Técnicas econômicas de compensação de desalinhamento evitam sobrecarga do rolamento e falha prematura do pórtico

Ferramentas de alinhamento de pórtico

Quando os fabricantes de sistemas 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 útil.

Interferômetros a laser são freqüentemente usados ​​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 a planicidade, retilineidade e esquadria dos trilhos do pórtico.

Outras ferramentas, como os lasers de alinhamento da Hamar, usam feixes de laser rotativos como planos de referência de precisão no espaço com sensores colocados no slide em movimento. Ajustar os parafusos de nivelamento do trilho ou calçar sob os trilhos coloca o trilho ou a platina na orientação desejada. O nivelamento de trilhos com alta precisão pode levar dias ou semanas, dependendo do nível de precisão, tamanho e configuração da máquina.

Para requisitos de alinhamento de menor precisão, vários componentes mecânicos são usados, incluindo niveladores eletrônicos, relógios comparadores, bordas retas e feixes paralelos. Com eles, os técnicos alinham o trilho mestre com um relógio comparador contra uma superfície de montagem de precisão ou borda reta. Depois que um trilho é 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, deve-se garantir que o desalinhamento residual não exercerá forças sobre os trilhos do palco, o que pode resultar em vida útil curta ou falha catastrófica.

Os sistemas de pórtico, às vezes chamados de robôs cartesianos, são sistemas de posicionamento ideais para linhas de transferência automatizadas. Neste tipo de processo de fabricação, um transportador contínuo ou indexado transfere peças de uma estação de pórtico para outra. Cada estação de pórtico ao longo da linha transportadora manipula uma ferramenta em relação a uma peça para realizar operações de fabricação, como usinagem, colagem, montagem, inspeção, impressão ou embalagem. Os 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, porque o tempo de inatividade em uma máquina pode levar a uma parada dispendiosa de toda a linha de transferência. Além disso, os pórticos incluem muitos elementos críticos, como controlador, amplificador, motor, acoplamento, atuador (como parafuso esférico, correia ou motor linear), trilhos, corrediça, base, batentes, codificador e cabos. A confiabilidade de todo o sistema do 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 simples de engenharia, conforme recomendado pelo fabricante do componente, os modos de falha do trilho linear são um pouco mais complexos. Eles dependem, além da capacidade de carga, tamanho e 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 dos rolamentos lineares, o desalinhamento está no topo da lista.

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

As causas comuns do desalinhamento dos trilhos incluem falta de planicidade, retilineidade, paralelismo e coplanaridade dos trilhos lineares. Estas causas poderiam ser minimizadas ou eliminadas por técnicas adequadas de montagem e alinhamento, que, por sua vez, minimizam a sobrecarga dos trilhos. Outras causas básicas da falha do trilho linear incluem lubrificação insuficiente e entrada de partículas estranhas, que podem ser mitigadas por meio de vedação adequada e lubrificação periódica. Embora importantes, eles estão além do escopo deste artigo.

Noções básicas de alinhamento

Os trilhos do pórtico normalmente incluem rolamentos de esferas recirculantes que são pré-carregados em suas ranhuras para fornecer alta rigidez. Alta rigidez e baixa massa móvel são características críticas do pórtico, pois definem a frequência natural mais baixa do sistema. Alta frequência natural, da ordem de 150 Hz, é necessária para largura de banda de posição alta. 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 para uma janela de estabilização submicrométrica, são necessários para alta qualidade da peça e alto rendimento, 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 gravação a laser.

Para garantir alta rigidez do pórtico – na ordem de 100 N/µm – os rolamentos são pré-carregados. No entanto, qualquer desalinhamento entre os dois lados do pórtico na ordem de 10 mícrons, seja na orientação vertical (planicidade) ou horizontal (linearidade), 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 reentrâncias profundas nos trilhos. Deformações menores do rolamento ainda podem reduzir substancialmente a vida útil do rolamento.

