Técnicas econômicas de compensação de desalinhamento evitam sobrecarga de rolamentos e falhas prematuras do pórtico

Ferramentas de alinhamento de pórtico

Quando os fabricantes de sistemas de posicionamento constroem um sistema de pórtico, eles normalmente usam ferramentas de alinhamento especiais durante o processo de montagem para garantir que atendam às especificações de força, precisão e vida útil.

Interferômetros a laser são frequentemente utilizados para alinhamento de máquinas com precisão da ordem de mícrons e segundos de arco. Por exemplo, um interferômetro a laser da Renishaw ajuda a alinhar trilhos de pórtico quanto à planicidade, retidão e esquadro.

Outras ferramentas, como os lasers de alinhamento da Hamar, utilizam feixes de laser rotativos como planos de referência de precisão no espaço, com sensores posicionados no carro móvel. Ajustar os parafusos de nivelamento dos trilhos ou aplicar calços sob os trilhos posiciona o trilho ou a mesa na orientação desejada. O nivelamento dos trilhos com alta precisão pode levar dias ou semanas, dependendo do nível de precisão, do tamanho e da configuração da máquina.

Para requisitos de alinhamento de menor precisão, são utilizados diversos componentes mecânicos, incluindo niveladores eletrônicos, relógios comparadores, réguas e vigas paralelas. Com eles, os técnicos alinham o trilho mestre com um relógio comparador contra uma superfície de montagem de precisão ou régua. Após um trilho ser apertado com a precisão necessária, uma corrediça é guiada enquanto os parafusos do segundo trilho flutuante são apertados, usando um relógio comparador ou uma corrediça guia.

Independentemente do método de alinhamento, é preciso garantir que o desalinhamento residual não exerça forças sobre os trilhos do palco, o que pode resultar em vida útil curta ou falha catastrófica.

Sistemas de pórtico, às vezes chamados de robôs cartesianos, são sistemas de posicionamento ideais para linhas de transferência automatizadas. Nesse tipo de processo de fabricação, um transportador contínuo ou indexador transfere peças de uma estação de pórtico para outra. Cada estação de pórtico ao longo da linha de transporte manipula uma ferramenta em relação a uma peça para realizar operações de fabricação, como usinagem, colagem, montagem, inspeção, impressão ou embalagem. Pórticos são comumente usados ​​para posicionar produtos em linhas de transferência automatizadas.

Claramente, a confiabilidade de cada máquina em uma operação de linha de transferência deve ser extremamente alta para minimizar o tempo de inatividade, pois a inatividade de uma máquina pode levar à parada de toda a linha de transferência, o que pode ser dispendioso. Além disso, os pórticos incluem muitos elementos críticos, como controlador, amplificador, motor, acoplamento, atuador (como fuso de esferas, correia ou motor linear), trilhos, corrediça, base, batentes, encoder e cabos. A confiabilidade de todo o sistema de pórtico é a soma estatística da confiabilidade de todos os componentes.

Para alta confiabilidade do sistema, cada componente deve ser dimensionado para garantir que sua carga durante a operação não exceda seus valores nominais. Embora o dimensionamento de cada componente possa ser uma tarefa de engenharia simples, conforme recomendado pelo fabricante do componente, os modos de falha em trilhos lineares são um pouco mais complexos. Eles dependem, além da capacidade de carga, do tamanho e da precisão, de sua orientação precisa no espaço.

Problemas de desalinhamento

Quase todos os fabricantes de trilhos lineares concordam que o desalinhamento causa problemas. De todos os fatores que contribuem para a falha prematura de rolamentos lineares, o desalinhamento está entre os principais.

São classificadas falhas de desalinhamento ferroviário que incluem:flaking: remoção de material da superfície do trilho;vestir: resultados de atrito excessivo;recuo: bolas deformam os trilhos; epeças danificadas: trilhos deformados devido à queda de esferas das ranhuras dos trilhos.

