경제적인 정렬 불량 보정 기술은 베어링 과부하 및 갠트리 조기 고장을 방지합니다.

갠트리 정렬 도구

위치 결정 시스템 제조업체는 갠트리 시스템을 제작할 때 일반적으로 조립 과정에서 특수 정렬 도구를 사용하여 힘, 정밀도 및 수명 사양을 충족하는지 확인합니다.

레이저 간섭계는 마이크론 및 초 단위의 정밀도로 기계를 정렬하는 데 자주 사용됩니다. 예를 들어, 레니쇼(Renishaw)의 레이저 간섭계는 갠트리 레일의 평탄도, 직진도 및 직각도를 정렬하는 데 도움을 줍니다.

하마르(Hamar)사의 정렬 레이저와 같은 다른 도구들은 회전하는 레이저 빔을 공간상의 정밀 기준면으로 사용하고, 센서는 움직이는 슬라이드에 배치됩니다. 레일 수평 조절 나사를 조정하거나 레일 아래에 쐐기를 끼워 넣어 레일이나 스테이지를 원하는 방향으로 맞춥니다. 레일의 수평을 매우 정밀하게 맞추는 데는 정확도 수준, 기계의 크기 및 구성에 따라 며칠에서 몇 주가 걸릴 수 있습니다.

정밀도가 낮은 정렬 요구 사항의 경우 전자식 수평계, 다이얼 게이지, 직선자, 평행 빔 등 다양한 기계 부품이 사용됩니다. 이러한 장치를 사용하여 기술자는 다이얼 게이지로 마스터 레일을 정밀 장착면이나 직선자에 맞춰 정렬합니다. 한쪽 레일을 필요한 정밀도로 조인 후, 슬라이드를 따라 이동시키면서 다이얼 게이지 또는 가이드 슬라이드를 사용하여 두 번째 플로팅 레일의 볼트를 조입니다.

정렬 방법에 관계없이, 잔류 정렬 불량이 무대 레일에 힘을 가하지 않도록 해야 하며, 이는 수명 단축이나 치명적인 고장을 초래할 수 있습니다.

갠트리 시스템은 카르테시안 로봇이라고도 불리며 자동화된 이송 라인에 이상적인 위치 지정 시스템입니다. 이러한 제조 공정에서 연속 컨베이어 또는 인덱싱 컨베이어는 부품을 한 갠트리 스테이션에서 다른 갠트리 스테이션으로 이송합니다. 컨베이어 라인을 따라 각 갠트리 스테이션은 부품에 대해 공구를 조작하여 가공, 접착, 조립, 검사, 인쇄 또는 포장과 같은 제조 작업을 수행합니다. 갠트리는 자동화된 이송 라인에서 제품 위치를 지정하는 데 일반적으로 사용됩니다.

이송 라인 운영에서 각 기계의 신뢰성은 가동 중지 시간을 최소화하기 위해 매우 높아야 합니다. 왜냐하면 한 기계의 가동 중지는 전체 이송 라인의 가동 중단으로 이어져 막대한 손실을 초래할 수 있기 때문입니다. 또한, 갠트리에는 컨트롤러, 증폭기, 모터, 커플링, 액추에이터(볼스크류, 벨트 또는 선형 모터 등), 레일, 슬라이드, 베이스, 스톱, 엔코더 및 케이블과 같은 여러 핵심 요소가 포함됩니다. 전체 갠트리 시스템의 신뢰성은 모든 구성 요소의 신뢰성을 통계적으로 합산한 값입니다.

시스템의 신뢰성을 높이려면 각 구성 요소의 크기를 설계할 때 작동 중 가해지는 하중이 정격값을 초과하지 않도록 해야 합니다. 각 구성 요소의 크기를 정하는 것은 구성 요소 제조업체의 권장 사항에 따라 비교적 간단한 엔지니어링 작업일 수 있지만, 선형 레일의 고장 유형은 다소 복잡합니다. 고장 유형은 하중 지지 용량, 크기 및 정밀도 외에도 공간에서의 정확한 방향에 따라 달라집니다.

정렬 불량 문제

거의 모든 리니어 레일 제조업체는 정렬 불량이 문제를 야기한다는 데 동의합니다. 리니어 베어링의 조기 고장을 유발하는 여러 요인 중에서도 정렬 불량은 가장 큰 원인 중 하나입니다.

분류상 레일 정렬 불량 고장에는 다음이 포함됩니다.f레이킹레일 표면에서 재료를 제거하는 작업;입다: 과도한 마찰의 결과;톱니 모양공이 레일을 변형시킵니다.손상된 부품레일 홈에서 공이 떨어져 나가면서 레일이 변형되었습니다.

