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

갠트리 정렬 도구

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

레이저 간섭계는 미크론 및 초각 단위의 정밀도로 기계를 정렬하는 데 자주 사용됩니다. 예를 들어, Renishaw의 레이저 간섭계는 갠트리 레일의 평탄도, 직진도, 직각도를 정렬하는 데 사용됩니다.

하마르(Hamar)의 정렬 레이저와 같은 다른 도구들은 회전하는 레이저 빔을 공간의 정밀 기준면으로 사용하고, 이동 슬라이드에 센서를 배치합니다. 레일 레벨링 나사를 조정하거나 레일 아래에 심을 끼우면 레일이나 스테이지가 원하는 방향으로 정렬됩니다. 레일을 고정밀로 레벨링하는 데는 장비의 정확도, 크기 및 구성에 따라 며칠에서 몇 주가 걸릴 수 있습니다.

정확도가 낮은 정렬 요구 사항에는 전자 레벨러, 다이얼 인디케이터, 직선 에지, 평행 빔 등 다양한 기계 부품이 사용됩니다. 이러한 부품을 사용하여 기술자는 마스터 레일을 다이얼 인디케이터와 정밀 장착 표면 또는 직선 에지에 맞춰 정렬합니다. 한 레일을 필요한 정밀도로 조인 후, 다이얼 인디케이터 또는 가이드 슬라이드를 사용하여 두 번째 플로팅 레일의 볼트를 조이는 동안 슬라이드가 가이드를 따라 이동합니다.

정렬 방법에 관계없이, 잔류 정렬 불량이 스테이지 레일에 힘을 가하지 않도록 해야 하며, 그렇지 않을 경우 수명이 짧아지거나 치명적인 고장이 발생할 수 있습니다.

갠트리 시스템(때로는 직교 로봇이라고도 함)은 자동 이송 라인에 이상적인 위치 지정 시스템입니다. 이러한 제조 공정에서는 연속 또는 인덱싱 컨베이어가 한 갠트리 스테이션에서 다른 갠트리 스테이션으로 부품을 이송합니다. 컨베이어 라인을 따라 있는 각 갠트리 스테이션은 부품에 대해 공구를 조작하여 가공, 접착, 조립, 검사, 인쇄 또는 포장과 같은 제조 작업을 수행합니다. 갠트리는 일반적으로 자동 이송 라인에서 제품의 위치를 ​​지정하는 데 사용됩니다.

분명히, 이송 라인 작업에서 각 기계의 신뢰성은 가동 중단 시간을 최소화하기 위해 매우 높아야 합니다. 한 기계의 가동 중단은 전체 이송 라인의 손실을 초래할 수 있기 때문입니다. 또한, 갠트리에는 컨트롤러, 증폭기, 모터, 커플링, 액추에이터(볼스크류, 벨트 또는 리니어 모터 등), 레일, 슬라이드, 베이스, 스톱, 인코더, 케이블 등 여러 핵심 요소가 포함됩니다. 전체 갠트리 시스템의 신뢰성은 모든 구성 요소의 신뢰성을 통계적으로 합한 값입니다.

높은 시스템 신뢰성을 위해서는 각 부품의 크기가 작동 중 부하가 정격값을 초과하지 않도록 조정되어야 합니다. 각 부품의 크기 조정은 부품 제조업체의 권장 사항에 따라 간단한 엔지니어링 작업일 수 있지만, 선형 레일의 고장 모드는 훨씬 더 복잡합니다. 이러한 고장 모드는 하중 지지력, 크기, 정밀도 외에도 공간 내 정확한 방향에 따라 달라집니다.

정렬 불량 문제

거의 모든 리니어 레일 제조업체는 정렬 불량이 문제를 야기한다는 데 동의합니다. 리니어 베어링의 조기 고장을 유발하는 모든 요인 중에서 정렬 불량은 가장 큰 비중을 차지합니다.

레일 정렬 불량으로 인한 고장은 다음과 같습니다.f호수: 레일 표면에서 재료 제거입다: 과도한 마찰의 결과;톱니 모양: 볼은 레일을 변형시킵니다.손상된 부품: 레일 홈에서 볼이 떨어져서 레일이 변형됩니다.

레일 정렬 불량의 일반적인 근본 원인으로는 선형 레일의 평탄도, 직진도, 평행도, 동일 평면성 부족 등이 있습니다. 이러한 원인은 적절한 조립 및 정렬 기술을 통해 최소화하거나 제거할 수 있으며, 이를 통해 레일 과부하를 최소화할 수 있습니다. 선형 레일 고장의 다른 근본 원인으로는 윤활 부족과 이물질 유입이 있으며, 이는 적절한 밀봉 및 주기적인 윤활을 통해 완화할 수 있습니다. 이러한 요인들은 중요하지만 본 기사의 범위를 벗어납니다.

