein kann, sind die Fehlermodi bei linearen Schienen etwas komplexer. Dabei kommt es neben Tragfähigkeit, Größe und Präzision auch auf die genaue Orientierung im Raum an.
Fehlausrichtungsprobleme
Fast alle Hersteller von Linearschienen sind sich einig, dass eine Fehlausrichtung zu Problemen führt. Von allen Faktoren, die zum vorzeitigen Ausfall von Linearlagern beitragen, steht die Fehlausrichtung ganz oben auf der Liste.
Zu den klassifizierten Schienenfehlausrichtungsfehlern gehören:fSeen: Materialabtrag von der Schienenoberfläche;tragen: Folgen übermäßiger Reibung;Vertiefung: Kugeln verformen die Schienen; Undbeschädigte Teile: Verformte Schienen durch aus den Schienenrillen fallende Kugeln.
Zu den häufigsten Ursachen für Schienenfehlausrichtungen gehören mangelnde Ebenheit, Geradheit, Parallelität und Koplanarität linearer Schienen. Diese Ursachen könnten durch geeignete Montage- und Ausrichtungstechniken minimiert oder beseitigt werden, was wiederum die Schienenüberlastung minimiert. Weitere Hauptursachen für den Ausfall von Linearschienen sind unzureichende Schmierung und das Eindringen von Fremdpartikeln, die durch ordnungsgemäße Abdichtung und regelmäßige Schmierung gemildert werden können. Obwohl sie wichtig sind, gehen sie über den Rahmen dieses Artikels hinaus.
Ausrichtungsgrundlagen
Portalschienen verfügen typischerweise über Kugelumlauflager, die in ihren Laufrillen vorgespannt sind, um eine hohe Steifigkeit zu gewährleisten. Hohe Steifigkeit und geringe bewegte Masse sind entscheidende Gantry-Eigenschaften, da sie die niedrigste Eigenfrequenz des Systems definieren. Für eine hohe Positionsbandbreite ist eine hohe Eigenfrequenz in der Größenordnung von 150 Hz erforderlich. Für eine hohe dynamische Genauigkeit ist eine hohe Positionsbandbreite in der Größenordnung von 40 Hz erforderlich. Für eine hohe Teilequalität bzw. einen hohen Durchsatz sind eine hohe dynamische Genauigkeit wie eine konstante Geschwindigkeit mit einem Positionsfehler von wenigen Mikrometern oder eine kurze Einschwingzeit in der Größenordnung von einigen Millisekunden bis zu einem Einschwingfenster im Submikrometerbereich erforderlich. Diese Leistungsmerkmale werden in der Regel unter den widersprüchlichen Auswirkungen hoher Beschleunigung und gleichmäßiger Bewegung in Prozessen wie der PCB-Inspektion, dem Tintenstrahldruck und dem Laserritzen benötigt.
Um eine hohe Portalsteifigkeit – in der Größenordnung von 100 N/µm – zu gewährleisten, sind die Lager vorgespannt. Allerdings kann jede Fehlausrichtung zwischen den beiden Portalseiten in der Größenordnung von 10 Mikrometern, sei es in vertikaler (Ebenheit) oder horizontaler (Geradheit) Ausrichtung, die Lagerbelastung drastisch erhöhen. Dies wiederum kann zu einem katastrophalen Ausfall führen, da Kugeln aus den Lagerrillen fallen oder tiefe Einkerbungen in den Schienen entstehen. Kleinere Lagerverformungen können die Lagerlebensdauer dennoch erheblich verkürzen.
Um lineare Schienen über lange Verfahrwege (in der Größenordnung von 1 bis 3 Metern) mit einer Genauigkeit von 10 Mikrometern auszurichten, sind teure Werkzeuge wie ein Laserinterferometer und spezielle Vorrichtungen erforderlich. Diese Tools stehen dem typischen Endbenutzer oder Systemintegrator möglicherweise nicht ohne weiteres zur Verfügung. Ohne diese Werkzeuge kann eine Schienenfehlausrichtung die Hauptursache für geringe Systemzuverlässigkeit, hohe Wartungskosten, Ausfallzeiten und kurze Systemlebensdauer sein.
Glücklicherweise gibt es verschiedene praxiserprobte Möglichkeiten zur Kompensation von Fehlausrichtungen, die möglicherweise keine umfangreichen Ausrichtungswerkzeuge erfordern, aber dennoch einen hohen Wert bieten, indem sie die potenziell schwerwiegenden Auswirkungen einer Schienenfehlausrichtung reduzieren. Diese Vorrichtungen zum Ausgleich von Fehlausrichtungen werden zu integralen Bestandteilen des Portalrahmens und bieten die notwendigen Freiheitsgrade, um Lagerüberlastungen bei verschiedenen Portalschienenmontagen und Achsantriebskonfigurationen zu verhindern.
Kinematik der Fehlausrichtung
Um zu verstehen, wie ein Fehlausrichtungskompensator funktioniert, muss man die kinematischen Eigenschaften des Kompensators als Teil seines Portalsystems verstehen. Das beigefügte 3D-Portaldiagramm zeigt beispielhaft vier Stützen. Die Grundlagen der Stufen X1(verbundener Link 10) und X2(Link 1) sind in der Nick-, Gier- und Rollbewegung relativ zueinander sowie in der Ebenheit und Parallelität übertrieben falsch ausgerichtet. Nehmen Sie das linke X an1Der Schlitten (9) ist der motorisierte Master und verfügt über ein Kugelgelenk (j), das den Y-Tisch (4) trägt. Das gegenüberliegende motorisierte rechte X2Tisch (3) verfügt über ein Kugelgelenk (b) und ein lineares Gleitgelenk (c), die den Y-Tisch tragen. Die anderen X-Schlitten (7 und 6) sind Mitläufer und tragen den Y-Tisch ebenfalls über ein Kugelgelenk und einen Linearschlitten.