Para alinhar trilhos lineares com precisão de 10s de mícrons em longos percursos (da ordem de 1 a 3 metros), são necessárias ferramentas caras, como um interferômetro a laser e acessórios especiais. Essas ferramentas podem não estar prontamente disponíveis para o usuário final ou integrador de sistema típico. Sem essas ferramentas, o desalinhamento dos trilhos pode ser a causa principal da baixa confiabilidade do sistema, dos altos custos de manutenção, do tempo de inatividade e da curta vida útil do sistema.

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

Cinemática de desalinhamento

Para entender como funciona um compensador de desalinhamento, é necessário compreender as características cinemáticas do compensador como parte do 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 inclinação, guinada e rotação entre si, bem como em planicidade e paralelismo. Suponha que o X esquerdo₁o carro (9) é o mestre motorizado e possui uma junta esférica (j) que sustenta o estágio Y (4). O X direito motorizado oposto₂o estágio (3) possui 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 então o número total de graus de liberdade e subtraindo o número total de restrições, o resultado é 1 grau de liberdade. Isto significa que apenas o eixo mestre X pode se mover de forma independente e todos os outros links o seguirão. Neste caso, se outro motor independente acionar o outro X, poderá ocorrer uma carga excessiva nos trilhos. Esta é uma configuração indesejável para estágios Y 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 para o escravo X, significa adicionar outro grau de liberdade a uma das juntas. Uma correção comum em tais configurações permite que uma corrediça intermediária 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 3D do plano do estágio 4 sem quaisquer restrições. No entanto, para evitar o apoio do estágio 4 em apenas três pontos de canto, a prática comum é adicionar alguma complacência na direção Z entre a junta d e o deslizamento e para suportar parte da carga. Em alguns casos, a flexibilidade da ligação 4 pode ser suficiente; em outros casos, uma lavadora Belleville compatível pode ser usada.

Projetos de compensadores

Os compensadores de desalinhamento integrados destinam-se a configurações de pórtico 2D. O projeto inclui duas placas circundando uma flexão que proporciona um grau de liberdade linear na direção Y.

Vamos revisar dois projetos de compensadores de desalinhamento. Uma delas é uma junta de revolução composta com uma junta deslizante linear, para uma configuração de pórtico 3D. A segunda 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 suportam uma estrutura robusta de soldagem em quatro corrediças. Um servomotor aciona cada estágio do pórtico em uma configuração mestre-escravo. Uma correia aciona uma corrediça de cada estágio e a outra corrediça é uma polia.

Os estágios, montados pelo usuário final, sofreram falha prematura no rolamento do estágio. O problema foi corrigido adicionando quatro juntas esféricas padrão prontamente disponíveis montadas em quatro corrediças lineares às quatro corrediças dos dois estágios lineares do pórtico. Para combinar a configuração com o pórtico discutido anteriormente, uma corrediça foi “aterrada” com uma placa de travamento. O redesenho resolveu completamente o problema.

A desvantagem de utilizar tal compensador, entretanto, é um aumento substancial na altura, o que pode exigir alterações no estágio Z.

Projeto de juntas integradas.Um compensador de desalinhamento integrado pode ser usado em configurações de pórtico 2D. O design inclui duas placas. Uma placa possui furos de montagem na corrediça X do pórtico e a outra placa possui furos de montagem na base do estágio Y do eixo transversal. Um rolamento 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 de flexão e reter apenas a liberdade de movimento rotacional entre as duas placas. A flexão é projetada para operar com deflexão máxima abaixo do limite de fadiga.

Finalmente, para evitar que, no caso de configurações de pórtico 2D, carregue a flexão em um momento fletor em torno do eixo Y, quatro parafusos de retenção suportam as cargas de momento.

As vantagens deste projeto incluem componentes integrados, perfil baixo, tamanho compacto e facilidade de montagem nos pórticos existentes em menos de 15 minutos.