Экономичные методы компенсации несоосности предотвращают перегрузку подшипников и преждевременный выход из строя портала.
Инструменты для выравнивания портала
При изготовлении портальных систем производители обычно используют специальные инструменты для выравнивания в процессе сборки, чтобы обеспечить соответствие требованиям по усилию, точности и сроку службы.
Лазерные интерферометры часто используются для юстировки машин с точностью до микрон и угловых секунд. Например, лазерный интерферометр от Renishaw помогает выравнивать направляющие портала по плоскости, прямолинейности и перпендикулярности.
Другие инструменты, такие как лазерные нивелиры от Hamar, используют вращающиеся лазерные лучи в качестве прецизионных опорных плоскостей в пространстве, а датчики размещаются на подвижной направляющей. Регулировка винтов выравнивания направляющих или подкладка под направляющие позволяют установить направляющую или платформу в нужное положение. Высокоточная выравнивание направляющих может занять от нескольких дней до нескольких недель в зависимости от уровня точности, размера и конфигурации станка.
Для более точных выравниваний используются различные механические компоненты, включая электронные нивелиры, индикаторы часового типа, линейки и параллельные балки. С их помощью специалисты выравнивают главную направляющую с помощью индикатора часового типа относительно прецизионной монтажной поверхности или линейки. После того, как одна направляющая затянута с требуемой точностью, направляющая перемещается вдоль нее, в то время как болты второй плавающей направляющей затягиваются с помощью индикатора часового типа или направляющей.
Независимо от метода выравнивания, необходимо обеспечить, чтобы остаточное смещение не оказывало давления на рельсы сцены, что может привести к сокращению срока службы или катастрофическому разрушению.
Портальные системы, иногда называемые декартовыми роботами, являются идеальными системами позиционирования для автоматизированных конвейерных линий. В этом типе производственного процесса непрерывный или индексирующий конвейер перемещает детали от одной портальной станции к другой. Каждая портальная станция вдоль конвейерной линии манипулирует инструментом относительно детали для выполнения производственных операций, таких как механическая обработка, склеивание, сборка, контроль качества, печать или упаковка. Портальные системы широко используются для позиционирования изделий на автоматизированных конвейерных линиях.
Очевидно, что надежность каждой машины в конвейерной линии должна быть чрезвычайно высокой, чтобы минимизировать время простоя, поскольку простой одной машины может привести к дорогостоящей остановке всей конвейерной линии. Кроме того, портальные системы включают в себя множество критически важных элементов, таких как контроллер, усилитель, двигатель, муфта, исполнительный механизм (например, шариковинтовая передача, ременная передача или линейный двигатель), направляющие, ползунок, основание, упоры, энкодер и кабели. Надежность всей портальной системы представляет собой статистическую сумму надежности всех компонентов.
Для обеспечения высокой надежности системы каждый компонент должен быть рассчитан таким образом, чтобы его нагрузка во время работы не превышала номинальных значений. Хотя расчет размеров каждого компонента может быть простой инженерной задачей, как это рекомендует производитель, режимы отказов линейных направляющих несколько сложнее. Они зависят, помимо несущей способности, размера и точности, от их точной ориентации в пространстве.
Проблемы с несоосностью
Практически все производители линейных направляющих сходятся во мнении, что несоосность приводит к проблемам. Из всех факторов, способствующих преждевременному выходу из строя линейных подшипников, несоосность занимает одно из первых мест в этом списке.
К таким причинам относятся: смещения рельсов.fозеро: удаление материала с поверхности рельса;носить: последствия чрезмерного трения;отступШарики деформируют рельсы; иповрежденные деталиДеформация рельсов из-за выпадения шариков из канавок рельсов.
К распространенным причинам смещения рельсов относятся недостаточная плоскостность, прямолинейность, параллельность и соосность линейных рельсов. Эти причины можно минимизировать или устранить с помощью правильных методов сборки и выравнивания, что, в свою очередь, снижает перегрузку рельсов. Другие причины выхода из строя линейных рельсов включают недостаточную смазку и попадание посторонних частиц, что можно предотвратить путем надлежащей герметизации и периодической смазки. Хотя эти причины важны, они выходят за рамки данной статьи.
Основы выравнивания
Направляющие портала обычно включают шарикоподшипники с рециркуляцией, предварительно нагруженные в своих направляющих канавках для обеспечения высокой жесткости. Высокая жесткость и малая движущаяся масса являются критически важными характеристиками портала, поскольку они определяют самую низкую собственную частоту системы. Высокая собственная частота, порядка 150 Гц, необходима для высокой полосы пропускания по положению. Высокая полоса пропускания по положению, порядка 40 Гц, необходима для высокой динамической точности. Высокая динамическая точность, такая как постоянная скорость с погрешностью положения в несколько микрон или малое время установления, порядка нескольких миллисекунд до субмикронного окна установления, необходима для высокого качества деталей и высокой производительности, соответственно. Эти характеристики производительности обычно требуются в условиях противоречивого воздействия высокого ускорения и плавного движения в таких процессах, как контроль печатных плат, струйная печать и лазерная гравировка.
Для обеспечения высокой жесткости портала — порядка 100 Н/мкм — подшипники предварительно нагружаются. Однако любое смещение между двумя сторонами портала порядка десятков микрон, как по вертикали (плоскость), так и по горизонтали (прямолинейность), может значительно увеличить нагрузку на подшипники. Это, в свою очередь, может привести к катастрофическому отказу из-за выпадения шариков из канавок подшипников или глубоких вмятин в направляющих. Даже меньшие деформации подшипников могут существенно сократить срок их службы.
