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やガントリーの早期故障を防ぐことができます。

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製造する際、通常は組み立て工程で特殊な位置合わせツールを使用して、力、精度、および寿命に関する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、機械のアライメントをミクロン単位、秒角単位の精度で行うために頻繁に使用されます。例えば、レニショー社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。

ハマー社製のアライメントレーザーなどの他のツールでは、回転するレーザービームを空間内の高精度な基準面として使用し、可動スライド上にセンサーを配置します。レール水平調整ネジを調整したり、レールの下にシムを挟んだりすることで、レールまたはステージを目的の向きに合わせます。レールを高精度に水平にするには、機械の精度レベル、サイズ、構成によっては、数日から数週間かかる場合があります。

精度がそれほど高くない位置合わせには、電子レベラー、ダイヤルゲージ、定規、平行ビームなど、さまざまな機械部品が使用されます。これらの部品を用いて、技術者はダイヤルゲージでマスターレールを精密な取り付け面または定規に合わせます。一方のレールを所定の精度で締め付けた後、ダイヤルゲージまたはガイドスライドを使用して、もう一方のフローティングレールのボルトを締め付けながら、スライドをガイドします。

位置合わせの方法に関わらず、残留する位置ずれがステージレールに力を及ぼさないようにしなければならない。力が加わると、寿命が短くなったり、壊滅的な故障につながる可能性があるからだ。

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、連続コンベアまたはインデックス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、組み立て、検査、印刷、包装などの製造作業を実行します。ガントリーは、自動搬送ライン上で製品を位置決めするためによく使用されます。

搬送ラインの運転において、各機械の信頼性は極めて高くなければ、ダウンタイムを最小限に抑えることはできません。なぜなら、1台の機械がダウンすると、搬送ライン全体が停止し、多大なコストがかかる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、アンプ、モータ、カップリング、アクチュエータ（ボールねじ、ベルト、リニアモータなど）、レール、スライド、ベース、ストッパー、エンコーダ、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、これらの構成要素すべての信頼性を統計的に合計したものです。

システムの信頼性を高めるためには、各コンポーネントの定格荷重が運転中にその定格値を超えないように、適切なサイズを選定する必要があります。コンポーネントメーカーの推奨に従って各コンポーネントのサイズを選定することは、比較的容易な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、耐荷重能力、サイズ、精度に加えて、空間における正確な向きにも左右されます。

位置ずれの問題

ほぼすべてのリニアレールメーカーが、芯ずれが問題を引き起こすことに同意している。リニアベアリングの早期故障の原因となる要因の中で、芯ずれは上位にランクインする。

レール位置ずれによる故障には、以下のようなものが含まれます。f湖レール表面からの材料の除去。着る：過度の摩擦の結果。へこみ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落下したことにより、レールが変形した。

レールのずれの一般的な根本原因としては、直線レールの平面度、直線性、平行度、および同一平面性の欠如が挙げられます。これらの原因は、適切な組み立てとアライメント技術によって最小限に抑えるか、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。直線レールの故障のそ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、本稿の範囲外です。

アライメントの基本

ガントリーレールには通常、高剛性を実現するために、走行溝に予め荷重がかけられた循環式ボールベアリングが組み込まれています。高剛性と低可動質量は、システムの最低固有振動数を決定するため、ガントリーにとって重要な特性です。150 Hz 程度の高固有振動数は、高い位置帯域幅に必要です。40 Hz 程度の高位置帯域幅は、高い動的精度に必要です。数ミクロンの位置誤差で一定速度を維持するなど高い動的精度、あるいは数ミリ秒からサブミクロンの整定時間といった短い整定時間は、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、プリント基板検査、インクジェット印刷、レーザー加工などのプロセスにおいて、高加速度と滑らかな動作という相反する影響の下で一般的に求められます。

ガントリーの剛性を100 N/µm程度まで高めるため、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が垂直方向（平面度）または水平方向（真直度）のいずれにおいても数十ミクロン程度のずれが生じると、ベアリングへの負荷が劇的に増加する可能性があります。その結果、ベアリングの溝からボールが脱落したり、レールに深い凹みが生じたりして、重大な故障につながる恐れがあります。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場合があります。

1～3メートル程度の長い移動距離にわたって、数十ミクロンの精度でリニアレールを位置合わせするには、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ものではありません。これらのツールがない場合、レールの位置ずれは、システムの信頼性低下、高額なメンテナンスコスト、ダウンタイム、そしてシステム寿命の短縮の根本原因となる可能性があります。