레일 정렬 불량의 일반적인 원인으로는 레일의 평탄도, 직진도, 평행도 및 평면도 불량 등이 있습니다. 이러한 원인은 적절한 조립 및 정렬 기술을 통해 최소화하거나 제거할 수 있으며, 결과적으로 레일 과부하를 최소화할 수 있습니다. 레일 고장의 다른 근본 원인으로는 윤활 부족 및 이물질 유입이 있으며, 이는 적절한 밀봉 및 주기적인 윤활을 통해 완화할 수 있습니다. 이러한 사항들은 중요하지만 본 글의 범위를 벗어납니다.

정렬 기본 사항

갠트리 레일에는 일반적으로 높은 강성을 제공하기 위해 작동 홈에 미리 하중이 가해진 재순환 볼 베어링이 포함됩니다. 높은 강성과 낮은 이동 질량은 시스템의 최저 고유 진동수를 결정하기 때문에 갠트리의 중요한 특성입니다. 높은 위치 대역폭을 위해서는 약 150Hz 정도의 높은 고유 진동수가 필요합니다. 높은 동적 정확도를 위해서는 약 40Hz 정도의 높은 위치 대역폭이 필요합니다. 수 마이크론의 위치 오차 범위 내에서 일정한 속도를 유지하는 것과 같은 높은 동적 정확도 또는 수 밀리초에서 서브마이크론 수준의 정착 시간 단축과 같은 낮은 정착 시간은 각각 높은 부품 품질과 높은 처리량을 위해 요구됩니다. 이러한 성능 특성은 PCB 검사, 잉크젯 프린팅, 레이저 스크라이빙과 같은 공정에서 높은 가속도와 부드러운 움직임이라는 상반된 영향 속에서 요구되는 경우가 많습니다.

갠트리의 높은 강성(약 100 N/µm)을 확보하기 위해 베어링에 예압을 가합니다. 그러나 수직(평탄도) 또는 수평(직선도) 방향으로 갠트리 양쪽 면 사이에 수십 마이크론 정도의 정렬 불량이 발생하면 베어링 하중이 급격히 증가할 수 있습니다. 이는 베어링 홈에서 볼이 이탈하거나 레일에 깊은 흠집이 생기는 등 치명적인 고장으로 이어질 수 있습니다. 베어링의 작은 변형조차도 베어링 수명을 상당히 단축시킬 수 있습니다.

1~3미터에 달하는 긴 이동 거리에서 수십 마이크론의 정밀도로 선형 레일을 정렬하려면 레이저 간섭계 및 특수 고정 장치와 같은 고가의 장비가 필요합니다. 이러한 장비는 일반 최종 사용자나 시스템 통합업체가 쉽게 구할 수 있는 것이 아닙니다. 이러한 장비가 없으면 레일 정렬 불량이 시스템 신뢰성 저하, 높은 유지보수 비용, 가동 중단 시간 증가 및 시스템 수명 단축의 주요 원인이 될 수 있습니다.

다행히도, 복잡한 정렬 도구가 필요하지 않으면서도 레일 정렬 불량으로 인한 심각한 영향을 줄여주는 다양한 현장 검증된 정렬 불량 보정 옵션이 있습니다. 이러한 정렬 불량 보정 장치는 갠트리 프레임의 필수 구성 요소가 되어 다양한 갠트리 레일 장착 및 축 구동 구성에서 베어링 과부하를 방지하는 데 필요한 자유도를 제공합니다.

정렬 불량의 운동학

정렬 불량 보정기의 작동 방식을 이해하려면 보정기가 속한 갠트리 시스템의 운동학적 특성을 이해해야 합니다. 예를 들어, 첨부된 3D 갠트리 다이어그램에는 네 개의 지지대가 나와 있습니다. 스테이지 X의 베이스는 다음과 같습니다.₁(연결 링크 10) 및 X₂(링크 1)은 피치, 요, 롤 방향뿐 아니라 평탄도와 평행도 면에서도 서로에 대해 과장되게 어긋나 있는 것으로 나타납니다. 왼쪽 X를 가정합니다.₁캐리지(9)는 전동 마스터이며, Y 스테이지(4)를 지지하는 구형 조인트(j)를 가지고 있다. 반대쪽 전동 우측 X₂스테이지(3)에는 Y 스테이지를 지지하는 구형 조인트(b) 하나와 선형 슬라이드 조인트(c) 하나가 있습니다. 다른 X 캐리지(7 및 6)는 아이들러이며 구형 조인트와 선형 슬라이드를 통해 Y 스테이지를 지지합니다.

전체 자유도에서 전체 구속 조건 수를 빼면 자유도는 1이 됩니다. 이는 마스터 X축만 독립적으로 움직일 수 있고 나머지 링크는 모두 따라간다는 것을 의미합니다. 만약 다른 X축을 구동하는 독립적인 모터가 있다면 레일에 과도한 부하가 걸릴 수 있습니다. 이는 긴 Y축 구간에 바람직하지 않은 구성이므로, 엔지니어는 두 번째 X축 구간이 첫 번째 X축 구간과 독립적으로 움직일 수 있도록 수정해야 합니다.

