Técnicas de compensação de desalinhamento econômico impedem a sobrecarga de rolamentos e falha prematura de pórtico

Ferramentas de alinhamento de pórtico

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

Os interferômetros a laser são frequentemente usados ​​para o alinhamento de máquinas com precisão na ordem de microns e segundos de arco. Por exemplo, um interferômetro a laser da Renishaw ajuda a alinhar a planicidade, a nitidez e a deserto dos trilhos de pórtico.

Outras ferramentas, como lasers de alinhamento de Hamar, usam vigas de laser rotativas como planos de referência de precisão no espaço com sensores colocados na lâmina em movimento. Ajustar os parafusos de nível de trilho, ou calçar sob os trilhos, traz o trilho ou o estágio para a orientação desejada. O nivelamento dos trilhos em alta precisão pode levar dias ou semanas, dependendo do nível de precisão, tamanho e configuração de uma máquina.

Para requisitos de alinhamento de baixa precisão, são utilizados vários componentes mecânicos, incluindo niveladores eletrônicos, indicadores de discagem, bordas retas e vigas paralelas. Com isso, os técnicos alinham o trilho mestre com um indicador de discagem contra uma superfície de montagem de precisão ou borda reta. Depois que um trilho é apertado até a precisão necessária, uma lâmina é guiada enquanto os parafusos do segundo trilho flutuante são apertados, usando um indicador de discagem ou uma lâmina orientadora.

Independentemente do método de alinhamento, ele deve garantir que o desalinhamento residual não exerça forças nos trilhos do palco, o que pode resultar em vida curta ou uma falha catastrófica.

Os 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, uma transportadora contínua ou de indexação transfere peças de uma estação de pórtico para outra. Cada estação de pórtico ao longo da linha do transportador manipula uma ferramenta em relação a uma peça para executar operações de fabricação, como usinagem, colagem, montagem, inspeção, impressão ou embalagem. Os Gotries são comumente usados ​​para posicionar produtos em linhas de transferência automatizadas.

Claramente, a confiabilidade de cada máquina em uma operação da linha de transferência deve ser extremamente alta para minimizar o tempo de inatividade, porque o tempo de inatividade em uma máquina pode levar toda a linha de transferência a uma parada dispendiosa. Além disso, os pãezinhos incluem muitos elementos críticos, como um controlador, amplificador, motor, acoplamento, atuador (como parafuso de bola, correia ou motor linear), trilhos, slide, base, paradas, codificadores e cabos. A confiabilidade de todo o sistema de pórtico é a soma estatística das confiabilidade de todos os componentes.

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

Problemas de desalinhamento

Quase todo fabricante de trilhos lineares concorda que o desalinhamento leva a problemas. De todos os fatores que contribuem para a falha prematura dos rolamentos lineares, o desalinhamento está perto do topo da lista.

São falhas de desalinhamento ferroviário classificado que incluem:fLaking: Remoção do material da superfície do trilho;vestir: Resultados de atrito excessivo;indentação: bolas deformam os trilhos; epeças danificadas: Rails deformados devido a bolas que caem nas ranhuras do trilho.

As causas gerais comuns de desalinhamento ferroviário incluem falta de nivelamento, rastreidade, paralelismo e coplanaridade dos trilhos lineares. Essas causas podem ser minimizadas ou eliminadas pelas técnicas adequadas de montagem e alinhamento, que, por sua vez, minimizam a sobrecarga do trilho. Outras causas radiculares de falha de trilho linear incluem lubrificação insuficiente e ingressão de partículas estranhas, que podem ser atenuadas, embora a vedação adequada e a lubrificação periódica. Embora importantes, eles estão além do escopo deste artigo.

Noções básicas de alinhamento

Os trilhos de pórtico normalmente incluem rolamentos de esferas de recirculação pré-carregados em suas ranhuras em execução para fornecer alta rigidez. Alta rigidez e baixa massa são características críticas de pórtico, porque definem a menor frequência natural do sistema. A alta frequência natural, da ordem de 150 Hz, é necessária para largura de banda de alta posição. A largura de banda de alta posição, da ordem de 40 Hz, é necessária para alta precisão dinâmica. A alta precisão dinâmica, como a velocidade constante com alguns erros de posição de mícrons ou tempo de liquidação baixo, da ordem de alguns milissegundos para uma janela de sedimentação submicron, são necessários para alta qualidade e alta taxa de transferência, respectivamente. Essas características de desempenho são normalmente exigidas sob efeitos conflitantes de alta aceleração e movimento suave em processos como inspeção de PCB, impressão a jato de tinta e rabiscos a laser.

Para garantir a alta rigidez do pórtico - uma ordem de 100 N/µm - as porções são pré -carregadas. No entanto, qualquer desalinhamento entre os dois lados de pórtico na ordem de 10s de microns, na orientação vertical (planicidade) ou horizontal (reta), pode aumentar drasticamente a carga do rolamento. Isso, por sua vez, pode levar a uma falha catastrófica devido a bolas caindo das ranhuras do rolamento ou recua profunda nos trilhos. Deformações menores de rolamento ainda podem reduzir substancialmente a vida útil do rolamento.