As causas comuns de desalinhamento de trilhos incluem falta de planicidade, retilinearidade, paralelismo e coplanaridade dos trilhos lineares. Essas causas podem ser minimizadas ou eliminadas por técnicas adequadas de montagem e alinhamento, que, por sua vez, minimizam a sobrecarga dos trilhos. Outras causas de falha de trilhos lineares incluem lubrificação insuficiente e entrada de partículas estranhas, que podem ser mitigadas com vedação adequada e lubrificação periódica. Embora importantes, elas estão além do escopo deste artigo.

Noções básicas de alinhamento

Trilhos de pórtico normalmente incluem rolamentos de esferas recirculantes que são pré-carregados em suas ranhuras de rolamento para fornecer alta rigidez. Alta rigidez e baixa massa móvel são características críticas do pórtico, pois definem a menor frequência natural do sistema. Uma alta frequência natural, da ordem de 150 Hz, é necessária para uma alta largura de banda de posição. Uma alta largura de banda de posição, da ordem de 40 Hz, é necessária para alta precisão dinâmica. Alta precisão dinâmica, como velocidade constante com erro de posição de alguns mícrons, ou baixo tempo de estabilização, da ordem de alguns milissegundos a uma janela de estabilização submicrométrica, são necessários para alta qualidade da peça e alto rendimento, respectivamente. Essas características de desempenho são normalmente necessárias sob efeitos conflitantes de alta aceleração e movimento suave em processos como inspeção de PCB, impressão a jato de tinta e gravação a laser.

Para garantir alta rigidez do pórtico — da ordem de 100 N/µm — os rolamentos são pré-carregados. No entanto, qualquer desalinhamento entre os dois lados do pórtico, da ordem de dezenas de mícrons, seja na orientação vertical (planicidade) ou horizontal (retilinidade), pode aumentar drasticamente a carga do rolamento. Isso, por sua vez, pode levar a falhas catastróficas devido à queda de esferas das ranhuras do rolamento ou a indentações profundas nos trilhos. Deformações menores do rolamento ainda podem reduzir substancialmente a vida útil do rolamento.

Alinhar trilhos lineares com precisão de dezenas de mícrons em percursos longos (da ordem de 1 a 3 metros) requer ferramentas caras, como um interferômetro a laser e dispositivos especiais. Essas ferramentas podem não estar prontamente disponíveis para o usuário final ou integrador de sistemas típico. Sem elas, o desalinhamento dos trilhos pode ser a causa raiz da baixa confiabilidade do sistema, altos custos de manutenção, tempo de inatividade e curta vida útil do sistema.

Felizmente, existem diversas opções de compensação de desalinhamento comprovadas em campo que podem não exigir ferramentas de alinhamento complexas, mas que oferecem alto valor ao reduzir os efeitos potencialmente severos do desalinhamento dos trilhos. Esses dispositivos de compensação de desalinhamento tornam-se partes integrantes da estrutura do pórtico e proporcionam os graus de liberdade necessários para evitar sobrecargas nos rolamentos em diversas montagens de trilhos do pórtico e configurações de acionamento por eixo.

Cinemática do desalinhamento

Para entender como funciona um compensador de desalinhamento, é necessário compreender as características cinemáticas do compensador como parte de seu sistema de pórtico. Como exemplo, o diagrama de pórtico 3D anexo mostra quatro suportes. As bases dos estágios X₁(link conectado 10) e X₂(link 1) são mostrados exageradamente desalinhados em inclinação, guinada e rotação em relação uns aos outros, bem como em planura e paralelismo. Suponha que o X esquerdo₁O carro (9) é o mestre motorizado e possui uma junta esférica (j) que suporta o estágio Y (4). O X direito motorizado oposto₂o estágio (3) tem uma junta esférica (b) e uma junta deslizante linear (c) que suportam o estágio Y. Os outros carros X (7 e 6) são roletes e também suportam o estágio Y por uma junta esférica e uma corrediça linear.

