Wirtschaftliche Techniken zur Fehlausrichtungskompensation verhindern Lagerüberlastung und vorzeitigen Ausfall des Portalkrans
Werkzeuge zur Portalausrichtung
Wenn Hersteller von Positionierungssystemen ein Portalsystem bauen, verwenden sie während des Montageprozesses normalerweise spezielle Ausrichtungswerkzeuge, um sicherzustellen, dass die Spezifikationen hinsichtlich Kraft, Präzision und Lebensdauer eingehalten werden.
Laserinterferometer werden häufig zur Ausrichtung von Maschinen mit einer Präzision im Mikrometer- und Bogensekundenbereich eingesetzt. Beispielsweise hilft ein Laserinterferometer von Renishaw bei der Ausrichtung von Portalschienen auf Ebenheit, Geradheit und Rechtwinkligkeit.
Andere Werkzeuge, wie beispielsweise Ausrichtungslaser von Hamar, nutzen rotierende Laserstrahlen als präzise Referenzebenen im Raum mit Sensoren auf dem beweglichen Schlitten. Durch Einstellen von Schienennivellierungsschrauben oder Unterlegen der Schienen wird die Schiene oder der Tisch in die gewünschte Ausrichtung gebracht. Das hochpräzise Nivellieren von Schienen kann je nach Genauigkeitsgrad, Größe und Konfiguration einer Maschine Tage oder Wochen dauern.
Für weniger präzise Ausrichtungsanforderungen kommen verschiedene mechanische Komponenten zum Einsatz, darunter elektronische Wasserwaagen, Messuhren, Richtscheite und Parallelbalken. Techniker richten die Hauptschiene mithilfe einer Messuhr an einer Präzisions-Montagefläche oder Richtscheit aus. Nachdem eine Schiene mit der erforderlichen Präzision festgezogen wurde, wird ein Schlitten entlanggeführt, während die Schrauben der zweiten Gleitschiene mithilfe einer Messuhr oder eines Führungsschlittens festgezogen werden.
Unabhängig von der Ausrichtungsmethode muss sichergestellt werden, dass durch eine verbleibende Fehlausrichtung keine Kräfte auf die Bühnenschienen ausgeübt werden, die zu einer verkürzten Lebensdauer oder einem katastrophalen Ausfall führen können.
Portalsysteme, auch kartesische Roboter genannt, sind ideale Positionierungssysteme für automatisierte Transferlinien. Bei diesem Fertigungsprozess transportiert ein kontinuierliches oder indexierendes Förderband Teile von einer Portalstation zur nächsten. Jede Portalstation entlang der Förderlinie manipuliert ein Werkzeug in Bezug auf ein Teil, um Fertigungsvorgänge wie Bearbeitung, Kleben, Montage, Prüfung, Bedrucken oder Verpacken durchzuführen. Portale werden häufig zur Positionierung von Produkten auf automatisierten Transferlinien eingesetzt.
Die Zuverlässigkeit jeder Maschine in einer Transferlinie muss extrem hoch sein, um Ausfallzeiten zu minimieren, denn ein Ausfall einer Maschine kann zu einem kostspieligen Stillstand der gesamten Transferlinie führen. Portale bestehen zudem aus vielen kritischen Elementen wie Steuerung, Verstärker, Motor, Kupplung, Aktuator (z. B. Kugelumlaufspindel, Riemen oder Linearmotor), Schienen, Schlitten, Basis, Anschlägen, Encodern und Kabeln. Die Zuverlässigkeit des gesamten Portalsystems ergibt sich aus der statistischen Summe der Zuverlässigkeiten aller Komponenten.
Für eine hohe Systemzuverlässigkeit muss jede Komponente so dimensioniert sein, dass ihre Belastung im Betrieb die Nennwerte nicht überschreitet. Während die Dimensionierung jeder Komponente gemäß den Empfehlungen des Komponentenherstellers eine einfache technische Aufgabe sein kann, sind die Ausfallarten von Linearschienen etwas komplexer. Sie hängen neben Tragfähigkeit, Größe und Präzision auch von ihrer genauen Ausrichtung im Raum ab.
Fehlausrichtungsprobleme
Fast alle Hersteller von Linearführungen sind sich einig, dass Fehlausrichtungen Probleme verursachen. Von allen Faktoren, die zum vorzeitigen Ausfall von Linearlagern beitragen, stehen Fehlausrichtungen ganz oben auf der Liste.
Zu den klassifizierten Fehlern aufgrund von Schienenfehlstellungen gehören:fSeen: Materialabtrag von der Schienenoberfläche;tragen: Folgen übermäßiger Reibung;Vertiefung: Kugeln verformen die Schienen; undbeschädigte Teile: verformte Schienen aufgrund von Kugeln, die aus den Schienenrillen fallen.
