経済的な位置ずれ補正技術により、ベアリングの過負荷やガントリーの早期故障を防止します

ガントリー調整ツール

位置決めシステムのメーカーがガントリー システムを構築する場合、通常は組み立てプロセス中に特別な位置合わせツールを使用して、力、精度、寿命の仕様を確実に満たしていることを確認します。

レーザー干渉計は、ミクロンおよび秒角オーダーの精度で機械を位置合わせするために頻繁に使用されます。たとえば、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、直角度を調整するのに役立ちます。

Hamar のアライメント レーザーなどの他のツールは、可動スライド上にセンサーを配置し、回転レーザー ビームを空間内の精密基準面として使用します。レールレベリングネジを調整したり、レールの下にシムを調整したりすると、レールまたはステージが希望の方向になります。レールを高精度にレベリングするには、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。

より低い精度のアライメント要件の場合は、電子レベラー、ダイヤルインジケータ、ストレートエッジ、平行ビームなどのさまざまな機械コンポーネントが使用されます。これらを使用して、技術者はダイヤルインジケータを使用してマスターレールを正確な取り付け面または直線エッジに合わせます。 1 つのレールが必要な精度まで締め付けられた後、ダイヤル インジケータまたはガイド 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付けられる間、スライドがガイドされます。

アライメント方法に関係なく、残留ミスアライメントがステージ レールに力を及ぼさないようにする必要があります。これにより、寿命が短くなったり致命的な故障が発生したりする可能性があります。

ガントリー システムはデカルト ロボットとも呼ばれ、自動搬送ラインにとって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、連続コンベアまたはインデックスコンベアが部品を 1 つのガントリー ステーションから別のガントリー ステーションに移送します。コンベア ラインに沿った各ガントリー ステーションは、部品に対してツールを操作して、機械加工、接着、組み立て、検査、印刷、梱包などの製造作業を実行します。ガントリーは一般に、自動搬送ライン上で製品を位置決めするために使用されます。

ダウンタイムを最小限に抑えるには、トランスファー ライン動作における各マシンの信頼性が非常に高くなければならないことは明らかです。1 台のマシンでダウンするとトランスファー ライン全体が停止し、コストが高くつく可能性があるためです。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、ストップ、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 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。

システムの信頼性を高めるには、動作中の負荷が定格値を超えないように各コンポーネントのサイズを決定する必要があります。コンポーネントのメーカーが推奨するように、各コンポーネントのサイズ設定は簡単なエンジニアリング作業である可能性がありますが、リニアレールの故障モードはやや複雑です。それらは、耐荷重能力、サイズ、精度に加えて、空間内での正確な方向にも依存します。

位置ずれの問題

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寄与するすべての要因の中で、ミスアライメントはリストの最上位にランクされます。

これは、次のようなレールの位置ずれの故障として分類されます。f湖畔：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ます。そして破損した部品：ボールがレールの溝から脱落し、レールが変形した。

レールの位置ずれの一般的な根本原因には、リニア レールの平面度、真直度、平行度、および共平面性の欠如が含まれます。これらの原因は、適切な組み立ておよび位置合わせ技術によって最小限に抑えるか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 レールの故障のその他の根本原因には、不十分な潤滑や異物の侵入が含まれますが、これらは適切なシールと定期的な潤滑によって軽減できます。これらは重要ですが、この記事の範囲外です。

アライメントの基本

ガントリー レールには通常、高い剛性を提供するために走行溝に事前に負荷された再循環ボール ベアリングが含まれています。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定義するため、重要なガントリー特性です。高い位置の帯域幅には、150 Hz 程度の高い固有周波数が必要です。高い動的精度には、40 Hz 程度の高い位置帯域幅が必要です。高い部品品質と高いスループットには、数ミクロンの位置誤差を伴う一定速度や数ミリ秒からサブミクロンのセトリングウィンドウまでの低いセトリング時間などの高い動的精度がそれぞれ必要です。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ける高加速とスムーズな動作の相反する影響下で必要とされます。

ガントリーの高い剛性 (100 N/µm 程度) を確保するために、ベアリングには予荷重がかけられます。ただし、垂直 (平面度) または水平 (真直度) の方向において、ガントリーの 2 つの側面間に数十ミクロンのオーダーのずれがあると、ベアリングの負荷が大幅に増加する可能性があります。その結果、ボールがベアリングの溝から落ちたり、レールの深いくぼみによって致命的な故障が発生する可能性があります。ベアリングの変形が小さくても、ベアリングの寿命が大幅に短くなる可能性があります。

