経済的なミスアライメント補正技術により、ベアリングの過負荷とガントリーの早期故障を防止します。

ガントリーアライメントツール

位置決めシステムメーカーがガントリー システムを構築する場合、通常、組み立てプロセス中に特殊なアライメント ツールを使用して、力、精度、および寿命の仕様を満たしていることを確認します。

レーザー干渉計は、ミクロン単位、秒角単位の精度で機械の位置合わせを行う際に頻繁に使用されます。例えば、レニショーのレーザー干渉計は、ガントリーレールの平面度、真直度、直角度の調整に役立ちます。

Hamar社のアライメントレーザーなどの他のツールは、回転するレーザービームを空間内の精密な基準面として使用し、可動スライド上にセンサーを設置します。レール調整ネジを調整するか、レール下のシムを調整することで、レールまたはステージを所望の方向に調整できます。レールを高精度に水平に調整するには、機械の精度レベル、サイズ、構成に応じて、数日から数週間かかる場合があります。

精度の低いアライメント要件には、電子レベラー、ダイヤルインジケータ、ストレートエッジ、平行ビームなど、様々な機械部品が使用されます。これらの部品を用いて、技術者はダイヤルインジケータを用いてマスターレールを精密な取り付け面またはストレートエッジに位置合わせします。1本のレールを必要な精度まで締め付けた後、スライドをガイドしながら、ダイヤルインジケータまたはガイドスライドを用いて2本目のフローティングレールのボルトを締め付けます。

アライメント方法に関係なく、残留ミスアライメントによってステージレールに力が加わらないようにする必要があります。力が加わると、寿命が短くなったり、重大な故障につながる可能性があります。

ガントリーシステム（直交ロボットとも呼ばれる）は、自動搬送ラインに最適な位置決めシステムです。このタイプの製造プロセスでは、連続搬送コンベアまたはインデックス搬送コンベアが、部品をあるガントリーステーションから別のガントリーステーションへと搬送します。コンベアライン上の各ガントリーステーションは、部品に対してツールを操作し、機械加工、接着、組立、検査、印刷、梱包などの製造工程を実行します。ガントリーは、自動搬送ラインにおける製品の位置決めによく使用されます。

ダウンタイムを最小限に抑えるには、トランスファーラインの各機械の信頼性を極めて高く設定する必要があることは明らかです。なぜなら、1台の機械のダウンタイムがトランスファーライン全体の停止につながり、多大な損失をもたらす可能性があるからです。さらに、ガントリーには、コントローラー、アンプ、モーター、カップリング、アクチュエーター（ボールねじ、ベルト、リニアモーターなど）、レール、スライド、ベース、ストッパー、エンコーダー、ケーブルなど、多くの重要な要素が含まれています。ガントリーシステム全体の信頼性は、すべてのコンポーネントの信頼性の統計的な合計値です。

システムの信頼性を高めるには、各コンポーネントのサイズを適切に設定し、動作中の負荷が定格値を超えないようにする必要があります。各コンポーネントのサイズ設定は、コンポーネントメーカーの推奨に従って簡単に行えるエンジニアリング作業ですが、リニアレールの故障モードはやや複雑です。故障モードは、耐荷重、サイズ、精度に加えて、空間における正確な配置にも左右されます。

ずれの問題

ほぼすべてのリニアレールメーカーは、位置ずれが問題を引き起こすことに同意しています。リニアベアリングの早期故障につながる要因の中で、位置ずれは上位にランクされています。

次のようなレールのずれによる障害が分類されます。fレーキング：レール表面からの材料の除去。着る: 過度の摩擦の結果;インデントボールがレールを変形させ、損傷した部品: レール溝からボールが脱落してレールが変形する。

レールの位置ずれの一般的な根本原因としては、直線レールの平面度、真直度、平行度、共面性の欠如などが挙げられます。これらの原因は、適切な組み立てと位置合わせ技術によって最小限に抑えられるか、あるいは排除することができ、ひいてはレールの過負荷を最小限に抑えることができます。リニアレールの故障の他の根本原因としては、潤滑不足や異物の侵入などが挙げられますが、これらは適切なシーリングと定期的な潤滑によって軽減できます。これらは重要ではありますが、この記事では取り上げません。

アライメントの基本

ガントリー レールには通常、高い剛性を実現するために走行溝に予圧がかけられた循環ボール ベアリングが組み込まれています。高い剛性と低い移動質量は、システムの最低固有振動数を決定するため、ガントリーの重要な特性です。150 Hz 程度の高い固有振動数は、高い位置帯域幅に必要です。40 Hz 程度の高い位置帯域幅は、高い動的精度に必要です。数ミクロンの位置誤差で一定速度を保つなどの高い動的精度、または数ミリ秒からサブミクロンの整定時間ウィンドウまでの短い整定時間は、それぞれ高い部品品質と高いスループットに必要です。これらの性能特性は、通常、PCB 検査、インクジェット印刷、レーザー スクライビングなどのプロセスにおいて、高加速度とスムーズな動作が相反する影響を与える状況下で求められます。

100 N/µmオーダーの高いガントリー剛性を確保するため、ベアリングには予圧がかけられています。しかし、ガントリーの両側面の垂直方向（平面度）または水平方向（真直度）に数十ミクロンオーダーのずれが生じると、ベアリングの負荷が劇的に増加する可能性があります。その結果、ベアリング溝からのボールの脱落やレールの深いへこみなどにより、壊滅的な故障につながる可能性があります。また、ベアリングの小さな変形でも、ベアリング寿命を大幅に短縮する可能性があります。