Para alinhar trilhos lineares com 10s de precisão de microns em comprimentos de viagem longos (na ordem de 1 a 3 metros) requer ferramentas caras, como um interferômetro a laser e equipamentos especiais. Essas ferramentas podem não estar prontamente disponíveis para o usuário típico do usuário ou do sistema. Sem essas ferramentas, o desalinhamento ferroviário pode ser a causa raiz de baixa confiabilidade do sistema, altos custos de manutenção, tempo de inatividade e vida útil curta do sistema.

Felizmente, existem várias opções de compensação de desalinhamento comprovadas por campo que podem não exigir extensas ferramentas de alinhamento, mas fornecem alto valor, reduzindo os efeitos potencialmente severos do desalinhamento ferroviário. Esses dispositivos de compensação de desalinhamento tornam-se partes integrantes da estrutura de pórtico e fornecem os graus de liberdade necessários para evitar sobrecarga de rolamentos em várias montagens de trilhos de pórtico e configurações de tração no eixo.

Cinemática do desalinhamento

Para entender como um compensador de desalinhamento funciona, é preciso entender as características cinemáticas do compensador como parte de seu sistema de pórtico. Como exemplo, o diagrama de pórtico 3D que acompanha mostra quatro suportes. As bases dos estágios x₁(link conectado 10) e x₂(Link 1) são mostrados exageradamente desalinhados em tom, guinada e rolagem em relação um ao outro, bem como em planicidade e paralelismo. Suponha o X esquerdo₁O transporte (9) é o mestre motorizado e possui uma articulação esférica (j) que suporta o estágio Y (4). A direita motorizada oposta x₂O estágio (3) possui uma articulação esférica (b) e uma junta linear de lâmina (c) que suportam o estágio Y. As outras carruagens X (7 e 6) são ociosas e também suportam o estágio Y por uma articulação esférica e uma lâmina linear.

Em seguida, 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 Mestre X pode se mover de forma independente e todos os outros links seguirão. Nesse caso, se outro motor independente acionar o outro X, pode resultar em uma carga excessiva nos trilhos. Esta é uma configuração indesejável para estágios longos e, portanto, os engenheiros devem fazer alterações corretivas para permitir que o segundo estágio X se mova independentemente do primeiro estágio X.

Adicionar outro grau de liberdade ao sistema, como o escravo X, significa adicionar outro grau de liberdade a uma das articulações. Uma correção comum em tais configurações permite que um slide ininterrupto tenha um grau de liberdade na direção z, por exemplo, entre as juntas esféricas d e a junta de slide e.

O resultado será uma montagem cinemática para o estágio Y nas juntas B, J e eu, acomodando a orientação 3D do plano do estágio 4 sem restrições. No entanto, para evitar o apoio do estágio 4 em apenas três pontos de canto, a prática comum é adicionar alguma conformidade na direção z entre a junta D e a slide E para pegar parte da carga. Em alguns casos, a flexibilidade do link 4 pode ser suficiente; Em outros casos, uma lavadora de Belleville compatível pode ser usada.

Designs do compensador

Os compensadores de desalinhamento integrado destinam -se a configurações de pórtico 2D. O design inclui duas placas em torno de uma flexão que fornece um grau linear de liberdade na direção y.

Vamos revisar dois designs de compensadores de desalinhamento. Um é uma junta de revolução composta com uma articulação 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 de pórtico x₁e x₂são coplanares.

Design de juntas compostas.Considere uma aplicação de pórtico em um processo de fabricação de lata. O pórtico usa dois estágios acionados pela correia que suportam uma estrutura de soldagem robusta em quatro slides. Um servomotor dirige cada estágio de pórtico em uma configuração de escravos mestre. Um cinto aciona um deslize de cada estágio e o outro slide é um idiota.

Os estágios, montados pelo usuário final, sofreram falha prematura no rolamento do palco. O problema foi corrigido adicionando quatro juntas esféricas padrão prontamente disponíveis montadas em quatro lâminas lineares aos quatro slides dos dois estágios lineares de pórtico. Para combinar com a configuração com o pórtico discutido anteriormente, um slide foi "aterrado" com uma placa de travamento. O redesenho resolveu completamente o problema.

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

Design de juntas integradas.Um compensador de desalinhamento integrado pode ser usado em configurações de pórtico 2D. O design inclui duas placas. Uma placa possui orifícios de montagem no slide x e a outra placa possui orifícios de montagem na base do estágio de eixo cruzado. Um rolamento no centro conecta as duas placas.

Além disso, uma placa inclui uma flexão que fornece um grau linear de liberdade na direção y. Para usar o mesmo componente para todas as articulações, dois parafusos podem ser usados ​​para "aterrar" o grau linear de liberdade flexível e reter apenas a liberdade de movimento rotacional entre as duas placas. A flexão foi projetada para operar na deflexão máxima abaixo do limite de fadiga.

Finalmente, para impedir, no caso das configurações de pórtico 2D, de carregar a flexão em um momento flexível sobre o eixo Y, quatro parafusos de retenção ocupam o momento das cargas.

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