Häufige Ursachen für Schienenfehlausrichtungen sind mangelnde Ebenheit, Geradheit, Parallelität und Koplanarität der Linearschienen. Diese Ursachen können durch geeignete Montage- und Ausrichtungstechniken minimiert oder eliminiert werden, was wiederum die Schienenüberlastung minimiert. Weitere Ursachen für Linearschienenausfälle sind unzureichende Schmierung und das Eindringen von Fremdpartikeln, die durch ordnungsgemäße Abdichtung und regelmäßige Schmierung gemildert werden können. Obwohl sie wichtig sind, gehen diese über den Rahmen dieses Artikels hinaus.
Grundlagen der Ausrichtung
Portalschienen enthalten typischerweise Kugelumlauflager, die in ihren Laufrillen vorgespannt sind, um eine hohe Steifigkeit zu gewährleisten. Hohe Steifigkeit und geringe bewegte Masse sind entscheidende Portaleigenschaften, da sie die niedrigste Eigenfrequenz des Systems bestimmen. Eine hohe Eigenfrequenz in der Größenordnung von 150 Hz ist für eine hohe Positionsbandbreite erforderlich. Eine hohe Positionsbandbreite in der Größenordnung von 40 Hz ist für eine hohe dynamische Genauigkeit erforderlich. Eine hohe dynamische Genauigkeit, wie z. B. konstante Geschwindigkeit mit Positionsfehlern von wenigen Mikrometern oder eine geringe Einschwingzeit in der Größenordnung von wenigen Millisekunden bis zu einem Einschwingfenster im Submikrometerbereich, sind für hohe Teilequalität bzw. einen hohen Durchsatz erforderlich. Diese Leistungsmerkmale sind typischerweise bei widersprüchlichen Effekten von hoher Beschleunigung und gleichmäßiger Bewegung in Prozessen wie der Leiterplattenprüfung, dem Tintenstrahldruck und dem Laserritzen erforderlich.
Um eine hohe Steifigkeit des Portals (in der Größenordnung von 100 N/µm) zu gewährleisten, werden die Lager vorgespannt. Jede Fehlausrichtung der beiden Portalseiten im Bereich von zehn Mikrometern, sei es in vertikaler (Ebenheit) oder horizontaler (Geradheit), kann jedoch die Lagerbelastung drastisch erhöhen. Dies wiederum kann zu schwerwiegenden Ausfällen führen, da Kugeln aus den Lagerrillen fallen oder tiefe Einkerbungen in den Schienen entstehen. Selbst kleinere Lagerverformungen können die Lagerlebensdauer erheblich verkürzen.
Um Linearschienen über lange Verfahrwege (von 1 bis 3 Metern) mit einer Genauigkeit von mehreren zehn Mikrometern auszurichten, sind teure Werkzeuge wie Laserinterferometer und Spezialvorrichtungen erforderlich. Diese Werkzeuge sind für den Endnutzer oder Systemintegrator möglicherweise nicht ohne weiteres verfügbar. Ohne diese Werkzeuge kann eine fehlerhafte Schienenausrichtung die Ursache für geringe Systemzuverlässigkeit, hohe Wartungskosten, Ausfallzeiten und eine kurze Systemlebensdauer sein.
Glücklicherweise gibt es verschiedene praxiserprobte Optionen zur Kompensation von Fehlausrichtungen, die zwar keine umfangreichen Ausrichtwerkzeuge erfordern, aber dennoch einen hohen Mehrwert bieten, indem sie die potenziell schwerwiegenden Auswirkungen einer Schienenfehlausrichtung reduzieren. Diese Vorrichtungen zur Kompensation von Fehlausrichtungen sind integraler Bestandteil des Portalrahmens und bieten die notwendigen Freiheitsgrade, um Lagerüberlastungen in verschiedenen Portalschienenbefestigungen und Achsantriebskonfigurationen zu verhindern.
Kinematik der Fehlausrichtung
Um die Funktionsweise eines Fehlausrichtungskompensators zu verstehen, muss man dessen kinematische Eigenschaften als Teil seines Portalsystems verstehen. Als Beispiel zeigt das beigefügte 3D-Portaldiagramm vier Stützen. Die Basen der Stufen X1(verbundener Link 10) und X2(Link 1) sind in Bezug auf Nick-, Gier- und Rollwinkel sowie in Bezug auf Ebenheit und Parallelität übertrieben falsch ausgerichtet. Nehmen wir an, das linke X1Der Schlitten (9) ist der motorisierte Master und verfügt über ein Kugelgelenk (j), das den Y-Tisch (4) trägt. Der gegenüberliegende motorisierte rechte X-Tisch2Der Tisch (3) verfügt über ein Kugelgelenk (b) und ein Lineargleitgelenk (c), die den Y-Tisch tragen. Die anderen X-Schlitten (7 und 6) sind Spannrollen und tragen den Y-Tisch ebenfalls über ein Kugelgelenk und eine Linearführung.
