Wirtschaftliche Verfahren zum Ausgleich von Ausrichtungsfehlern verhindern Lagerüberlastung und vorzeitigen Ausfall des Portals.

Portal-Ausrichtungswerkzeuge

Wenn Hersteller von Positioniersystemen ein Portalsystem bauen, verwenden sie typischerweise während des Montageprozesses spezielle Ausrichtungswerkzeuge, um sicherzustellen, dass sie die Vorgaben hinsichtlich Kraft, Präzision und Lebensdauer erfüllen.

Laserinterferometer werden häufig zur präzisen Ausrichtung von Maschinen im Mikrometer- und Bogensekundenbereich eingesetzt. Beispielsweise hilft ein Laserinterferometer von Renishaw bei der Ausrichtung von Portalschienen hinsichtlich Ebenheit, Geradheit und Rechtwinkligkeit.

Andere Werkzeuge, wie beispielsweise die Ausrichtlaser von Hamar, nutzen rotierende Laserstrahlen als präzise Referenzebenen im Raum, wobei Sensoren auf dem beweglichen Schlitten angebracht sind. Durch Justieren der Schienennivellierschrauben oder durch Unterlegen von Distanzscheiben unter den Schienen wird die Schiene oder der Tisch in die gewünschte Position gebracht. Das Nivellieren der Schienen mit hoher Präzision kann je nach Genauigkeitsanforderungen, Größe und Konfiguration der Maschine Tage oder Wochen dauern.

Für Ausrichtungen mit geringeren Genauigkeitsanforderungen kommen verschiedene mechanische Komponenten zum Einsatz, darunter elektronische Nivelliergeräte, Messuhren, Richtlatten und Parallelbalken. Mithilfe dieser Komponenten richten Techniker die Hauptschiene mit einer Messuhr an einer präzisen Montagefläche oder Richtlatte aus. Nachdem eine Schiene mit der erforderlichen Genauigkeit festgezogen wurde, wird ein Führungsschlitten entlanggeführt, während die Schrauben der zweiten, beweglichen Schiene mithilfe einer Messuhr oder eines Führungsschlittens angezogen werden.

Unabhängig von der Ausrichtungsmethode muss sichergestellt werden, dass verbleibende Fehlausrichtungen keine Kräfte auf die Bühnenschienen ausüben, was zu einer verkürzten Lebensdauer oder einem katastrophalen Versagen führen könnte.

Portalsysteme, auch als kartesische Roboter bekannt, sind ideale Positioniersysteme für automatisierte Transferlinien. Bei diesem Fertigungsprozess transportiert ein kontinuierliches oder indexiertes Förderband die Teile von einer Portalstation zur nächsten. Jede Portalstation entlang der Förderlinie manipuliert ein Werkzeug relativ zum jeweiligen Teil, um Fertigungsvorgänge wie Bearbeiten, Kleben, Montieren, Prüfen, Bedrucken oder Verpacken durchzuführen. Portalsysteme werden häufig zur Positionierung von Produkten auf automatisierten Transferlinien eingesetzt.

Die Zuverlässigkeit jeder einzelnen Maschine in einer Transferlinie muss extrem hoch sein, um Ausfallzeiten zu minimieren, da der Ausfall einer Maschine die gesamte Transferlinie zu kostspieligen Stillständen führen kann. Portalsysteme umfassen zudem zahlreiche kritische Komponenten wie Steuerung, Verstärker, Motor, Kupplung, Aktor (z. B. Kugelgewindetrieb, Riemen oder Linearmotor), Schienen, Schlitten, Basis, Anschläge, Encoder und Kabel. 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 einzelner Komponenten gemäß den Herstellerangaben eine unkomplizierte Ingenieursaufgabe sein kann, sind die Ausfallmechanismen von Linearführungen deutlich komplexer. Sie hängen neben Tragfähigkeit, Größe und Präzision auch von ihrer exakten räumlichen Ausrichtung ab.

Fehlausrichtungsprobleme

Nahezu alle Hersteller von Linearführungen sind sich einig, dass Fehlausrichtungen zu Problemen führen. Von allen Faktoren, die zum vorzeitigen Ausfall von Linearlagern beitragen, steht die Fehlausrichtung weit oben auf der Liste.

Zu den klassifizierten Gleisfehlausrichtungsfehlern gehören:fSeen: Entfernung von Material von der Schienenoberfläche;tragen: Folgen übermäßiger Reibung;VertiefungKugeln verformen die Schienen; undbeschädigte Teile: verformte Schienen aufgrund von Kugeln, die aus den Schienenrillen gefallen sind.