정렬 기본 사항

갠트리 레일은 일반적으로 높은 강성을 제공하기 위해 구동 홈에 예압된 재순환 볼 베어링을 포함합니다. 높은 강성과 낮은 이동 질량은 가장 낮은 시스템 고유 진동수를 정의하기 때문에 갠트리 레일의 중요한 특성입니다. 높은 위치 대역폭을 위해서는 150Hz 정도의 높은 고유 진동수가 필요합니다. 높은 동적 정확도를 위해서는 40Hz 정도의 높은 위치 대역폭이 필요합니다. 높은 동적 정확도(예: 수 미크론의 위치 오차를 갖는 등속도) 또는 수 밀리초에서 서브미크론의 정착 시간(정착 시간)과 같은 높은 동적 정확도는 각각 높은 부품 품질과 높은 처리량을 위해 필요합니다. 이러한 성능 특성은 일반적으로 PCB 검사, 잉크젯 인쇄, 레이저 스크라이빙과 같은 공정에서 높은 가속도와 부드러운 동작이라는 상충되는 효과 하에서 요구됩니다.

100 N/µm 수준의 높은 갠트리 강성을 보장하기 위해 베어링에는 예압이 가해집니다. 그러나 두 갠트리 면 사이에 수직(평탄도) 또는 수평(직진도) 방향으로 수십 마이크론 수준의 정렬 오차가 발생하면 베어링 하중이 크게 증가할 수 있습니다. 이는 베어링 홈에서 볼이 빠지거나 레일에 깊은 홈이 생기는 등 심각한 고장으로 이어질 수 있습니다. 베어링 변형이 작더라도 베어링 수명이 크게 단축될 수 있습니다.

1~3m 정도의 긴 이동 거리에 걸쳐 수십 마이크론 단위의 정밀도로 선형 레일을 정렬하려면 레이저 간섭계 및 특수 고정 장치와 같은 고가의 장비가 필요합니다. 이러한 장비는 일반 사용자나 시스템 통합업체가 쉽게 구할 수 없을 수 있습니다. 이러한 장비가 없으면 레일 정렬 불량이 시스템 신뢰성 저하, 높은 유지보수 비용, 가동 중단 시간, 그리고 시스템 수명 단축의 근본 원인이 될 수 있습니다.

다행히 현장에서 검증된 다양한 정렬 불량 보정 옵션이 있습니다. 이러한 옵션은 광범위한 정렬 도구가 필요하지 않으면서도 레일 정렬 불량의 잠재적인 악영향을 줄여 높은 가치를 제공합니다. 이러한 정렬 불량 보정 장치는 갠트리 프레임의 필수 부품이 되어 다양한 갠트리 레일 마운팅 및 축 구동 구성에서 베어링 과부하를 방지하는 데 필요한 자유도를 제공합니다.

정렬 불량의 운동학

오정렬 보상기의 작동 방식을 이해하려면 갠트리 시스템의 일부로서 보상기의 운동학적 특성을 이해해야 합니다. 예를 들어, 첨부된 3D 갠트리 다이어그램은 네 개의 지지대를 보여줍니다. 스테이지 X의 베이스₁(연결된 링크 10) 및 X₂(링크 1)은 피치, 요, 롤이 서로에 대해 과장되게 정렬되지 않은 상태로 표시되어 있으며, 평탄도와 평행도도 마찬가지입니다. 왼쪽 X를 가정합니다.₁캐리지(9)는 모터화된 마스터이며, Y 스테이지(4)를 지지하는 구형 조인트(j)를 가지고 있습니다. 반대편 모터화된 오른쪽 X₂스테이지(3)에는 Y 스테이지를 지지하는 구면 조인트(b) 하나와 선형 슬라이드 조인트(c) 하나가 있습니다. 나머지 X 캐리지(7과 6)는 아이들러이며, 구면 조인트와 선형 슬라이드로 Y 스테이지를 지지합니다.

그런 다음 총 자유도를 세고 총 구속조건 수를 빼면 자유도는 1입니다. 이는 마스터 X축만 독립적으로 움직일 수 있고 다른 모든 링크는 그에 따라 움직인다는 것을 의미합니다. 이 경우, 또 다른 독립 모터가 다른 X축을 구동하면 레일에 과도한 부하가 발생할 수 있습니다. 이는 긴 Y 스테이지에 바람직하지 않은 구성이므로 엔지니어는 두 번째 X 스테이지가 첫 번째 X 스테이지와 독립적으로 움직일 수 있도록 수정해야 합니다.