Для точного выравнивания линейных направляющих с точностью до десятков микрон на больших расстояниях (порядка 1–3 метров) требуются дорогостоящие инструменты, такие как лазерный интерферометр и специальные приспособления. Эти инструменты могут быть недоступны обычному конечному пользователю или системному интегратору. Без этих инструментов смещение направляющих может стать основной причиной низкой надежности системы, высоких затрат на техническое обслуживание, простоев и короткого срока службы системы.
К счастью, существует множество проверенных на практике вариантов компенсации смещения, которые могут не требовать большого количества инструментов для выравнивания, но при этом обеспечивают высокую эффективность, снижая потенциально негативные последствия смещения направляющих. Эти устройства компенсации смещения становятся неотъемлемой частью рамы портала и обеспечивают необходимые степени свободы для предотвращения перегрузок подшипников в различных конфигурациях крепления направляющих портала и приводов осей.
Кинематика смещения
Для понимания принципа работы компенсатора смещения необходимо понимать кинематические характеристики компенсатора как части его портальной системы. В качестве примера на прилагаемой трехмерной схеме портальной системы показаны четыре опоры. Основания ступеней X1(соединительная связь 10) и X2(ссылка 1) показаны с преувеличенным смещением по тангажу, рысканию и крену относительно друг друга, а также по плоскости и параллельности. Предположим, что левая ось X1Каретка (9) является моторизованным главным устройством и имеет сферический шарнир (j), который поддерживает Y-образную платформу (4). Противоположное моторизованное правое X2Платформа (3) имеет один сферический шарнир (b) и один линейный шарнир (c), которые поддерживают платформу по оси Y. Остальные каретки по оси X (7 и 6) являются холостыми и также поддерживают платформу по оси Y с помощью сферического шарнира и линейного шарнира.
Затем, подсчитав общее число степеней свободы и вычтя общее число ограничений, получаем 1 степень свободы. Это означает, что только главная ось X может перемещаться независимо, а все остальные звенья будут следовать за ней. В этом случае, если другой независимый двигатель будет приводить в движение другую ось X, может возникнуть чрезмерная нагрузка на направляющие. Это нежелательная конфигурация для длинных ступеней оси Y, поэтому инженеры должны внести корректирующие изменения, чтобы вторая ступень оси X могла перемещаться независимо от первой ступени оси X.
Добавление еще одной степени свободы в систему, например, для ведомого элемента по оси X, означает добавление еще одной степени свободы к одному из шарниров. Распространенное решение в таких конфигурациях позволяет одному из направляющих роликов иметь степень свободы в направлении оси Z, например, между сферическими шарнирами d и шарниром скольжения e.
В результате получится кинематическое крепление для Y-платформы в шарнирах b, j и i, учитывающее трехмерную ориентацию плоскости 4-й платформы без каких-либо ограничений. Однако, чтобы предотвратить поддержку 4-й платформы только в трех угловых точках, обычно добавляют некоторую податливость в направлении Z между шарниром d и ползунком e для частичного поглощения нагрузки. В некоторых случаях гибкости звена 4 может быть достаточно; в других случаях может использоваться податливая шайба Бельвиля.
Компенсаторные конструкции
Встроенные компенсаторы смещения предназначены для двухмерных портальных конфигураций. Конструкция включает две пластины, окружающие гибкий элемент, обеспечивающий линейную степень свободы в направлении оси Y.
Рассмотрим две конструкции компенсаторов несоосности. Первая — это составной вращательный шарнир с линейным скользящим шарниром для трехмерной конфигурации портала. Вторая — это интегрированный вращательный шарнир с линейным гибким шарниром для двухмерной конфигурации портала. В двухмерном варианте предположим, что направляющие портала X1и X2лежат в одной плоскости.
Конструкция составных соединений.Рассмотрим портальную систему в процессе производства банок. Портальная система использует две приводные платформы с ременным приводом, которые поддерживают прочную сварную раму на четырех направляющих. Сервомотор приводит в движение каждую платформу портальной системы в конфигурации «ведущий-ведомый». Ремень приводит в движение одну направляющую каждой платформы, а другая направляющая является холостой.
Сборка направляющих, произведенная конечным пользователем, привела к преждевременному выходу из строя подшипников. Проблема была решена путем добавления четырех легкодоступных стандартных сферических шарниров, установленных на четырех линейных направляющих, к четырем направляющим двух линейных направляющих портала. Для соответствия конфигурации ранее обсуждавшейся конструкции портала одна направляющая была «закреплена» с помощью фиксирующей пластины. Перепроектирование полностью решило проблему.
Однако недостатком использования такого компенсатора является существенное увеличение высоты, что может потребовать изменений в положении по оси Z.
Конструкция с интегрированными соединениями.В двухмерных портальных конфигурациях может использоваться встроенный компенсатор смещения. Конструкция включает две пластины. Одна пластина имеет монтажные отверстия для крепления к X-секции портальной конструкции, а другая — к основанию Y-секции поперечной оси. Подшипник в центре соединяет две пластины.
Кроме того, одна из пластин включает в себя гибкую деталь, обеспечивающую линейную степень свободы в направлении оси Y. Для использования одного и того же компонента во всех соединениях можно использовать два болта для «закрепления» линейной степени свободы гибкой детали и сохранения только вращательной свободы движения между двумя пластинами. Гибкая деталь рассчитана на работу при максимальном прогибе ниже предела усталости.
Наконец, чтобы предотвратить возникновение изгибающего момента относительно оси Y в случае двухмерных портальных конструкций, четыре крепежных болта воспринимают моментные нагрузки.
К преимуществам данной конструкции относятся интегрированные компоненты, низкий профиль, компактные размеры и простота сборки с существующими портальными платформами менее чем за 15 минут.
Дата публикации: 22 июля 2021 г.