Häufige Ursachen für Schienenfehlstellungen sind mangelnde Ebenheit, Geradheit, Parallelität und Koplanarität der Linearführungen. Diese Ursachen lassen sich durch korrekte Montage- und Ausrichtungstechniken minimieren oder beseitigen, wodurch wiederum die Schienenüberlastung reduziert wird. Weitere Ursachen für Linearführungsausfälle sind unzureichende Schmierung und das Eindringen von Fremdkörpern. Diesem Problem kann durch ordnungsgemäße Abdichtung und regelmäßige Schmierung entgegengewirkt werden. Obwohl diese Aspekte wichtig sind, werden sie in diesem Artikel nicht weiter behandelt.

Grundlagen der Ausrichtung

Portalschienen sind typischerweise mit Kugelumlauflagern ausgestattet, die in ihren Laufnuten vorgespannt sind, um eine hohe Steifigkeit zu gewährleisten. Hohe Steifigkeit und geringe bewegte Masse sind entscheidende Eigenschaften von Portalen, 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 wiederum für eine hohe dynamische Genauigkeit notwendig. Eine hohe dynamische Genauigkeit, wie beispielsweise eine konstante Geschwindigkeit mit einem Positionsfehler von wenigen Mikrometern oder eine kurze Einschwingzeit im Bereich von wenigen Millisekunden bis hin zu einem Einschwingfenster im Submikrometerbereich, ist für eine hohe Teilequalität bzw. einen hohen Durchsatz erforderlich. Diese Leistungsmerkmale werden typischerweise unter den gegenläufigen Einflüssen hoher Beschleunigung und gleichmäßiger Bewegung in Prozessen wie der Leiterplattenprüfung, dem Tintenstrahldruck und dem Lasergravieren benötigt.

Um eine hohe Steifigkeit des Portals – in der Größenordnung von 100 N/µm – zu gewährleisten, werden die Lager vorgespannt. Bereits geringfügige Abweichungen zwischen den beiden Portalseiten im Bereich von einigen zehn Mikrometern, sowohl in vertikaler (Ebenheit) als auch in horizontaler (Geradheit) Richtung, können die Lagerbelastung jedoch drastisch erhöhen. Dies kann wiederum zu einem katastrophalen Ausfall führen, da die Kugeln aus den Lagernuten fallen oder tiefe Eindellungen in den Schienen entstehen können. Auch kleinere Lagerverformungen können die Lagerlebensdauer erheblich reduzieren.

Um Linearführungen mit einer Präzision im Bereich von wenigen zehn Mikrometern über lange Verfahrwege (im Bereich von 1 bis 3 Metern) auszurichten, sind teure Werkzeuge wie ein Laserinterferometer und spezielle Vorrichtungen erforderlich. Diese Werkzeuge sind für den typischen Endanwender oder Systemintegrator oft nicht ohne Weiteres verfügbar. Ohne diese Werkzeuge kann eine Fehlausrichtung der Führungen die Hauptursache für geringe Systemzuverlässigkeit, hohe Wartungskosten, Ausfallzeiten und eine kurze Systemlebensdauer sein.

Glücklicherweise gibt es verschiedene praxiserprobte Optionen zur Kompensation von Ausrichtungsfehlern, die keine aufwendigen Ausrichtungswerkzeuge erfordern und dennoch einen hohen Nutzen bieten, indem sie die potenziell gravierenden Auswirkungen von Schienenfehlstellungen reduzieren. Diese Kompensationsvorrichtungen werden integraler Bestandteil des Portalrahmens und bieten die notwendigen Freiheitsgrade, um Lagerüberlastungen bei verschiedenen Portalschienenmontagen und Achsenantriebskonfigurationen zu verhindern.

Kinematik der Fehlausrichtung

Um die Funktionsweise eines Ausrichtungsfehlerkompensators zu verstehen, muss man dessen kinematische Eigenschaften im Kontext des Portalsystems kennen. Das beigefügte 3D-Portaldiagramm zeigt beispielsweise vier Stützen. Die Basen der Tische X₁(verbundene Verbindung 10) und X₂(Link 1) sind hinsichtlich Nick-, Gier- und Rollwinkel sowie Ebenheit und Parallelität stark gegeneinander verstellt. Nehmen Sie an, dass die linke X₁Der Wagen (9) ist der motorisierte Master und verfügt über ein Kugelgelenk (j), das die Y-Achse (4) trägt. Die gegenüberliegende motorisierte rechte X-Achse₂Die Stufe (3) verfügt über ein Kugelgelenk (b) und ein Linearführungsgelenk (c), die die Y-Stufe tragen. Die anderen X-Schlitten (7 und 6) sind Leerlaufrollen und tragen die Y-Stufe ebenfalls mittels eines Kugelgelenks und einer Linearführung.