リニアレールを数十ミクロン単位の精度で長距離（1～3メートル程度）にわたって調整するには、レーザー干渉計や特殊な治具といった高価なツールが必要です。これらのツールは、一般的なエンドユーザーやシステムインテグレーターにとって容易に入手できるとは限りません。これらのツールがなければ、レールのずれはシステムの信頼性の低下、メンテナンスコストの増大、ダウンタイム、そしてシステム寿命の短縮といった根本的な原因となる可能性があります。

幸いなことに、現場で実証済みの様々なミスアライメント補正オプションがあり、複雑なアライメントツールを必要とせず、レールのミスアライメントによる潜在的に深刻な影響を軽減することで高い価値を提供します。これらのミスアライメント補正装置はガントリーフレームの不可欠な部分となり、様々なガントリーレールの取り付けや軸駆動構成において、ベアリングの過負荷を防止するために必要な自由度を提供します。

ずれの運動学

ミスアライメント補正装置の仕組みを理解するには、補正装置のガントリーシステムの一部としての運動学的特性を理解する必要があります。例として、添付の3Dガントリー図には4つの支持部が示されています。ステージXのベースは₁（接続リンク10）およびX₂（リンク1）は、ピッチ、ヨー、ロール、そして平面度と平行度が誇張してずれていることが示されています。左のX軸が₁キャリッジ（9）は電動マスターで、Yステージ（4）を支持する球面ジョイント（j）を備えている。反対側の電動右Xステージは、₂ステージ（3）には、Yステージを支持する球面ジョイント（b）とリニアスライドジョイント（c）が1つずつあります。他のXキャリッジ（7と6）はアイドラーであり、球面ジョイントとリニアスライドによってYステージを支持します。

次に、自由度の総数から拘束の総数を差し引くと、自由度は1になります。これは、マスターX軸のみが独立して移動でき、他のすべてのリンクがそれに従うことを意味します。この場合、別の独立したモーターがもう一方のX軸を駆動すると、レールに過度の負荷がかかる可能性があります。これは長いYステージには望ましくない構成であるため、エンジニアは2番目のXステージが最初のXステージから独立して移動できるように修正する必要があります。

Xスレーブのようにシステムに別の自由度を追加するということは、ジョイントの1つに別の自由度を追加することを意味します。このような構成では、1つのアイドラースライドにZ方向の自由度を持たせることが一般的です。例えば、球面ジョイントdとスライドジョイントeの間などです。

その結果、Yステージはジョイントb、j、iにおいてキネマティックマウントとなり、ステージ4平面の3D方向を制約なしに支持します。ただし、ステージ4を3つのコーナーポイントのみで支持することを防ぐため、ジョイントdとスライドeの間にZ方向にコンプライアンスを追加して荷重の一部を吸収することが一般的です。場合によっては、リンク4の柔軟性だけで十分な場合もありますが、コンプライアンスの高いベルビルワッシャーを使用する場合もあります。

補償器の設計

統合型ミスアライメント補正装置は、2Dガントリー構成向けに設計されています。この設計には、Y方向に直線的な自由度を提供するフレクシャを囲む2枚のプレートが含まれています。

2つの位置ずれ補正設計を見てみましょう。1つは、3次元ガントリー構成用の、直線スライダジョイントと回転ジョイントを組み合わせたものです。もう1つは、2次元ガントリー構成用の、直線フレクシャジョイントと回転ジョイントを組み合わせたものです。2次元バージョンでは、ガントリーレールXが₁およびX₂同一平面にあります。

複合ジョイント設計。缶詰製造工程におけるガントリーアプリケーションを例に考えてみましょう。このガントリーは、4つのスライド上に堅牢な溶接フレームを支える2つのベルト駆動ステージを備えています。サーボモーターはマスタースレーブ構成で各ガントリーステージを駆動します。各ステージの1つのスライドはベルトで駆動され、もう1つのスライドはアイドラーとして機能します。

エンドユーザーによって組み立てられたステージでは、ステージベアリングの早期故障が発生しました。この問題は、2つのガントリー直動ステージの4つのスライドに、4つの直動スライドに取り付けられた4つの標準球面ジョイントを追加することで解決しました。前述のガントリー構成と一致させるため、1つのスライドをロックプレートで「接地」しました。この再設計により、問題は完全に解決しました。

ただし、このような補償器を使用する場合の欠点は、高さが大幅に増加するため、Z ステージの変更が必要になる可能性があることです。

一体型ジョイント設計。2Dガントリー構成では、一体型のミスアライメント補正装置を使用できます。この設計は2枚のプレートで構成されています。1枚のプレートにはガントリーXスライドへの取り付け穴があり、もう1枚のプレートにはクロス軸Yステージのベースへの取り付け穴があります。中央のベアリングが2枚のプレートを接続します。

さらに、片方のプレートにはY方向に直線自由度を提供するフレクシャが設けられています。すべてのジョイントに同じ部品を使用するには、2本のボルトを使用してフレクシャの直線自由度を「固定」し、2枚のプレート間の回転自由度のみを保持します。フレクシャは、疲労限界以下の最大たわみで動作するように設計されています。

最後に、2D ガントリー構成の場合、Y 軸を中心とした曲げモーメントがフレクシャに負荷をかけないように、4 つの保持ボルトがモーメント負荷を吸収します。

この設計の利点としては、統合コンポーネント、薄型、コンパクトサイズ、既存のガントリーステージへの 15 分以内での容易な組み立てなどが挙げられます。