長い移動距離 (1 ～ 3 メートル程度) にわたってリニア レールを数十ミクロンの精度で位置合わせするには、レーザー干渉計や特別な治具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 ユーザーやシステム インテグレータにとってはすぐに利用できない場合があります。これらのツールがないと、レールの位置ずれがシステムの信頼性の低下、高いメンテナンスコスト、ダウンタイム、システム寿命の短さの根本原因となる可能性があります。

幸いなことに、現場で実証済みのさまざまな位置ずれ補正オプションがあり、大規模な位置合わせツールを必要とせず、レールの位置ずれによる深刻な影響を軽減することで高い価値を提供します。これらの位置ずれ補正デバイスはガントリー フレームの一体部分となり、さまざまなガントリー レール取り付けや軸駆動構成におけるベアリングの過負荷を防ぐために必要な自由度を提供します。

位置ずれの運動学

ミスアライメント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 システムの一部としての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、添付の 3D ガントリー図には 4 つのサポートが示されています。ステージXのベース₁(接続されたリンク 10) および X₂(リンク 1) は、互いのピッチ、ヨー、ロール、および平面度と平行度が誇張してずれて表示されています。左の 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) を支持する球面ジョイント (j) を備えています。反対側電動右X₂ステージ (3) には、Y ステージを支持する 1 つの球面ジョイント (b) と 1 つのリニア スライド ジョイント (c) があります。他の X キャリッジ (7 と 6) はアイドラであり、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、自由度の合計を数え、拘束の合計数を差し引くと、結果は 1 自由度になります。これは、マスター X 軸のみが独立して移動でき、他のリンクはすべて追従することを意味します。この場合、別の独立したモーターでもう一方の X を駆動すると、レールに過大な負荷がかかる可能性があります。これは長い Y ステージにとって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。このような構成における一般的な修正により、1 つのアイドラ スライドに、たとえば球面ジョイント d とスライド ジョイント e の間で Z 方向の自由度を持たせることができます。

その結果、ジョイント b、j、および i での Y ステージのキネマティック マウントが作成され、ステージ 4 平面の 3D 方向を何の制約も受けずに対応します。ただし、コーナー 3 点のみでステージ 4 が支持されるのを防ぐために、ジョイント d とスライド e の間に Z 方向のコンプライアンスを追加して荷重の一部を受け止めるのが一般的です。場合によっては、リンク 4 の柔軟性で十分な場合があります。他の場合には、準拠した皿ワッシャーが使用される場合があります。

補償器の設計

統合型ミスアライメント補正装置は、2D ガントリー構成を対象としています。この設計には、Y 方向の線形自由度を提供するフレクシャを囲む 2 つのプレートが含まれています。

2 つのミスアライメント補償器の設計を見てみましょう。 1 つは、3D ガントリー構成用の、リニア スライダー ジョイントを備えた複合回転ジョイントです。 2 つ目は、2D ガントリー構成用の線形屈曲ジョイントを備えた統合回転ジョイントです。 2D バージョンでは、ガントリーのレールが X であると仮定します。₁そしてX₂は同一平面上にあります。

複合ジョイント設計。缶製造プロセスにおけるガントリーの用途を考えてみましょう。ガントリーは、4 つのスライド上の堅牢な溶接フレームをサポートする 2 つのベルト駆動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。

エンドユーザーが組み立てたステージは、ステージのベアリング部分で早期故障が発生しました。この問題は、4 つのリニア スライドに取り付けられた 4 つの容易に入手可能な標準球面ジョイントを 2 つのガントリー リニア ステージの 4 つのスライドに追加することによって修正されました。構成を前述のガントリーと一致させるために、1 つのスライドをロッキング プレートで「接地」しました。再設計により問題は完全に解決されました。

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場合があります。

一体型ジョイント設計。統合されたミスアライメント補償器は、2D ガントリ構成で使用できます。デザインにはプレートが2枚含まれています。一方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、もう一方のプレートには交差軸 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 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 方向の線形自由度を提供するフレクシャが含まれています。すべてのジョイントに同じコンポーネントを使用するには、2 つのボルトを使用して曲げの線形自由度を「固定」し、2 つのプレート間の動きの回転自由度のみを保持します。たわみは、疲労限界未満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でフレクシャに負荷がかかるのを防ぐために、4 つの保持ボルトがモーメント負荷を受け止めます。

この設計の利点には、統合されたコンポーネント、薄型、コンパクトなサイズ、および 15 分以内で既存のガントリー ステージに簡単に組み立てられることが含まれます。