幸いなことに、現場で実績のある様々な位置ずれ補正オプションがあり、大掛かり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装置はガントリーフレームに不可欠な部品となり、様々なガントリーレール取り付け部や軸駆動構成において、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。

ミスアライメントの運動学

ミスアライメント補正器の動作原理を理解するには、ガントリーシステムの一部として補正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つの支持部が示されています。ステージXの基部₁（接続リンク１０）およびX₂（リンク1）は、ピッチ、ヨー、ロール方向、平面度、平行度において互いに著しくずれているように示されています。左側の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）を備えている。反対側の電動右Xステージは₂ステージ（3）は、Yステージを支持する球面ジョイント（b）と直線スライドジョイント（c）をそれぞれ1つずつ備えている。他のXキャリッジ（7および6）はアイドラであり、球面ジョイントと直線スライドによってYステージを支持する。

次に、自由度の総数を数え、拘束条件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軸のみが独立して動作し、他のすべてのリンクはそれに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がもう一方のX軸を駆動すると、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動作するように修正する必要があります。

Xスレーブなどのシステムに自由度を追加するということは、ジョイントの1つに自由度を追加することを意味します。このような構成でよく用いられる解決策は、例えば球面ジョイントdとスライドジョイントeの間で、アイドラスライドの1つがZ方向に自由度を持つようにすることです。

その結果、ジョイントb、j、iにおいてYステージの運動学的マウントが形成され、ステージ4平面の3次元方向を制約なく収容できます。ただし、ステージ4が3つの角点のみで支持されるのを防ぐため、ジョイントdとスライドeの間にZ方向の柔軟性を持たせて荷重の一部を負担させるのが一般的です。場合によってはリンク4の柔軟性で十分なこともありますが、そうでない場合は、柔軟性のあるベルビルワッシャーを使用することもできます。

補償器の設計

一体型ミスアライメント補正器は、2次元ガントリー構成向けに設計されています。この設計は、Y方向の直線的な自由度を提供するフレキシブル部材を囲む2枚のプレートで構成されています。

2つのミスアライメント補正器の設計を検討してみましょう。1つ目は、3Dガントリー構成用の、直線スライダ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、直線フレキシブルジョイントを備えた一体型回転ジョイントです。2Dバージョンでは、ガントリーレールXが₁そしてX₂同一平面上にある。

複合接合設計。缶製造工程におけるガントリーの応用例を考えてみましょう。このガントリーは、4つのスライド上に頑丈な溶接フレームを支える2つのベルト駆動ステージで構成されています。各ガントリーステージは、マスタースレーブ構成でサーボモーターによって駆動されます。ベルトは各ステージの一方のスライドを駆動し、もう一方のスライドはアイドラーとして機能します。

エンドユーザーが組み立てたステージにおいて、ステージのベアリング部分に早期故障が発生した。この問題は、2つのガントリーリニアステージの4つのスライドに、入手しやすい標準的な球面ジョイントを4つ取り付け、さらに4つのリニアスライドを追加することで解決した。構成を前述のガントリーに合わせるため、1つのスライドをロックプレートで固定した。この設計変更により、問題は完全に解決した。

しかし、このような補償器を使用する際の欠点は、高さが大幅に増加するため、Z軸段の変更が必要になる場合があることである。

一体型ジョイント設計。2Dガントリー構成では、一体型ミスアライメント補正器を使用することができます。この設計は2枚のプレートで構成されています。一方のプレートにはガントリーのX軸スライドに取り付けるための穴があり、もう一方のプレートにはクロス軸Yステージのベースに取り付けるための穴があります。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、一方のプレートには、Y方向の直線運動を可能にするフレキシブル部材が設けられています。すべての接合部に同じ部材を使用する場合、2本のボルトを用いてフレキシブル部材の直線運動を固定し、2枚のプレート間の回転運動のみを可能にすることができます。フレキシブル部材は、疲労限度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、フレキシブル部材にY軸周りの曲げモーメントがかかるのを防ぐため、4本の保持ボルトがモーメント荷重を受け止めます。

この設計の利点としては、コンポーネントが一体化されていること、薄型であること、コンパクトなサイズであること、そして既存のガントリーステージに15分以内に簡単に組み立てられることが挙げられます。