Zählt man die Gesamtzahl der Freiheitsgrade und subtrahiert die Gesamtzahl der Zwangsbedingungen, erhält man einen Freiheitsgrad. Das bedeutet, dass sich nur die Haupt-X-Achse unabhängig bewegen kann und alle anderen Achsen folgen. Wird in diesem Fall die zweite X-Achse von einem weiteren unabhängigen Motor angetrieben, kann dies zu einer übermäßigen Belastung der Schienen führen. Diese Konfiguration ist bei langen Y-Achsen unerwünscht. Daher müssen die Ingenieure Korrekturen vornehmen, damit sich die zweite X-Achse unabhängig von der ersten bewegen kann.

Das Hinzufügen eines weiteren Freiheitsgrades zum System, beispielsweise für den X-Slave, bedeutet einen zusätzlichen Freiheitsgrad an einem der Gelenke. Eine gängige Lösung in solchen Konfigurationen besteht darin, einem Leerlaufgleitstück einen Freiheitsgrad in Z-Richtung zu verleihen, beispielsweise zwischen den Kugelgelenken d und dem Gleitgelenk e.

Das Ergebnis ist eine kinematische Lagerung für die Y-Achse an den Gelenken b, j und i, die die dreidimensionale Ausrichtung der Achse 4 ohne Einschränkungen ermöglicht. Um jedoch zu verhindern, dass Achse 4 nur an drei Eckpunkten gelagert wird, ist es üblich, zwischen Gelenk d und Gleitstück e eine gewisse Nachgiebigkeit in Z-Richtung einzubauen, um einen Teil der Last aufzunehmen. In manchen Fällen ist die Flexibilität des Verbindungsglieds 4 ausreichend; in anderen Fällen kann eine nachgiebige Tellerfeder verwendet werden.

Kompensatorkonstruktionen

Integrierte Ausrichtungskompensatoren sind für 2D-Portalkonfigurationen vorgesehen. Die Konstruktion umfasst zwei Platten, die ein Biegeelement umschließen, welches einen linearen Freiheitsgrad in Y-Richtung ermöglicht.

Betrachten wir zwei Konstruktionen zur Kompensation von Ausrichtungsfehlern. Die erste ist ein zusammengesetztes Drehgelenk mit einem Linear-Schiebegelenk für eine 3D-Portalkonfiguration. Die zweite ist ein integriertes Drehgelenk mit einem Linear-Biegegelenk für eine 2D-Portalkonfiguration. In der 2D-Version wird angenommen, dass die Portalschienen X₁und X₂sind koplanar.

Konstruktion von Verbundverbindungen.Betrachten wir eine Portalanlage in einem Dosenherstellungsprozess. Die Portalanlage besteht aus zwei riemengetriebenen Tischen, die einen robusten Schweißrahmen auf vier Schlitten tragen. Jeder Portaltisch wird von einem Servomotor in einer Master-Slave-Konfiguration angetrieben. Ein Riemen treibt jeweils einen Schlitten jedes Tisches an, der andere Schlitten dient als Leerlauf.

Die vom Endkunden montierten Tische wiesen vorzeitige Ausfälle an den Tischlagern auf. Das Problem wurde behoben, indem vier handelsübliche Standard-Kugelgelenke auf vier Linearführungen an den vier Führungen der beiden Portal-Lineartische angebracht wurden. Um die Konfiguration an das zuvor beschriebene Portal anzupassen, wurde eine Führung mit einer Verriegelungsplatte fixiert. Die Überarbeitung löste das Problem vollständig.

Der Nachteil bei der Verwendung eines solchen Kompensators besteht jedoch in einer erheblichen Erhöhung der Höhe, die unter Umständen Änderungen an der Z-Achse erforderlich macht.

Konstruktion mit integrierten Verbindungen.In 2D-Portalkonfigurationen kann ein integrierter Ausrichtungsfehlerkompensator eingesetzt werden. Die Konstruktion besteht aus zwei Platten. Eine Platte verfügt über Befestigungslöcher für den X-Schlitten des Portals, die andere über Befestigungslöcher für die Basis des Y-Tisches. Ein mittig angeordnetes Lager verbindet die beiden Platten.

Zusätzlich verfügt eine Platte über ein Biegeelement, das eine lineare Bewegungsfreiheit in Y-Richtung ermöglicht. Um dasselbe Bauteil für alle Verbindungen zu verwenden, können zwei Schrauben eingesetzt werden, um die lineare Bewegungsfreiheit des Biegeelements zu fixieren und so nur die Drehbewegung zwischen den beiden Platten zu gewährleisten. Das Biegeelement ist so ausgelegt, dass es bei maximaler Durchbiegung unterhalb der Dauerfestigkeitsgrenze arbeitet.

Um schließlich bei 2D-Portalkonfigurationen zu verhindern, dass die Biegung durch ein Biegemoment um die Y-Achse belastet wird, nehmen vier Haltebolzen die Momentenlasten auf.

Zu den Vorteilen dieser Konstruktion gehören integrierte Komponenten, ein niedriges Profil, kompakte Abmessungen und die einfache Montage an bestehenden Portalplattformen in weniger als 15 Minuten.