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

Strumenti di allineamento del portale

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

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

Altri strumenti, come i laser di allineamento 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 rotaie o inserendo spessori sotto le rotaie, si porta la rotaia o il piano porta-rotaia all'orientamento desiderato. Il livellamento delle rotaie ad alta precisione può richiedere giorni o settimane, a seconda del livello di precisione, delle dimensioni e della configurazione della macchina.

Per requisiti di allineamento di minore precisione, vengono utilizzati vari componenti meccanici, tra cui livellatori elettronici, comparatori, righelli e travi parallele. Con questi, i tecnici allineano la rotaia principale con un comparatore su una superficie di montaggio di precisione o un righello. Dopo che una rotaia è stata serrata con la precisione richiesta, una slitta viene guidata lungo il binario mentre i bulloni della seconda rotaia mobile vengono serrati, utilizzando un comparatore o una slitta di guida.

Indipendentemente dal metodo di allineamento utilizzato, è necessario garantire che eventuali disallineamenti residui non esercitino forze sulle guide del palco, il che potrebbe comportare una durata ridotta o un guasto catastrofico.

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

Chiaramente, l'affidabilità di ogni macchina in un'operazione di linea transfer deve essere estremamente elevata per ridurre al minimo i tempi di fermo, poiché un fermo di una macchina può comportare l'arresto dell'intera linea transfer a costi elevati. Inoltre, i portali includono molti elementi critici, come un controller, un amplificatore, un motore, un giunto, un attuatore (come una vite a sfere, una cinghia o un motore lineare), guide, slitte, basi, arresti, encoder e cavi. L'affidabilità dell'intero sistema a portale è la somma statistica delle affidabilità di tutti i componenti.

Per un'elevata affidabilità del sistema, ogni componente deve essere dimensionato in modo da garantire che il carico durante il funzionamento non superi i valori nominali. Mentre il dimensionamento di ogni componente può essere un compito ingegneristico semplice, come raccomandato dal produttore del componente, le modalità di guasto delle guide lineari sono leggermente più complesse. 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 possa causare problemi. Tra tutti i fattori che contribuiscono al guasto prematuro dei cuscinetti lineari, il disallineamento è in cima alla lista.

Si tratta di guasti classificati per disallineamento delle rotaie che includono:flaking: rimozione del materiale dalla superficie della rotaia;Indossare: risultati di attrito eccessivo;rientro: le sfere deformano le rotaie; eparti danneggiate: rotaie deformate a causa della caduta delle sfere dalle gole delle rotaie.

Le cause più comuni del disallineamento delle rotaie includono la mancanza di planarità, rettilineità, parallelismo e complanarità delle rotaie lineari. Queste cause possono essere ridotte al minimo o eliminate mediante adeguate tecniche di assemblaggio e allineamento, che a loro volta riducono al minimo il sovraccarico delle rotaie. Altre cause principali di guasti delle rotaie lineari includono una lubrificazione insufficiente e l'ingresso di particelle estranee, che possono essere mitigate mediante un'adeguata sigillatura e una lubrificazione periodica. Sebbene importanti, queste cause esulano dallo scopo di questo articolo.

Nozioni di base sull'allineamento

Le guide del portale includono tipicamente cuscinetti a ricircolo di sfere precaricati nelle rispettive scanalature per garantire un'elevata rigidità. Elevata rigidità e ridotta massa in movimento sono caratteristiche critiche del portale, poiché definiscono la frequenza naturale più bassa del sistema. Un'elevata frequenza naturale, dell'ordine di 150 Hz, è richiesta per un'elevata larghezza di banda di posizione. Un'elevata larghezza di banda di posizione, dell'ordine di 40 Hz, è richiesta per un'elevata precisione dinamica. Un'elevata precisione dinamica, come velocità costante con errore di posizione di pochi micron, o un basso tempo di assestamento, dell'ordine di pochi millisecondi fino a una finestra di assestamento submicronica, sono necessarie rispettivamente per un'elevata qualità dei componenti e un'elevata produttività. Queste caratteristiche prestazionali sono tipicamente 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 – nell'ordine di 100 N/µm – i cuscinetti sono precaricati. Tuttavia, qualsiasi disallineamento tra i due lati del portale, nell'ordine di decine di micron, sia in senso verticale (planarità) che orizzontale (rettilineità), può aumentare drasticamente il carico sui cuscinetti. Questo, a sua volta, può portare a cedimenti catastrofici dovuti alla fuoriuscita delle sfere dalle scanalature dei cuscinetti o a profonde intaccature nelle rotaie. Anche deformazioni minori dei cuscinetti possono ridurne sostanzialmente la durata.