X 슬레이브와 같이 시스템에 자유도를 추가한다는 것은 관절 중 하나에 자유도를 추가한다는 것을 의미합니다. 이러한 구성에서 일반적인 해결책은 아이들러 슬라이드 하나가 Z 방향으로 자유도를 갖도록 하는 것입니다. 예를 들어, 구형 관절 d와 슬라이드 관절 e 사이입니다.

결과적으로, 관절 b, j, i에 Y 스테이지를 위한 운동학적 마운트가 형성되어, 스테이지 4 평면의 3D 방향을 제약 없이 수용할 수 있습니다. 그러나 스테이지 4가 세 개의 모서리 지점에서만 지지되는 것을 방지하기 위해, 관절 d와 슬라이드 e 사이에 Z 방향으로 약간의 유연성을 추가하여 하중의 일부를 감당하는 것이 일반적인 관행입니다. 경우에 따라 링크 4의 유연성만으로도 충분할 수 있으며, 다른 경우에는 유연성이 있는 Belleville 와셔를 사용할 수 있습니다.

보상기 설계

통합 오정렬 보정 장치는 2D 갠트리 구성에 적합합니다. 이 설계에는 Y 방향으로 선형 자유도를 제공하는 플렉셔를 둘러싼 두 개의 플레이트가 포함됩니다.

두 가지 정렬 불량 보상기 설계를 살펴보겠습니다. 하나는 3D 갠트리 구성을 위한 선형 슬라이더 조인트가 있는 복합 회전 조인트입니다. 두 번째는 2D 갠트리 구성을 위한 선형 플렉셔 조인트가 있는 통합 회전 조인트입니다. 2D 버전에서는 갠트리 레일 X가₁그리고 X₂동일 평면상에 있습니다.

복합 조인트 디자인.캔 제조 공정에서 갠트리 애플리케이션을 생각해 보겠습니다. 갠트리는 네 개의 슬라이드 위에 견고한 용접 프레임을 지지하는 두 개의 벨트 구동 스테이지를 사용합니다. 서보모터는 각 갠트리 스테이지를 마스터-슬레이브 구성으로 구동합니다. 벨트는 각 스테이지의 한 슬라이드를 구동하고, 다른 슬라이드는 아이들러입니다.

최종 사용자가 조립한 스테이지에서 스테이지 베어링에 조기 고장이 발생했습니다. 이 문제는 두 개의 갠트리 선형 스테이지의 네 슬라이드에 네 개의 선형 슬라이드에 장착된, 쉽게 구할 수 있는 표준 구형 조인트 네 개를 추가하여 해결했습니다. 앞서 논의된 갠트리 구성과 일치시키기 위해, 한 슬라이드는 잠금 플레이트로 "접지"되었습니다. 재설계를 통해 문제가 완전히 해결되었습니다.

그러나 이러한 보상기를 사용하는 데에는 단점이 있는데, 높이가 상당히 증가하므로 Z 단계를 변경해야 할 수도 있다는 것입니다.

통합 조인트 디자인.2D 갠트리 구성에서는 통합 오정렬 보정 장치를 사용할 수 있습니다. 이 설계에는 두 개의 플레이트가 포함됩니다. 한 플레이트에는 갠트리 X 슬라이드에 장착되는 장착 구멍이 있고, 다른 플레이트에는 교차축 Y 스테이지 바닥에 장착되는 장착 구멍이 있습니다. 중앙의 베어링이 두 플레이트를 연결합니다.

또한, 한 판에는 Y 방향으로 선형 자유도를 제공하는 플렉셔가 포함되어 있습니다. 모든 접합부에 동일한 부품을 사용하려면 두 개의 볼트를 사용하여 플렉셔의 선형 자유도를 "접지"하고 두 판 사이의 회전 운동 자유도만 유지할 수 있습니다. 플렉셔는 피로 한계 이하의 최대 처짐에서 작동하도록 설계되었습니다.

마지막으로, 2D 거트리 구성의 경우 Y축을 중심으로 굽힘 모멘트로 굽힘 하중이 가해지는 것을 방지하기 위해 4개의 고정 볼트가 모멘트 하중을 담당합니다.

이 설계의 장점으로는 통합 구성 요소, 낮은 프로필, 소형 크기, 기존 갠트리 단계에 15분 이내에 쉽게 조립할 수 있다는 점이 있습니다.