E come evitarlo...

I portali differiscono da altri tipi di sistemi multiasse (come robot cartesiani e tavole XY) poiché utilizzano due assi di base (X) in parallelo, con un asse perpendicolare (Y) che li collega. Sebbene questa disposizione a doppio asse X fornisca un ingombro ampio e stabile e consenta ai sistemi a portale di offrire elevata capacità di carico, lunghe corse e buona rigidità, può anche portare a un fenomeno comunemente noto come scaffalature.

Ogni volta che due assi lineari sono montati e collegati in parallelo, c'è il rischio che gli assi non si muovano in perfetta sincronia. In altre parole, durante il movimento, uno degli assi X può “restare indietro” rispetto all’altro, e l’asse principale tenterà di trascinare con sé il suo partner in ritardo. Quando ciò accade, l'asse di collegamento (Y) può diventare distorto, non più perpendicolare ai due assi X. La condizione in cui gli assi X e Y perdono l'ortogonalità viene definita racking e può provocare inceppamenti mentre il sistema si muove nella direzione X, nonché forze potenzialmente dannose su entrambi gli assi X e Y.

Le scaffalature nei sistemi a portale possono essere causate da una varietà di fattori di progettazione e assemblaggio, ma uno dei fattori più influenti è il metodo di azionamento degli assi X. Con due assi X in parallelo, i progettisti possono scegliere di guidare ciascun asse X in modo indipendente oppure di guidare un asse e trattare l'altro come un asse “slave” o seguace.

Nelle applicazioni a bassa velocità con una distanza relativamente piccola tra i due assi X (corsa breve dell'asse Y), può essere accettabile azionare solo un asse X e consentire al secondo asse X di essere un follower, senza meccanismo di azionamento. In questo progetto, una preoccupazione fondamentale è la rigidità della connessione tra gli assi, in altre parole, la rigidità dell’asse Y.

Poiché l'asse condotto sta effettivamente "tirando lungo" l'asse non condotto, se la connessione tra loro subisce flessione, torsione o altro comportamento non rigido, qualsiasi differenza di attrito o carico tra i due assi X può portare immediatamente a travasi e legame. E più lungo è l'asse Y, meno rigido sarà. Questo è il motivo per cui la disposizione “guidato-follower” è generalmente consigliata per applicazioni in cui la distanza tra gli assi X è inferiore a un metro.

La soluzione di azionamento più sofisticata consiste nell'utilizzare un motore separato su ciascun asse, con i motori sincronizzati in una disposizione master-slave tramite il controller. In questa disposizione, tuttavia, gli errori di corsa degli azionamenti meccanici devono essere perfettamente (o quasi) abbinati, altrimenti, travasi e inceppamenti possono essere causati da lievi deviazioni nella distanza percorsa da ciascun asse per giro del motore.

Per le applicazioni a portale di precisione ad alta velocità, i meccanismi di azionamento preferiti sono generalmente viti a ricircolo di sfere e azionamenti a pignone e cremagliera. Entrambe queste tecnologie possono essere abbinate selettivamente per fornire un errore lineare simile su ciascun asse, evitando parte dell'accumulo di errori che può verificarsi in gruppi di azionamento senza eguali. Poiché le trasmissioni a cinghia e catena presentano errori di passo difficili da abbinare e compensare, questi non sono generalmente consigliati per i sistemi a portale quando gli assi X sono azionati in modo indipendente. D'altro canto, i motori lineari sono una scelta eccellente per gli assi paralleli nei sistemi a portale, poiché non presentano errori meccanici e possono fornire lunghe corse e velocità elevate.

Un'altra soluzione, una sorta di compromesso tra le due opzioni sopra descritte, consiste nell'utilizzare un motore per azionare entrambi gli assi X. Ciò può essere fatto collegando l'uscita dell'asse motorizzato all'ingresso del secondo asse tramite un giunto distanziatore (chiamato anche albero di collegamento). Questa configurazione elimina il secondo motore (e la relativa sincronizzazione che sarebbe necessaria).

Tuttavia, la rigidità torsionale del giunto a distanza è importante. Se la coppia trasferita tra gli assi provoca un "avvolgimento" dell'accoppiamento, è ancora possibile che si verifichino travasi e inceppamenti. Questa configurazione è spesso una buona opzione quando la distanza tra gli assi X è compresa tra uno e tre metri, con requisiti di carico e velocità moderati.

Un altro fattore che può causare scaffalature nei sistemi a portale è la mancanza di precisione di montaggio e di parallelismo tra i due assi X. Ogni volta che due guide lineari vengono montate e utilizzate in parallelo, richiedono una certa tolleranza di parallelismo, planarità e rettilineità per evitare di sovraccaricare i cuscinetti su una o entrambe le guide. Nei sistemi a portale, dove gli assi X tendono ad essere distanziati (a causa della lunga corsa sull'asse Y), il montaggio e il parallelismo degli assi X diventano ancora più critici, con errori angolari amplificati su lunghe distanze.

Diverse tecnologie di guida richiedono diversi livelli di precisione per parallelismo, planarità e rettilineità. Nelle applicazioni a portale, la migliore tecnologia di guida lineare per gli assi X paralleli è in genere quella che offre la massima "tolleranza" negli errori di montaggio e allineamento pur fornendo la capacità di carico e la rigidità richieste.

Le guide profilate a ricircolo di sfere o a rulli forniscono in genere la capacità di carico e la rigidità più elevate di tutte le tecnologie di guida lineare, ma se utilizzate in una configurazione parallela, richiedono tolleranze di parallelismo e altezza di montaggio molto precise per evitare inceppamenti. Alcuni produttori offrono versioni “autoallineanti” dei cuscinetti a ricircolo di sfere che sono in grado di compensare alcuni disallineamenti, sebbene la rigidità e la capacità di carico possano essere ridotte.

D'altro canto, le ruote guida che scorrono su binari di precisione richiedono meno precisione nel montaggio e nell'allineamento rispetto alle guide ferroviarie profilate. Possono anche essere montati su superfici moderatamente imprecise senza causare problemi di funzionamento come vibrazioni e intoppi, anche quando due binari vengono utilizzati in parallelo.

Sebbene l'allineamento possa essere eseguito con strumenti semplici come comparatori e fili, le lunghe lunghezze coinvolte nei sistemi a portale spesso lo rendono poco pratico. Inoltre, l'allineamento di più assi paralleli e perpendicolari aumenta esponenzialmente la complessità e il tempo e la manodopera richiesti.

Questo è il motivo per cui un interferometro laser è spesso lo strumento migliore per garantire rettilineità, planarità e ortogonalità tra gli assi del gantry.