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 costruiscono un sistema a portale, in genere utilizzano strumenti di allineamento speciali durante il processo di assemblaggio per garantire che soddisfino le 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 di Hamar, utilizzano raggi laser rotanti come piani di riferimento di precisione nello spazio con sensori posizionati sulla slitta mobile. La regolazione delle viti di livellamento delle rotaie o lo spessore sotto le rotaie porta la rotaia o il palco nell'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 di una macchina.

Per requisiti di allineamento di precisione inferiore, vengono utilizzati vari componenti meccanici, tra cui livellatori elettronici, comparatori, bordi dritti e travi parallele. Con questi, i tecnici allineano la guida principale con un comparatore contro una superficie di montaggio di precisione o un bordo dritto. Dopo che un binario è stato serrato alla precisione richiesta, una slitta viene guidata mentre i bulloni del secondo binario flottante vengono serrati, utilizzando un comparatore o una slitta di guida.

Indipendentemente dal metodo di allineamento, è necessario garantire che il disallineamento residuo non eserciti forze sulle rotaie del palco, il che potrebbe comportare una vita breve o un guasto catastrofico.

I sistemi a portale, a volte definiti robot cartesiani, sono sistemi di posizionamento ideali per linee di trasferimento automatizzate. In questo tipo di processo di produzione, un trasportatore continuo o intermittente trasferisce i pezzi da una stazione del portale all'altra. Ciascuna stazione a portale lungo la linea di trasporto manipola uno strumento rispetto a una parte per eseguire operazioni di produzione quali lavorazione, incollaggio, assemblaggio, ispezione, stampa o imballaggio. I portali sono comunemente utilizzati per posizionare i prodotti su linee di trasferimento automatizzate.

Chiaramente, l'affidabilità di ciascuna macchina in un'operazione di linea di trasferimento deve essere estremamente elevata per ridurre al minimo i tempi di fermo, poiché i tempi di fermo di una macchina possono portare a un costoso arresto dell'intera linea di trasferimento. Inoltre, i portali includono molti elementi critici, come un controller, un amplificatore, un motore, un giunto, un attuatore (come una vite a ricircolo di sfere, una cinghia o un motore lineare), binari, slitta, base, arresti, encoder e cavi. L'affidabilità dell'intero sistema a portale è la somma statistica dell'affidabilità di tutti i componenti.

Per un'elevata affidabilità del sistema, ciascun componente deve essere dimensionato per garantire che il suo carico durante il funzionamento non superi i valori nominali. Sebbene il dimensionamento di ciascun componente possa 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 porta a problemi. Tra tutti i fattori che contribuiscono al cedimento prematuro dei cuscinetti lineari, il disallineamento è in cima alla lista.

Sono classificati i guasti di disallineamento ferroviario che includono:flago: rimozione di materiale dalla superficie della rotaia;Indossare: conseguenze di eccessivo attrito;rientranza: le sfere deformano le rotaie; Eparti danneggiate: rotaie deformate a causa della caduta delle sfere dalle scanalature delle rotaie.

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

Nozioni di base sull'allineamento

Le guide del portale includono tipicamente cuscinetti a ricircolo di sfere precaricati nelle scanalature di scorrimento per fornire un'elevata rigidità. L'elevata rigidità e la massa in movimento ridotto sono caratteristiche critiche del gantry, poiché definiscono la frequenza naturale più bassa del sistema. Per una larghezza di banda di posizione elevata è necessaria un'elevata frequenza naturale, dell'ordine di 150 Hz. Per un'elevata precisione dinamica è necessaria un'elevata larghezza di banda di posizione, dell'ordine di 40 Hz. Un'elevata precisione dinamica, come una velocità costante con un errore di posizione di pochi micron, o un tempo di assestamento basso, dell'ordine di pochi millisecondi fino a una finestra di assestamento inferiore al micron, sono necessari rispettivamente per un'elevata qualità delle parti e un'elevata produttività. Queste caratteristiche prestazionali sono generalmente richieste in caso di effetti contrastanti di elevata accelerazione e movimento fluido in processi quali l'ispezione PCB, la stampa a getto d'inchiostro e l'incisione laser.

Per garantire un'elevata rigidità del gantry, dell'ordine di 100 N/μm, i cuscinetti sono precaricati. Tuttavia, qualsiasi disallineamento tra i due lati del gantry dell'ordine di decine di micron, sia nell'orientamento verticale (planarità) che orizzontale (rettilineità), può aumentare notevolmente il carico del cuscinetto. Ciò, a sua volta, potrebbe portare a guasti catastrofici dovuti alla caduta delle sfere dalle scanalature dei cuscinetti o a profonde rientranze nelle rotaie. Deformazioni minori dei cuscinetti possono comunque ridurne sostanzialmente la durata.

