経済的な不整合補償技術が、過負荷と早期のガントリーの故障を防ぐ

ガントリーアライメントツール

ポジショニングシステムメーカーがガントリーシステムを構築するとき、彼らは通常、アセンブリプロセス中に特別なアライメントツールを使用して、力、精度、および生活の仕様を確実に満たします。

レーザー干渉計は、マシンの順序とアーク秒の精度に合わせてマシンを調整するために頻繁に使用されます。たとえば、Renishawのレーザー干渉計は、ガントリーレールの平坦性、まっすぐさ、および四角性を調整するのに役立ちます。

Hamarからのアライメントレーザーなどの他のツールは、移動スライドにセンサーを配置したスペースの精密参照面として回転レーザービームを使用します。レールレベルのネジを調整したり、レールの下でシミングすると、レールまたはステージが目的の向きになります。マシンの精度レベル、サイズ、構成に応じて、レールの高精度へのレベリングには数日または数週間かかる場合があります。

低精度の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ー、ストレートエッジ、平行ビームなど、さまざまな機械コンポーネントが使用されます。これらを使用すると、技術者はマスターレールを、精密マウントサーフェスまたはストレートエッジに対してダイヤルインジケーターに合わせます。必要な精度に1つのレールが締められた後、ダイヤルインジケーターまたはガイドスライドを使用して、2番目のフローティングレールのボルトが締められている間にスライドが誘導されます。

アライメント法に関係なく、残留の不整合がステージレールに力を発揮しないようにする必要があります。

デカルトロボットと呼ばれることもあるガントリーシステムは、自動トランスファーラインに理想的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、継続的またはインデックス作成コンベヤーが、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に部品を転送します。コンベアラインに沿った各ガントリーステーションは、機械加工、組み立て、検査、印刷、または包装などの製造業を実行するための部品に関するツールを操作します。ガチョンは、自動移動ラインに製品を配置するために一般的に使用されます。

明らかに、1つのマシンでのダウンタイムがトランスファーライン全体をコストのかかる停止にする可能性があるため、トランスファラライン操作における各マシンの信頼性は非常に高くなければなりません。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（ボールスクリュー、ベルト、線形モーターなど）、レール、スライド、ベース、ストップ、エンコーダ、ケーブルなど、多くの重要な要素が含まれます。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合計です。

高いシステムの信頼性のために、各コンポーネントをサイズにして、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。コンポーネントメーカーが推奨するように、各コンポーネントのサイジングは簡単なエンジニアリングタスクである可能性がありますが、線形鉄道障害モードはやや複雑です。それらは、荷重容量、サイズ、および精度に加えて、宇宙での正確な方向に依存しています。

不整合の問題

ほぼすべての線形レールメーカーは、不整合が問題につながることに同意します。線形ベアリングの早期故障に寄与するすべての要因のうち、リストの上部近くでずれの位置がランク付けされます。

それは次のことを含む分類鉄道の不整合の障害です：fラッキング：鉄道表面からの材料の除去。着る：過剰な摩擦の結果。インデント：ボールはレールを変形させます。そして破損した部品：ボールがレールの溝から落ちるため、変形したレール。

鉄道の不整合の一般的な根本原因には、平坦性の欠如、まっすぐ、並列性、および線形レールの結合が含まれます。これらの原因は、適切なアセンブリとアライメント技術によって最小化または排除される可能性があり、これにより、レールの過負荷が最小限に抑えられます。線形鉄railの故障の他の根本原因には、不十分な潤滑と異物の粒子の侵入が含まれます。これは、適切なシーリングと周期的な潤滑を緩和することができます。重要ですが、それらはこの記事の範囲を超えています。

アライメントの基本

ガントリーレールには、通常、ランニンググルーブに事前に荷積みされて高い剛性を提供する再循環ボールベアリングが含まれます。高い剛性と低変動質量は、最も低いシステムの固有周波数を定義するため、重要なガントリー特性です。高い位置帯域幅には、150 Hzのオーダーの高い固有周波数が必要です。 40 Hzのオーダーでの高位置帯域幅は、高い動的精度に必要です。数ミクロンの位置誤差を伴う一定の速度、または低い沈降時間などの高い動的精度は、それぞれ高品質と高スループットにそれぞれ必要です。これらのパフォーマンス特性は、通常、PCB検査、インクジェット印刷、レーザースクリビングなどのプロセスにおける高加速度と滑らかな動きの矛盾する効果の下で必要です。

100 n/µmのオーダーで高いガントリー剛性を確保するために、bearingsがプリロードされます。ただし、垂直（平坦性）または水平（まっすぐな）方向のいずれかの10秒のミクロンのオーダー上の2つのガントリー側の不整合は、ベアリング負荷を劇的に増加させる可能性があります。それは、順番に、ベアリングの溝から落ちたり、レールの深いくぼんだことによる壊滅的な故障につながる可能性があります。ベアリングの変形が小さくなると、ベアリング寿命が大幅に減少する可能性があります。