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

Fortunatamente, esistono diverse opzioni di compensazione del disallineamento collaudate sul campo che potrebbero non richiedere strumenti di allineamento complessi, ma offrono un elevato valore aggiunto riducendo gli effetti potenzialmente dannosi del disallineamento delle rotaie. 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 vari tipi di montaggio delle rotaie del portale e configurazioni di azionamento degli assi.

Cinematica del disallineamento

Per comprendere il funzionamento di un compensatore di disallineamento, è necessario comprenderne le caratteristiche cinematiche in quanto parte del suo sistema a portale. A titolo di esempio, il diagramma 3D del portale allegato mostra quattro supporti. Le basi delle fasi X₁(collegamento collegato 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. Si supponga che la X sinistra₁il carrello (9) è il master motorizzato e ha un giunto sferico (j) che supporta la fase Y (4). Il carrello destro motorizzato opposto X₂la fase (3) ha un giunto sferico (b) e un giunto scorrevole lineare (c) che supportano la fase Y. Gli altri carrelli X (7 e 6) sono folli e supportano anch'essi la fase Y mediante un giunto sferico e una slitta lineare.

Quindi, contando il numero totale di gradi di libertà e sottraendo il numero totale di vincoli, il risultato è 1 grado di libertà. Ciò significa che solo l'asse X master può muoversi in modo indipendente e tutti gli altri collegamenti seguiranno. In questo caso, se un altro motore indipendente aziona l'altro asse X, potrebbe verificarsi un carico eccessivo sulle rotaie. Questa è una configurazione indesiderata per lunghe fasi dell'asse Y e, pertanto, gli ingegneri devono apportare modifiche correttive per consentire al secondo stadio X di muoversi in modo indipendente dal primo stadio X.

Aggiungere un ulteriore grado di libertà al sistema, come nel caso dello slave X, significa aggiungere un ulteriore grado di libertà a uno dei giunti. Una soluzione comune in tali configurazioni prevede che una slitta di rinvio abbia un grado di libertà in direzione Z, ad esempio tra i giunti sferici d e il giunto scorrevole e.

Il risultato sarà un supporto cinematico per la piattaforma Y in corrispondenza dei giunti b, j e i, che asseconda l'orientamento tridimensionale del piano della piattaforma 4 senza alcun vincolo. Tuttavia, per evitare di supportare la piattaforma 4 solo in tre punti angolari, è prassi comune aggiungere una certa flessibilità in 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, è possibile utilizzare una rondella Belleville flessibile.

Progetti di compensatori

I compensatori di disallineamento integrati sono progettati per configurazioni a portale 2D. Il design prevede due piastre che circondano una flessione che fornisce un grado di libertà lineare in direzione Y.

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

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

Le fasi, assemblate dall'utente finale, hanno subito un guasto prematuro al cuscinetto della fase. 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 gantry. Per adattare la configurazione al gantry precedentemente descritto, una guida è stata "bloccata" con una piastra di bloccaggio. La riprogettazione ha risolto completamente il problema.

Lo svantaggio dell'utilizzo di un tale compensatore è tuttavia un aumento sostanziale dell'altezza, che potrebbe richiedere modifiche nella fase Z.

Progettazione di giunti integrati.Un compensatore di disallineamento integrato può essere utilizzato nelle configurazioni a portale 2D. Il design include due piastre. Una piastra presenta fori di montaggio sulla slitta X del portale e l'altra piastra presenta fori di montaggio sulla base della piattaforma Y trasversale. Un cuscinetto centrale collega le due piastre.

Inoltre, una piastra include un elemento flessibile che fornisce un grado di libertà lineare in direzione Y. Per utilizzare lo stesso componente per tutti i giunti, è possibile utilizzare due bulloni per "fissare" 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 funzionare alla massima flessione al di sotto del limite di fatica.

Infine, per evitare, nel caso di configurazioni di portali 2D, di caricare la flessione in un momento flettente attorno all'asse Y, quattro bulloni di fissaggio assorbono i carichi del momento.

I vantaggi di questo progetto includono componenti integrati, profilo basso, dimensioni compatte e facilità di montaggio sui supporti del portale esistenti in meno di 15 minuti.