X축 슬레이브와 같이 시스템에 자유도를 하나 더 추가한다는 것은 관절 중 하나에 자유도를 하나 더 추가하는 것을 의미합니다. 이러한 구성에서 흔히 사용되는 해결책은 구형 관절 d와 슬라이드 관절 e 사이에서 아이들러 슬라이드 하나에 Z 방향으로 자유도를 부여하는 것입니다.

결과적으로 조인트 b, j, i에서 Y 스테이지를 위한 운동학적 마운트가 생성되어 아무런 제약 없이 스테이지 4 평면의 3D 방향을 수용할 수 있게 됩니다. 그러나 스테이지 4가 세 모서리 지점에서만 지지되는 것을 방지하기 위해 일반적으로 조인트 d와 슬라이드 e 사이의 Z 방향으로 약간의 유연성을 추가하여 하중을 분산시킵니다. 어떤 경우에는 링크 4의 유연성만으로도 충분할 수 있지만, 다른 경우에는 유연한 벨빌 와셔를 사용할 수 있습니다.

보상기 설계

통합형 정렬 오차 보정기는 2D 갠트리 구성에 사용하도록 설계되었습니다. 이 설계는 Y 방향으로 선형 자유도를 제공하는 플렉셔를 둘러싼 두 개의 플레이트로 구성됩니다.

두 가지 정렬 불량 보정기 설계를 살펴보겠습니다. 하나는 3D 갠트리 구성에 사용되는 선형 슬라이더 조인트가 결합된 복합 회전 조인트이고, 다른 하나는 2D 갠트리 구성에 사용되는 선형 플렉셔 조인트가 통합된 회전 조인트입니다. 2D 버전에서는 갠트리 레일 X가 다음과 같다고 가정합니다.₁그리고 X₂동일 평면상에 있다.

복합 접합부 설계.캔 제조 공정에서 갠트리 시스템을 사용하는 경우를 생각해 보겠습니다. 이 갠트리 시스템은 벨트로 구동되는 두 개의 스테이지로 구성되어 있으며, 이 스테이지들은 네 개의 슬라이드 위에 견고한 용접 프레임을 지지합니다. 각 갠트리 스테이지는 마스터-슬레이브 구성으로 서보 모터에 의해 구동됩니다. 벨트는 각 스테이지의 슬라이드 하나를 구동하고, 다른 하나는 아이들러 슬라이드입니다.

최종 사용자가 조립한 스테이지에서 베어링 부분의 조기 고장이 발생했습니다. 이 문제는 두 개의 갠트리 선형 스테이지의 네 슬라이드에 각각 쉽게 구할 수 있는 표준 구형 조인트 네 개를 장착하여 해결했습니다. 앞서 설명한 갠트리 구조와 일치시키기 위해 슬라이드 하나를 잠금판으로 고정했습니다. 이러한 재설계를 통해 문제는 완전히 해결되었습니다.

하지만 이러한 보정 장치를 사용하는 단점은 높이가 상당히 증가하여 Z축 스테이지를 변경해야 할 수도 있다는 점입니다.

일체형 접합 설계.2D 갠트리 구성에는 통합형 정렬 오차 보정기가 사용될 수 있습니다. 이 설계는 두 개의 플레이트로 구성됩니다. 한 플레이트에는 갠트리 X 슬라이드에 고정되는 장착 구멍이 있고, 다른 플레이트에는 크로스 축 Y 스테이지의 베이스에 고정되는 장착 구멍이 있습니다. 중앙의 베어링이 두 플레이트를 연결합니다.

또한, 한쪽 플레이트에는 Y 방향으로 선형 자유도를 제공하는 플렉셔가 포함되어 있습니다. 모든 연결부에 동일한 부품을 사용하기 위해 두 개의 볼트를 사용하여 플렉셔의 선형 자유도를 고정하고 두 플레이트 사이의 회전 운동 자유도만 유지할 수 있습니다. 이 플렉셔는 피로 한계 미만의 최대 변형률에서 작동하도록 설계되었습니다.

마지막으로, 2D 갠트리 구성의 경우 Y축을 중심으로 한 굽힘 모멘트로 인해 플렉셔에 하중이 가해지는 것을 방지하기 위해 4개의 고정 볼트가 모멘트 하중을 흡수합니다.

이 설계의 장점으로는 통합 부품, 낮은 프로파일, 컴팩트한 크기, 그리고 15분 이내에 기존 갠트리 스테이지에 쉽게 조립할 수 있다는 점 등이 있습니다.