Contando o número total de graus de liberdade e subtraindo o número total de restrições, o resultado é 1 grau de liberdade. Isso significa que apenas o eixo X mestre pode se mover independentemente, e todos os outros elos o seguirão. Nesse caso, se outro motor independente acionar o outro X, poderá ocorrer uma carga excessiva nos trilhos. Essa é uma configuração indesejável para estágios Y longos e, portanto, os engenheiros devem fazer ajustes corretivos para permitir que o segundo estágio X se mova independentemente do primeiro estágio X.

Adicionar outro grau de liberdade ao sistema, como no caso do escravo X, significa adicionar outro grau de liberdade a uma das juntas. Uma correção comum nessas configurações permite que um cursor intermediário tenha um grau de liberdade na direção Z, por exemplo, entre as juntas esféricas d e a junta deslizante e.

O resultado será uma montagem cinemática para o estágio Y nas juntas b, j e i, acomodando a orientação tridimensional do plano do estágio 4 sem quaisquer restrições. No entanto, para evitar o suporte do estágio 4 em apenas três pontos de canto, a prática comum é adicionar alguma flexibilidade na direção Z entre a junta d e o deslizamento e para absorver parte da carga. Em alguns casos, a flexibilidade da ligação 4 pode ser suficiente; em outros casos, uma arruela Belleville flexível pode ser usada.

Projetos de compensadores

Compensadores de desalinhamento integrados são projetados para configurações de pórtico 2D. O projeto inclui duas placas circundando uma flexão que proporciona um grau de liberdade linear na direção Y.

Vamos analisar dois projetos de compensadores de desalinhamento. Um é uma junta de revolução composta com uma junta deslizante linear, para uma configuração de pórtico 3D. O segundo é uma junta de revolução integrada com uma junta de flexão linear para uma configuração de pórtico 2D. Na versão 2D, suponha que os trilhos do pórtico X₁e X₂são coplanares.

Projeto de juntas compostas.Considere uma aplicação de pórtico em um processo de fabricação de latas. O pórtico utiliza dois estágios acionados por correia que sustentam uma estrutura soldada robusta em quatro trilhos. Um servomotor aciona cada estágio do pórtico em uma configuração mestre-escravo. Uma correia aciona um trilho de cada estágio, e o outro trilho é uma polia intermediária.

Os estágios, montados pelo usuário final, apresentaram falha prematura no rolamento do estágio. O problema foi corrigido com a adição de quatro juntas esféricas padrão, prontamente disponíveis, montadas em quatro corrediças lineares às quatro corrediças dos dois estágios lineares do pórtico. Para adequar a configuração ao pórtico discutido anteriormente, uma corrediça foi "aterrada" com uma placa de travamento. O novo projeto resolveu completamente o problema.

A desvantagem de usar tal compensador, no entanto, é um aumento substancial na altura, o que pode exigir mudanças no estágio Z.

Projeto de juntas integradas.Um compensador de desalinhamento integrado pode ser usado em configurações de pórtico 2D. O projeto inclui duas placas. Uma placa possui furos de montagem no cursor X do pórtico e a outra placa possui furos de montagem na base do estágio Y do eixo transversal. Um mancal no centro conecta as duas placas.

Além disso, uma placa inclui uma flexão que proporciona um grau de liberdade linear na direção Y. Para usar o mesmo componente para todas as juntas, dois parafusos podem ser usados ​​para "aterrar" o grau de liberdade linear da flexão e manter apenas a liberdade de movimento rotacional entre as duas placas. A flexão é projetada para operar com deflexão máxima abaixo do limite de fadiga.

Por fim, para evitar, no caso de configurações de pórtico 2D, que a flexão seja carregada em um momento de flexão em torno do eixo Y, quatro parafusos de retenção absorvem as cargas de momento.

As vantagens deste design incluem componentes integrados, perfil baixo, tamanho compacto e facilidade de montagem em estágios de pórtico existentes em menos de 15 minutos.