Wenn man dann die Gesamtzahl der Freiheitsgrade zählt und die Gesamtzahl der Einschränkungen subtrahiert, erhält man 1 Freiheitsgrad. Dies bedeutet, dass sich nur die Master-X-Achse unabhängig bewegen kann und alle anderen Verbindungen folgen. Wenn in diesem Fall ein anderer unabhängiger Motor das andere X antreibt, kann dies zu einer übermäßigen Belastung der Schienen führen. Dies ist eine unerwünschte Konfiguration für lange Y-Stufen und daher müssen Ingenieure korrigierende Änderungen vornehmen, damit sich die zweite X-Stufe unabhängig von der ersten X-Stufe bewegen kann.
Das Hinzufügen eines weiteren Freiheitsgrads zum System, beispielsweise für den X-Slave, bedeutet, einem der Gelenke einen weiteren Freiheitsgrad hinzuzufügen. Eine übliche Fixierung in solchen Konfigurationen ermöglicht, dass ein Laufradschlitten einen Freiheitsgrad in Z-Richtung hat, beispielsweise zwischen den Kugelgelenken d und dem Gleitgelenk e.
Das Ergebnis ist eine kinematische Halterung für den Y-Tisch an den Gelenken b, j und i, die die 3D-Ausrichtung der Ebene von Tisch 4 ohne Einschränkungen berücksichtigt. Um jedoch zu verhindern, dass Stufe 4 nur an drei Eckpunkten unterstützt wird, besteht die übliche Praxis darin, eine gewisse Nachgiebigkeit in Z-Richtung zwischen Gelenk d und Schlitten e hinzuzufügen, um einen Teil der Last aufzunehmen. In manchen Fällen kann die Flexibilität von Link 4 ausreichend sein; In anderen Fällen kann eine nachgiebige Belleville-Unterlegscheibe verwendet werden.
Kompensatorkonstruktionen
Integrierte Fehlausrichtungskompensatoren sind für 2D-Portalkonfigurationen vorgesehen. Das Design umfasst zwei Platten, die eine Biegung umgeben, die einen linearen Freiheitsgrad in Y-Richtung bietet.
Sehen wir uns zwei Designs zur Fehlausrichtungskompensation an. Eine davon ist ein zusammengesetztes Drehgelenk mit einem linearen Gleitgelenk für eine 3D-Portalkonfiguration. Das zweite ist ein integriertes Drehgelenk mit einem linearen Biegegelenk für eine 2D-Portalkonfiguration. Nehmen Sie in der 2D-Version an, dass die Portalschienen X sind1und X2sind koplanar.
Konstruktion mit zusammengesetzten Verbindungen.Betrachten Sie eine Portalanwendung in einem Dosenherstellungsprozess. Das Portal verfügt über zwei riemengetriebene Tische, die einen robusten Schweißrahmen auf vier Schlitten tragen. Ein Servomotor treibt jede Portalstufe in einer Master-Slave-Konfiguration an. Ein Riemen treibt einen Schlitten jeder Stufe an, und der andere Schlitten ist eine Spannrolle.
Bei den vom Endbenutzer zusammengebauten Bühnen kam es zu einem vorzeitigen Ausfall des Bühnenlagers. Das Problem wurde behoben, indem den vier Schlitten der beiden Portal-Lineartische vier leicht verfügbare Standard-Kugelgelenke hinzugefügt wurden, die auf vier Linearschlitten montiert waren. Um die Konfiguration an die zuvor besprochene Gantry anzupassen, wurde ein Schlitten mit einer Verriegelungsplatte „geerdet“. Durch die Neugestaltung wurde das Problem vollständig behoben.
Der Nachteil bei der Verwendung eines solchen Kompensators besteht jedoch in einer erheblichen Erhöhung der Höhe, die möglicherweise Änderungen in der Z-Stufe erforderlich macht.
Design mit integrierten Gelenken.In 2D-Gantry-Konfigurationen kann ein integrierter Fehlausrichtungskompensator verwendet werden. Das Design umfasst zwei Teller. Eine Platte verfügt über Befestigungslöcher für den X-Schlitten des Portals und die andere Platte über Befestigungslöcher für die Basis des Querachsen-Y-Tischs. Ein Lager in der Mitte verbindet die beiden Platten.
Darüber hinaus verfügt eine Platte über eine Biegung, die einen linearen Freiheitsgrad in Y-Richtung bietet. Um die gleiche Komponente für alle Verbindungen zu verwenden, können zwei Schrauben verwendet werden, um den linearen Freiheitsgrad der Biegung zu „erden“ und nur die Rotationsbewegungsfreiheit zwischen den beiden Platten beizubehalten. Das Biegeelement ist für den Betrieb bei maximaler Auslenkung unterhalb der Ermüdungsgrenze ausgelegt.
Um schließlich bei 2D-Portalkonfigurationen zu verhindern, dass das Biegeelement durch ein Biegemoment um die Y-Achse belastet wird, nehmen vier Haltebolzen die Momentenbelastungen auf.
Zu den Vorteilen dieses Designs gehören integrierte Komponenten, niedrige Bauhöhe, kompakte Größe und einfache Montage an vorhandenen Portaltischen in weniger als 15 Minuten.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22. Juli 2021