Le tecniche economiche di compensazione del disallineamento prevengono il sovraccarico dei cuscinetti e il cedimento prematuro del portale.

Strumenti di allineamento del portale

Quando i produttori di sistemi di posizionamento assemblano un sistema a portale, in genere utilizzano strumenti di allineamento speciali durante il processo di montaggio per garantire il rispetto delle specifiche di forza, precisione e durata.

Gli interferometri laser sono spesso utilizzati per l'allineamento di macchine con una precisione dell'ordine dei micron e dei secondi d'arco. Ad esempio, un interferometro laser della Renishaw aiuta ad allineare la planarità, la rettilineità e la perpendicolarità delle guide a portale.

Altri strumenti, come i laser di allineamento di Hamar, utilizzano raggi laser rotanti come piani di riferimento di precisione nello spazio, con sensori posizionati sulla slitta mobile. Regolando le viti di livellamento delle guide, o inserendo spessori sotto le guide, è possibile portare la guida o il piano di lavoro all'orientamento desiderato. Il livellamento delle guide con elevata precisione può richiedere giorni o settimane, a seconda del livello di precisione, delle dimensioni e della configurazione della macchina.

Per esigenze di allineamento di minore precisione, vengono utilizzati diversi componenti meccanici, tra cui livelle elettroniche, comparatori, righelli e travi parallele. Con questi, i tecnici allineano la rotaia principale utilizzando un comparatore rispetto a una superficie di montaggio di precisione o a un righello. Dopo aver serrato una rotaia con la precisione richiesta, una slitta viene fatta scorrere lungo di essa mentre si serrano i bulloni della seconda rotaia flottante, utilizzando un comparatore o una slitta di guida.

A prescindere dal metodo di allineamento, è necessario garantire che eventuali disallineamenti residui non esercitino forze sulle rotaie del palcoscenico, che potrebbero causare una durata ridotta o un cedimento catastrofico.

I sistemi a portale, talvolta chiamati robot cartesiani, sono sistemi di posizionamento ideali per le linee di trasferimento automatizzate. In questo tipo di processo produttivo, un trasportatore continuo o a indicizzazione trasferisce i pezzi da una stazione a portale all'altra. Ogni stazione a portale lungo la linea di trasporto manipola un utensile rispetto a un pezzo per eseguire operazioni di produzione come lavorazione, incollaggio, assemblaggio, ispezione, stampa o confezionamento. I sistemi a portale sono comunemente utilizzati per il posizionamento dei prodotti sulle linee di trasferimento automatizzate.

È evidente che l'affidabilità di ogni macchina in una linea di trasferimento deve essere estremamente elevata per ridurre al minimo i tempi di inattività, poiché un guasto a una macchina può portare all'arresto dell'intera linea, con conseguenti costi elevati. Inoltre, i portali includono numerosi elementi critici, come un controllore, un amplificatore, un motore, un giunto, un attuatore (ad esempio una vite a ricircolo di sfere, una cinghia o un motore lineare), guide, slitte, basi, fermi, encoder e cavi. L'affidabilità dell'intero sistema a portale è la somma statistica dell'affidabilità di tutti i componenti.

Per garantire un'elevata affidabilità del sistema, ogni componente deve essere dimensionato in modo tale che il carico a cui è sottoposto durante il funzionamento non superi i valori nominali. Mentre il dimensionamento di ciascun componente può essere un'operazione di progettazione relativamente semplice, come raccomandato dal produttore, le modalità di guasto delle guide lineari sono alquanto più complesse. Esse dipendono, oltre che dalla capacità di carico, dalle dimensioni e dalla precisione, anche dal loro preciso orientamento nello spazio.

Problemi di disallineamento

Quasi tutti i produttori di guide lineari concordano sul fatto che il disallineamento causi problemi. Tra tutti i fattori che contribuiscono al guasto prematuro dei cuscinetti lineari, il disallineamento si colloca ai primi posti della lista.

Si classificano i guasti dovuti al disallineamento delle rotaie come segue:flacrimazione: rimozione del materiale dalla superficie della rotaia;Indossare: conseguenze di un attrito eccessivo;rientranza: le palle deformano le rotaie; eparti danneggiate: rotaie deformate a causa della caduta delle sfere dalle scanalature delle rotaie.

