E come si può evitare...

I sistemi a portale si distinguono dagli altri tipi di sistemi multiasse (come i robot cartesiani e le tavole XY) per l'utilizzo di due assi di base (X) paralleli, collegati da un asse perpendicolare (Y). Sebbene questa configurazione a doppio asse X offra un'ampia e stabile base d'appoggio e consenta ai sistemi a portale di raggiungere elevate capacità di carico, lunghe corse e una buona rigidità, può anche dare origine a un fenomeno comunemente noto come "effetto racking".

Ogni volta che due assi lineari vengono montati e collegati in parallelo, esiste il rischio che non si muovano in perfetta sincronia. In altre parole, durante il movimento, uno degli assi X può "rimanere indietro" rispetto all'altro, e l'asse anteriore tenterà di trascinare quello posteriore. Quando ciò accade, l'asse di collegamento (Y) può inclinarsi, non essendo più perpendicolare ai due assi X. La condizione in cui gli assi X e Y perdono l'ortogonalità è detta "inclinazione" e può causare blocchi durante il movimento del sistema nella direzione X, nonché forze potenzialmente dannose su entrambi gli assi X e Y.

Nei sistemi a portale, le oscillazioni possono essere causate da diversi fattori di progettazione e assemblaggio, ma uno dei più influenti è il metodo di azionamento degli assi X. Con due assi X in parallelo, i progettisti possono scegliere di azionare ciascun asse X in modo indipendente, oppure di azionare un asse e trattare l'altro come asse "slave" o follower.

Nelle applicazioni a bassa velocità con una distanza relativamente piccola tra i due assi X (corsa breve dell'asse Y), può essere accettabile azionare un solo asse X e lasciare che il secondo asse X funga da seguace, senza alcun meccanismo di azionamento. In questa configurazione, un aspetto fondamentale è la rigidità del collegamento tra gli assi, ovvero la rigidità dell'asse Y.

Poiché l'asse azionato "trascina" di fatto l'asse non azionato, se il collegamento tra di essi subisce flessioni, torsioni o altri comportamenti non rigidi, qualsiasi differenza di attrito o carico tra i due assi X può immediatamente causare slittamenti e inceppamenti. Inoltre, più lungo è l'asse Y, minore sarà la sua rigidità. Per questo motivo, la configurazione "azionato-seguace" è generalmente consigliata per applicazioni in cui la distanza tra gli assi X è inferiore a un metro.

La soluzione di azionamento più sofisticata prevede l'utilizzo di un motore separato per ciascun asse, con i motori sincronizzati in una configurazione master-slave tramite il controllore. In questa configurazione, tuttavia, gli errori di traslazione degli azionamenti meccanici devono essere perfettamente (o quasi perfettamente) compensati; in caso contrario, lievi deviazioni nella distanza percorsa da ciascun asse per ogni giro del motore possono causare slittamenti e inceppamenti.

Per applicazioni a portale ad alta velocità e precisione, i meccanismi di azionamento preferiti sono in genere le viti a ricircolo di sfere e le cremagliere. 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 non abbinati. Poiché le trasmissioni a cinghia e a catena presentano errori di passo difficili da abbinare e compensare, non sono generalmente raccomandate per i sistemi a portale quando gli assi X sono azionati indipendentemente. D'altra parte, i motori lineari sono una scelta eccellente per gli assi paralleli nei sistemi a portale, poiché non presentano errori meccanici e possono fornire corse lunghe ed elevate velocità.

Un'altra soluzione, che rappresenta una sorta di compromesso tra le due opzioni descritte in precedenza, consiste nell'utilizzare un unico motore per azionare entrambi gli assi X. Ciò è possibile collegando l'uscita dell'asse azionato dal motore all'ingresso del secondo asse tramite un giunto distanziatore (detto anche albero di collegamento). Questa configurazione elimina la necessità del secondo motore (e la conseguente sincronizzazione).

Tuttavia, la rigidità torsionale del giunto di distanza è importante. Se la coppia trasmessa tra gli assi provoca un "avvolgimento" del giunto, possono comunque verificarsi slittamenti e bloccaggi. 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 disallineamenti 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 azionate in parallelo, richiedono una certa tolleranza in termini di parallelismo, planarità e rettilineità per evitare di sovraccaricare i cuscinetti di una o di entrambe le guide. Nei sistemi a portale, dove gli assi X tendono ad essere molto distanziati (a causa della lunga corsa sull'asse Y), il montaggio e il parallelismo degli assi X diventano ancora più critici, con gli errori angolari che vengono amplificati su lunghe distanze.

Le diverse tecnologie di guida richiedono livelli di precisione variabili 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 maggiore tolleranza agli errori di montaggio e allineamento, garantendo al contempo la capacità di carico e la rigidità richieste.

Le guide lineari a ricircolo di sfere o rulli offrono in genere la massima capacità di carico e rigidità tra tutte le tecnologie di guida lineare, ma se utilizzate in configurazione parallela richiedono tolleranze di altezza di montaggio e parallelismo molto precise per evitare l'inceppamento. Alcuni produttori offrono versioni "autoallineanti" di cuscinetti a ricircolo di sfere in grado di compensare alcuni disallineamenti, sebbene la rigidità e la capacità di carico possano risultarne ridotte.

D'altro canto, le ruote di guida che scorrono su binari di precisione richiedono una minore accuratezza di montaggio e allineamento rispetto alle guide a rotaia profilate. Possono persino essere montate su superfici moderatamente imprecise senza causare problemi di funzionamento come vibrazioni e inceppamenti, anche quando si utilizzano due binari in parallelo.

Sebbene l'allineamento possa essere effettuato con strumenti semplici come comparatori e fili, le lunghe lunghezze coinvolte nei sistemi a portale spesso rendono questa soluzione impraticabile. Inoltre, l'allineamento di più assi paralleli e perpendicolari aumenta esponenzialmente la complessità, il tempo e la manodopera necessari.

Ecco perché un interferometro laser è spesso lo strumento migliore per garantire rettilineità, planarità e ortogonalità tra gli assi del portale.