Zählt man dann die Gesamtzahl der Freiheitsgrade und subtrahiert die Gesamtzahl der Einschränkungen, erhält man einen Freiheitsgrad. Das bedeutet, dass sich nur die Haupt-X-Achse unabhängig bewegen kann und alle anderen Glieder folgen. Wenn in diesem Fall ein anderer unabhängiger Motor die andere X-Achse antreibt, kann dies zu einer übermäßigen Belastung der Schienen führen. Bei langen Y-Tischen ist diese Konfiguration ungünstig, daher müssen Ingenieure Korrekturen vornehmen, damit sich die zweite X-Achse unabhängig von der ersten X-Achse bewegen kann.
Das Hinzufügen eines weiteren Freiheitsgrades zum System, beispielsweise für den X-Slave, bedeutet, einem der Gelenke einen weiteren Freiheitsgrad hinzuzufügen. Eine gängige Lösung in solchen Konfigurationen besteht darin, einem Spannschlitten einen Freiheitsgrad in Z-Richtung zu geben, 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 ermöglicht. Um jedoch zu verhindern, dass Tisch 4 nur an drei Eckpunkten gestützt wird, ist es üblich, zwischen Gelenk d und Schlitten e eine gewisse Nachgiebigkeit in Z-Richtung hinzuzufügen, um einen Teil der Last aufzunehmen. In manchen Fällen kann die Flexibilität von Verbindung 4 ausreichend sein; in anderen Fällen kann eine nachgiebige Tellerfeder verwendet werden.
Kompensatordesigns
Integrierte Fehlausrichtungskompensatoren sind für 2D-Portalkonfigurationen vorgesehen. Das Design umfasst zwei Platten, die eine Biegung umgeben, die einen linearen Freiheitsgrad in Y-Richtung bietet.
Betrachten wir zwei Designs zur Fehlausrichtungskompensation. Eines 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. In der 2D-Version gehen wir davon aus, dass die Portalschienen X1und X2sind koplanar.
Konstruktion mit zusammengesetzten Verbindungen.Betrachten wir eine Portalanwendung in einem Dosenherstellungsprozess. Das Portal besteht aus zwei riemengetriebenen Stufen, die einen robusten Schweißrahmen auf vier Schlitten tragen. Ein Servomotor treibt jede Stufe des Portals in einer Master-Slave-Konfiguration an. Ein Riemen treibt jeweils einen Schlitten an, der andere Schlitten dient als Umlenkrolle.
Bei den vom Endkunden montierten Tischen kam es zu einem vorzeitigen Lagerausfall. Das Problem wurde behoben, indem die vier Schlitten der beiden Portal-Lineartische mit vier handelsüblichen Standard-Kugelgelenken auf vier Linearschlitten ergänzt wurden. Um die Konfiguration an das zuvor besprochene Portal anzupassen, wurde ein Schlitten mit einer Sicherungsplatte geerdet. Durch die Neukonstruktion wurde das Problem vollständig behoben.
Der Nachteil bei der Verwendung eines solchen Kompensators besteht allerdings in einer erheblichen Erhöhung der Bauhöhe, die gegebenenfalls Änderungen an der Z-Stufe erforderlich macht.
Design mit integrierten Gelenken.Ein integrierter Fehlausrichtungskompensator kann in 2D-Gantry-Konfigurationen eingesetzt werden. Das Design umfasst zwei Platten. Eine Platte verfügt über Befestigungslöcher für den X-Schlitten des Gantrys und die andere über Befestigungslöcher für die Basis des kreuzachsigen Y-Tisches. Ein Lager in der Mitte verbindet die beiden Platten.
Zusätzlich verfügt eine Platte über ein Biegeelement, das einen linearen Freiheitsgrad in Y-Richtung bietet. Um dieselbe Komponente für alle Verbindungen zu verwenden, können zwei Schrauben verwendet werden, um den linearen Freiheitsgrad des Biegeelements zu fixieren und nur die Rotationsfreiheit zwischen den beiden Platten beizubehalten. Das Biegeelement ist für eine maximale Auslenkung unterhalb der Ermüdungsgrenze ausgelegt.
Um schließlich bei 2D-Portalkonfigurationen eine Belastung des Biegeelements mit einem Biegemoment um die Y-Achse zu verhindern, nehmen vier Haltebolzen die Momentenlasten auf.
Zu den Vorteilen dieses Designs zählen integrierte Komponenten, niedriges Profil, kompakte Größe und einfache Montage an vorhandenen Portalbühnen in weniger als 15 Minuten.
Beitragszeit: 22. Juli 2021