Per allineare le guide lineari con una precisione di decine di micron su lunghe corse (nell'ordine da 1 a 3 metri) sono necessari strumenti costosi come un interferometro laser e dispositivi speciali. Questi strumenti potrebbero non essere immediatamente disponibili per il tipico utente finale o integratore di sistema. Senza questi strumenti, il disallineamento delle rotaie potrebbe essere la causa principale della bassa affidabilità del sistema, degli elevati costi di manutenzione, dei tempi di inattività e della breve durata del sistema.

Fortunatamente, esistono varie opzioni di compensazione del disallineamento collaudate sul campo che potrebbero non richiedere strumenti di allineamento estesi, ma forniscono un valore elevato riducendo gli effetti potenzialmente gravi del disallineamento ferroviario. 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 montaggi delle guide del portale e configurazioni di azionamento degli assi.

Cinematica del disallineamento

Per comprendere come funziona un compensatore di disallineamento, è necessario comprendere le caratteristiche cinematiche del compensatore come parte del suo sistema a portale. Ad esempio, il diagramma del portale 3D allegato mostra quattro supporti. Le basi degli stadi X₁(link collegato 10) e X₂(link 1) sono mostrati esageratamente disallineati in beccheggio, imbardata e rollio l'uno rispetto all'altro, nonché in planarità e parallelismo. Supponiamo che la X sinistra₁il carrello (9) è il master motorizzato ed è dotato di uno snodo sferico (j) che sostiene lo stadio Y (4). L'opposto motorizzato destro X₂lo stadio (3) ha un giunto sferico (b) e un giunto scorrevole 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 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 X, potrebbe verificarsi un carico eccessivo sulle rotaie. Questa è una configurazione indesiderabile per gli stadi Y lunghi e, pertanto, gli ingegneri devono apportare modifiche correttive per consentire al secondo stadio X di muoversi indipendentemente dal primo stadio X.

Aggiungere un altro grado di libertà al sistema, come per l'X slave, significa aggiungere un altro grado di libertà a uno dei giunti. Una soluzione comune in tali configurazioni consente a una slitta folle di avere un grado di libertà nella direzione Z, ad esempio tra i giunti sferici d e il giunto scorrevole e.

Il risultato sarà un supporto cinematico per lo stadio Y nei giunti b, j e i, che accoglie l'orientamento 3D del piano dello stadio 4 senza alcun vincolo. Tuttavia, per impedire il supporto della fase 4 solo in tre punti d'angolo, la pratica comune è quella di aggiungere una certa cedevolezza nella direzione Z tra il giunto d e la guida e per sostenere parte del carico. In alcuni casi la flessibilità del collegamento 4 può essere sufficiente; negli altri casi è possibile utilizzare una rondella Belleville conforme.

Disegni del compensatore

I compensatori di disallineamento integrati sono destinati alle configurazioni a portale 2D. Il progetto prevede due piastre che circondano una flessione che fornisce un grado di libertà lineare nella direzione Y.

Esaminiamo due progetti di compensatori di disallineamento. Uno è un giunto rotante composto con un giunto a scorrimento 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 i binari 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 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 diapositiva di ciascuna fase e l'altra diapositiva è un tenditore.

Le fasi, assemblate dall'utente finale, hanno subito un cedimento prematuro del cuscinetto. Il problema è stato corretto aggiungendo quattro giunti sferici standard facilmente reperibili montati su quattro slitte lineari alle quattro slitte dei due stadi lineari del gantry. Per adattare la configurazione al portale discusso in precedenza, una slitta è stata “messa a terra” con una piastra di bloccaggio. La riprogettazione ha risolto completamente il problema.

Lo svantaggio dell'utilizzo di un compensatore di questo tipo è tuttavia un sostanziale aumento 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 è dotata di fori di montaggio sulla slitta X del gantry e l'altra piastra è dotata di fori di montaggio sulla base della fase Y ad asse trasversale. Un cuscinetto al centro collega le due piastre.

Inoltre, una piastra include una flessione 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 “radicare” il grado di libertà lineare della flessione e mantenere solo la libertà di movimento rotazionale tra le due piastre. La flessione è progettata per funzionare alla massima deflessione al di sotto del limite di fatica.

Infine, per evitare, nel caso di configurazioni a portale 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 design includono componenti integrati, basso profilo, dimensioni compatte e facilità di assemblaggio su stadi del portale esistenti in meno di 15 minuti.