Le cause principali del disallineamento delle rotaie includono la mancanza di planarità, rettilineità, parallelismo e complanarità delle rotaie stesse. Queste cause possono essere minimizzate o eliminate mediante tecniche di assemblaggio e allineamento adeguate, che a loro volta riducono al minimo il sovraccarico delle rotaie. Altre cause principali di cedimento delle rotaie lineari includono una lubrificazione insufficiente e l'ingresso di particelle estranee, che possono essere mitigate attraverso una corretta sigillatura e una lubrificazione periodica. Pur essendo importanti, questi aspetti esulano dall'ambito di questo articolo.

Nozioni di base sull'allineamento

Le guide a portale includono in genere cuscinetti a ricircolo di sfere precaricati nelle loro scanalature di scorrimento per garantire un'elevata rigidità. L'elevata rigidità e la bassa massa mobile sono caratteristiche critiche per un portale, poiché definiscono la frequenza naturale più bassa del sistema. Un'elevata frequenza naturale, dell'ordine di 150 Hz, è necessaria per un'elevata larghezza di banda di posizione. Un'elevata larghezza di banda di posizione, dell'ordine di 40 Hz, è necessaria per un'elevata precisione dinamica. Un'elevata precisione dinamica, come la velocità costante con un errore di posizione di pochi micron o un basso tempo di assestamento, dell'ordine di pochi millisecondi fino a una finestra di assestamento submicronica, è necessaria rispettivamente per un'elevata qualità dei pezzi e un'elevata produttività. Queste caratteristiche prestazionali sono in genere richieste in presenza di effetti contrastanti di elevata accelerazione e movimento fluido in processi come l'ispezione di PCB, la stampa a getto d'inchiostro e la marcatura laser.

Per garantire un'elevata rigidità del portale, dell'ordine di 100 N/µm, i cuscinetti vengono precaricati. Tuttavia, qualsiasi disallineamento tra i due lati del portale, anche dell'ordine di decine di micron, sia in verticale (planarità) che in orizzontale (rettilineità), può aumentare drasticamente il carico sui cuscinetti. Ciò, a sua volta, può portare a guasti catastrofici dovuti alla fuoriuscita delle sfere dalle scanalature dei cuscinetti o a profonde ammaccature nelle guide. Anche deformazioni minori dei cuscinetti possono ridurne sostanzialmente la durata.

Per allineare le guide lineari con una precisione di decine di micron su lunghe distanze (dell'ordine di 1-3 metri) sono necessari strumenti costosi come un interferometro laser e dispositivi di fissaggio speciali. Questi strumenti potrebbero non essere facilmente reperibili per l'utente finale o l'integratore di sistemi. Senza questi strumenti, il disallineamento delle guide può essere la causa principale di una bassa affidabilità del sistema, elevati costi di manutenzione, tempi di inattività e una breve durata del sistema.

Fortunatamente, esistono diverse opzioni di compensazione del disallineamento, collaudate sul campo, che potrebbero non richiedere strumenti di allineamento complessi, ma che offrono comunque un elevato valore aggiunto riducendo gli effetti potenzialmente negativi del disallineamento delle guide. Questi dispositivi di compensazione del disallineamento diventano parte integrante del telaio del portale e forniscono i gradi di libertà necessari per prevenire sovraccarichi dei cuscinetti in diverse configurazioni di montaggio delle guide del portale e di azionamento degli assi.

Cinematica del disallineamento

Per capire come funziona un compensatore di disallineamento, è necessario comprenderne le caratteristiche cinematiche nell'ambito del suo sistema a portale. Ad esempio, il diagramma 3D del portale allegato mostra quattro supporti. Le basi degli stadi X₁(collegamento 10) e X₂(link 1) sono mostrati esageratamente disallineati in beccheggio, imbardata e rollio l'uno rispetto all'altro, così come in planarità e parallelismo. Supponiamo che la X sinistra₁Il carrello (9) è il master motorizzato e ha un giunto sferico (j) che supporta la fase Y (4). L'X motorizzato destro opposto₂Lo stadio (3) ha un giunto sferico (b) e un giunto di scorrimento lineare (c) che supportano lo stadio Y. Gli altri carrelli X (7 e 6) sono folli e supportano anch'essi lo stadio Y tramite un giunto sferico e uno scorrimento lineare.