長い移動の長さ（1〜3メートル）にわたって10秒のミクロン精度で線形レールを整列するには、レーザー干渉計や特別な備品などの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またはシステムインテグレーターが容易に利用できない場合があります。これらのツールがなければ、鉄道の不整合は、システムの信頼性の低さ、メンテナンスコストの高さ、ダウンタイム、および短いシステム寿命の根本原因である可能性があります。

幸いなことに、広範なアライメントツールを必要としないかもしれないさまざまなフィールドで実証された不整合補償オプションがありますが、鉄道の不整合の潜在的に過酷な影響を減らすことで高い価値を提供します。これらの不整合補償装置は、ガントリーフレームの不可欠な部分になり、さまざまなガントリーレールマウントと軸駆動構成での耐荷重の過負荷を防ぐために必要な自由度を提供します。

不整合の運動学

不整合補償器がどのように機能するかを理解するには、ガントリーシステムの一部として補償器の運動学的特性を理解する必要があります。例として、付随する3Dガントリー図は4つのサポートを示しています。ステージxのベース₁（接続リンク10）およびx₂（リンク1）は、ピッチ、ヨー、および互いに、平坦性と並列性で誇張されていることが示されています。左xを仮定します₁キャリッジ（9）は電動マスターであり、Yステージ（4）をサポートする球状の関節（j）があります。反対の電動右x₂ステージ（3）には、yステージをサポートする1​​つの球体ジョイント（b）と1つの線形スライドジョイント（c）があります。他のXキャリッジ（7および6）はアイドラーであり、球状のジョイントと線形スライドによってYステージをサポートします。

次に、自由度の総数をカウントし、制約の総数を差し引くと、結果は1自由度です。これは、マスターx軸のみが独立して移動できることを意味し、他のすべてのリンクが続きます。この場合、別の独立したモーターが他のXを駆動する場合、レールの過度の負荷が生じる可能性があります。これは、長いYステージの望ましくない構成であるため、エンジニアは2番目のXステージを最初のXステージから独立して移動させるために修正された変更を加える必要があります。

Xスレーブなど、システムに別の自由度を追加することは、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。このような構成の一般的な修正により、1つのアイドラースライドがz方向にある程度の自由度を持つことができます。たとえば、球体dとスライドジョイントeの間にあります。

結果は、ジョイントB、J、およびIのYステージの運動学的マウントになり、制約なしでステージ4平面の3D方向に対応します。ただし、3つのコーナーポイントでステージ4のサポートを防ぐために、一般的な実践は、関節DとスライドEの間のZ方向にコンプライアンスを追加して、負荷の一部を取得することです。場合によっては、リンク4の柔軟性で十分かもしれません。他の場合には、準拠したベルビルワッシャーを使用する場合があります。

補償器設計

統合された不整合補償器は、2Dガントリー構成を目的としています。設計には、Y方向に線形の自由度を提供する曲げを囲む2つのプレートが含まれています。

2つのMisalignment-Compensatorデザインを確認しましょう。 1つは、3Dガントリー構成のために、線形スライダージョイントを備えた複合リボルートジョイントです。 2番目は、2Dガントリー構成のための線形曲げジョイントを備えた統合された反転ジョイントです。 2Dバージョンでは、ガントリーレールxを想定しています₁およびx₂コプラナーです。

複合ジョイントデザイン。製造プロセスでのガントリーアプリケーションを検討してください。ガントリーは、4つのスライドで堅牢な溶接フレームをサポートする2つのベルト駆動型ステージを使用します。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。ベルトは各ステージの1つのスライドを駆動し、もう1つのスライドはアイドラーです。

エンドユーザーによって組み立てられたステージは、ステージのベアリングで早期障害を経験しました。この問題は、2つのガントリー線形ステージの4つのスライドに4つの線形スライドに取り付けられた4つの容易に利用可能な標準球体ジョイントを追加することにより修正されました。構成を以前に説明したガントリーに一致させるために、1つのスライドはロックプレートで「接地」されていました。再設計は問題を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ことの欠点は、高さの大幅な増加であり、Z段階の変化が必要になる場合があります。

統合されたジョイントデザイン。統合された不整合補償器は、2Dガントリー構成で使用できます。デザインには2つのプレートが含まれています。 1つのプレートにはガントリーxスライドに穴が取り付けられており、もう1つのプレートにはクロス軸Yステージのベースに穴が取り付けられています。中央にあるベアリングが2つのプレートを接続します。

さらに、1つのプレートには、Y方向に線形の自由度を提供する曲げが含まれています。すべてのジョイントに同じコンポーネントを使用するために、2つのボルトを使用して、曲げ線形の自由度を「接地」し、2つのプレート間の回転運動の自由のみを保持できます。屈曲は、疲労限界を下回る最大の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軸の周りの曲げモーメントに曲げを積み込むことを防ぐために、4つの保持ボルトがモーメント荷重を取り上げます。

この設計の利点には、統合されたコンポーネント、ロープロファイル、コンパクトサイズ、および既存のガントリーステージへのアセンブリの容易さが15分以内に含まれます。