Técnicas econômicas de compensação de desalinhamento previnem a sobrecarga dos rolamentos e a falha prematura do pórtico.

Ferramentas de alinhamento de pórtico

Ao construir um sistema de pórtico, os fabricantes de sistemas de posicionamento geralmente utilizam ferramentas especiais de alinhamento durante o processo de montagem para garantir que atendam às especificações de força, precisão e vida útil.

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

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 trilho móvel. O ajuste dos parafusos de nivelamento dos trilhos, ou a colocação de calços sob os trilhos, leva o trilho ou a plataforma à orientação desejada. O nivelamento dos trilhos com alta precisão pode levar dias ou semanas, dependendo do nível de precisão, tamanho e configuração da máquina.

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

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

Os sistemas de pórtico, também conhecidos como robôs cartesianos, são sistemas de posicionamento ideais para linhas de transferência automatizadas. Nesse tipo de processo de fabricação, uma esteira contínua ou indexada transfere peças de uma estação de pórtico para outra. Cada estação de pórtico ao longo da linha de esteira 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 linha de transferência deve ser extremamente alta para minimizar o tempo de inatividade, pois a inatividade de uma máquina pode paralisar toda a linha de transferência, causando prejuízos. Além disso, os pórticos incluem muitos elementos críticos, como controlador, amplificador, motor, acoplamento, atuador (como fuso de esferas, correia ou motor linear), trilhos, deslizador, base, batentes, encoder e cabos. A confiabilidade de todo o sistema de pórtico é a soma estatística das confiabilidades de todos os componentes.

Para garantir alta confiabilidade do sistema, cada componente deve ser dimensionado de forma a assegurar 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, os modos de falha dos trilhos lineares 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 de rolamentos lineares, o desalinhamento está entre os principais.

São classificadas como falhas de desalinhamento de trilhos as seguintes:flago: remoção de material da superfície do trilho;vestir: resultados do atrito excessivo;recuo: as bolas deformam os trilhos; epeças danificadasTrilhos deformados devido à queda de bolas das ranhuras dos trilhos.

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

Noções básicas de alinhamento

Os trilhos do pórtico geralmente incluem rolamentos de esferas recirculantes pré-carregados em seus sulcos de rolamento para proporcionar alta rigidez. Alta rigidez e baixa massa móvel são características críticas do pórtico, pois definem a frequência natural mais baixa do sistema. Uma alta frequência natural, da ordem de 150 Hz, é necessária para uma alta largura de banda de posicionamento. Uma alta largura de banda de posicionamento, da ordem de 40 Hz, é necessária para alta precisão dinâmica. Alta precisão dinâmica, como velocidade constante com erro de posicionamento de alguns mícrons, ou baixo tempo de estabilização, da ordem de alguns milissegundos a uma janela de estabilização submicrométrica, são necessárias para alta qualidade das peças e alta produtividade, respectivamente. Essas características de desempenho são tipicamente necessárias sob os efeitos conflitantes de alta aceleração e movimento suave em processos como inspeção de PCBs, 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 micrômetros, seja na orientação vertical (planicidade) ou horizontal (retidão), pode aumentar drasticamente a carga sobre os rolamentos. Isso, por sua vez, pode levar a falhas catastróficas devido à queda das esferas das ranhuras dos rolamentos ou a profundas indentação nos trilhos. Deformações menores nos rolamentos também podem reduzir substancialmente sua vida útil.

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

Felizmente, existem diversas opções de compensação de desalinhamento comprovadas em campo que podem não exigir ferramentas de alinhamento complexas, mas oferecem grande 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 fornecem os graus de liberdade necessários para evitar sobrecargas nos rolamentos em diversas montagens de trilhos e configurações de acionamento de eixos.

Cinemática do desalinhamento

Para entender como funciona um compensador de desalinhamento, é preciso compreender as características cinemáticas do compensador como parte de seu sistema de pórtico. Como exemplo, o diagrama de pórtico 3D em anexo mostra quatro suportes. As bases dos estágios X₁(link conectado 10) e X₂(link 1) são mostrados desalinhados exageradamente em inclinação, guinada e rotação em relação uns aos outros, bem como em planicidade 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 oposto é o X direito motorizado.₂O 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 carros intermediários e também suportam o estágio Y por meio de uma junta esférica e uma junta deslizante 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 principal pode se mover independentemente, e todos os outros elos o seguirão. Nesse caso, se outro motor independente acionar o outro eixo X, poderá ocorrer uma carga excessiva nos trilhos. Essa 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.

Adicionar mais um grau de liberdade ao sistema, como no caso do eixo X, significa adicionar mais um grau de liberdade a uma das juntas. Uma solução comum em tais configurações permite que um dos deslizadores do eixo 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 3D 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 deslizador 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

Os compensadores de desalinhamento integrados são projetados para configurações de pórtico 2D. O projeto inclui duas placas que envolvem uma flexão, proporcionando um grau de liberdade linear na direção Y.

Vamos analisar dois projetos de compensadores de desalinhamento. Um deles é uma junta rotativa composta com uma junta deslizante linear, para uma configuração de pórtico 3D. O segundo é uma junta rotativa integrada com uma junta flexível linear para uma configuração de pórtico 2D. Na versão 2D, considere 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 soldada robusta sobre quatro guias. Um servomotor aciona cada estágio do pórtico em uma configuração mestre-escravo. Uma correia aciona uma das guias de cada estágio, e a outra guia funciona como um guia livre.

As plataformas, montadas pelo usuário final, apresentaram falhas prematuras no rolamento. O problema foi corrigido com a adição de quatro juntas esféricas padrão, facilmente disponíveis no mercado, montadas em quatro guias lineares, às quatro guias das duas plataformas lineares do pórtico. Para adequar a configuração ao pórtico discutido anteriormente, uma das guias foi fixada com uma placa de travamento. A reformulação resolveu completamente o problema.

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

Projeto com 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 para o eixo X do pórtico e a outra placa possui furos de montagem para a base do estágio Y do eixo transversal. Um rolamento central conecta as duas placas.

Além disso, uma das placas inclui uma flexão que proporciona um grau de liberdade linear na direção Y. Para utilizar o mesmo componente em todas as juntas, dois parafusos podem ser usados ​​para "fixar" 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.

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

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