Contando il numero totale di gradi di libertà e sottraendo il numero totale di vincoli, si ottiene 1 grado di libertà. Ciò significa che solo l'asse X principale può muoversi in modo indipendente e tutti gli altri collegamenti lo seguiranno. In questo caso, se un altro motore indipendente azionasse l'altro asse X, si potrebbe verificare un carico eccessivo sulle guide. Questa è una configurazione indesiderabile per stadi Y lunghi e, pertanto, gli ingegneri devono apportare modifiche correttive per consentire al secondo stadio X di muoversi indipendentemente dal primo.

Aggiungere un ulteriore grado di libertà al sistema, ad esempio per l'asse X, significa aggiungere un ulteriore grado di libertà a uno dei giunti. Una soluzione comune in tali configurazioni prevede che un cursore folle abbia un grado di libertà nella direzione Z, ad esempio, tra i giunti sferici d e il giunto di scorrimento e.

Il risultato sarà un supporto cinematico per lo stadio Y in corrispondenza dei giunti b, j e i, che si adatta all'orientamento 3D del piano dello stadio 4 senza vincoli. Tuttavia, per evitare che lo stadio 4 sia supportato solo in tre punti d'angolo, la prassi comune è quella di aggiungere una certa flessibilità nella direzione Z tra il giunto d e la slitta e per assorbire parte del carico. In alcuni casi la flessibilità del collegamento 4 può essere sufficiente; in altri casi, si può utilizzare una rondella Belleville flessibile.

Progettazione di compensatori

I compensatori di disallineamento integrati sono progettati per configurazioni a portale 2D. Il design comprende due piastre che circondano un elemento flessibile che fornisce un grado di libertà lineare nella direzione Y.

Esaminiamo due progetti di compensatori di disallineamento. Il primo è un giunto rotoidale composto con un giunto a cursore lineare, per una configurazione a portale 3D. Il secondo è un giunto rotoidale integrato con un giunto flessibile lineare per una configurazione a portale 2D. Nella versione 2D, si supponga che le guide del portale X₁e X₂sono complanari.

Progettazione di giunti composti.Consideriamo un'applicazione a portale in un processo di produzione di lattine. Il portale utilizza due stadi azionati da cinghie che supportano un robusto telaio saldato su quattro slitte. Un servomotore aziona ciascuno stadio del portale in una configurazione master-slave. Una cinghia aziona una slitta di ogni stadio, mentre l'altra slitta funge da folle.

Le fasi, assemblate dall'utente finale, hanno subito un guasto prematuro a livello dei cuscinetti. Il problema è stato risolto aggiungendo quattro giunti sferici standard, facilmente reperibili, montati su quattro guide lineari, alle quattro guide delle due fasi lineari del portale. Per uniformare la configurazione a quella del portale precedentemente descritto, una delle guide è stata "bloccata" con una piastra di fissaggio. La riprogettazione ha risolto completamente il problema.

Lo svantaggio dell'utilizzo di un compensatore di questo tipo, tuttavia, è un notevole aumento dell'altezza, che potrebbe richiedere modifiche alla fase Z.

Progettazione di giunzioni integrate.Un compensatore di disallineamento integrato può essere utilizzato nelle configurazioni a portale 2D. Il progetto comprende due piastre. Una piastra presenta fori di montaggio per la slitta X del portale e l'altra piastra presenta fori di montaggio per la base della piattaforma Y trasversale. Un cuscinetto centrale collega le due piastre.

Inoltre, una delle piastre include un elemento flessibile che fornisce un grado di libertà lineare nella direzione Y. Per utilizzare lo stesso componente per tutti i giunti, è possibile utilizzare due bulloni per "vincolare" il grado di libertà lineare dell'elemento flessibile e mantenere solo la libertà di movimento rotazionale tra le due piastre. L'elemento flessibile è progettato per operare alla massima deflessione al di sotto del limite di fatica.

Infine, per evitare che, nel caso di configurazioni a portale 2D, la flessione venga sottoposta a un momento flettente attorno all'asse Y, quattro bulloni di fissaggio assorbono i carichi di momento.

I vantaggi di questo progetto includono componenti integrati, profilo ribassato, dimensioni compatte e facilità di montaggio su piattaforme a portale esistenti in meno di 15 minuti.