Экономичные методы компенсации несоосности предотвращают перегрузку подшипников и преждевременный выход из строя портала

Инструменты для выравнивания портала

Когда производители систем позиционирования создают портальную систему, они обычно используют специальные инструменты выравнивания в процессе сборки, чтобы гарантировать соответствие характеристикам усилия, точности и срока службы.

Лазерные интерферометры часто используются для выравнивания машин с точностью порядка микрометров и угловых секунд. Например, лазерный интерферометр от Renishaw помогает выравнивать плоскостность, прямолинейность и перпендикулярность рельсов портала.

Другие инструменты, такие как выравнивающие лазеры от Hamar, используют вращающиеся лазерные лучи в качестве точных опорных плоскостей в пространстве с датчиками, размещенными на подвижном слайде. Регулировка винтов выравнивания рельсов или подкладывание под рельсы приводит рельс или платформу в желаемую ориентацию. Выравнивание рельсов с высокой точностью может занять дни или недели в зависимости от уровня точности, размера и конфигурации машины.

Для требований выравнивания с меньшей точностью используются различные механические компоненты, включая электронные нивелиры, циферблатные индикаторы, прямые кромки и параллельные балки. С их помощью специалисты выравнивают главный рельс с помощью циферблатного индикатора по точной монтажной поверхности или прямой кромке. После того, как один рельс затянут с требуемой точностью, направляется ползун, в то время как болты второго плавающего рельса затягиваются с помощью циферблатного индикатора или направляющего ползуна.

Независимо от метода выравнивания, он должен гарантировать, что остаточная несоосность не будет оказывать воздействия на рельсы сцены, что может привести к сокращению срока службы или катастрофическому отказу.

Системы портальных систем, иногда называемые декартовыми роботами, являются идеальными системами позиционирования для автоматизированных линий передачи. В этом типе производственного процесса непрерывный или индексирующий конвейер переносит детали с одной станции портальных систем на другую. Каждая станция портальных систем вдоль конвейерной линии манипулирует инструментом относительно детали для выполнения производственных операций, таких как обработка, склеивание, сборка, проверка, печать или упаковка. Портальные системы обычно используются для позиционирования продукции на автоматизированных линиях передачи.

Очевидно, что надежность каждой машины в работе линии передачи должна быть чрезвычайно высокой, чтобы минимизировать время простоя, поскольку простой одной машины может привести к дорогостоящей остановке всей линии передачи. Кроме того, порталы включают в себя множество критических элементов, таких как контроллер, усилитель, двигатель, муфта, привод (например, шарико-винтовая передача, ремень или линейный двигатель), рельсы, направляющие, основание, упоры, энкодер и кабели. Надежность всей системы порталов представляет собой статистическую сумму надежностей всех компонентов.

Для обеспечения высокой надежности системы каждый компонент должен быть рассчитан так, чтобы его нагрузка во время работы не превышала номинальных значений. В то время как расчет размера каждого компонента может быть простой инженерной задачей, как рекомендовано производителем компонента, режимы отказа линейных рельсов несколько сложнее. Они зависят, помимо грузоподъемности, размера и точности, от их точной ориентации в пространстве.

Проблемы с несоосностью

Почти каждый производитель линейных направляющих соглашается, что несоосность приводит к проблемам. Из всех факторов, способствующих преждевременному выходу из строя линейных подшипников, несоосность занимает одно из первых мест в списке.

Классифицируются неисправности, связанные с несоосностью рельсов, которые включают в себя:fлакирование: удаление материала с поверхности рельса;носить: результаты чрезмерного трения;отступ: шарики деформируют рельсы; иповрежденные части: деформированные рельсы из-за выпадения шариков из рельсовых канавок.

Распространенные основные причины несоосности рельсов включают в себя отсутствие плоскостности, прямолинейности, параллельности и копланарности линейных рельсов. Эти причины могут быть минимизированы или устранены с помощью надлежащих методов сборки и выравнивания, которые, в свою очередь, минимизируют перегрузку рельсов. Другие основные причины выхода из строя линейных рельсов включают в себя недостаточную смазку и попадание посторонних частиц, которые можно смягчить с помощью надлежащей герметизации и периодической смазки. Хотя они важны, они выходят за рамки этой статьи.

Основы выравнивания

Рельсы портала обычно включают в себя рециркулирующие шарикоподшипники, которые предварительно нагружены в своих ходовых канавках для обеспечения высокой жесткости. Высокая жесткость и малоподвижная масса являются критическими характеристиками портала, поскольку они определяют самую низкую собственную частоту системы. Высокая собственная частота, порядка 150 Гц, требуется для высокой полосы пропускания положения. Высокая полоса пропускания положения, порядка 40 Гц, требуется 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, требуются для высокого качества деталей и высокой производительности соответственно. Эти эксплуатационные характеристики, как правило, требуются при противоречивых эффектах высокого ускорения и плавного движения в таких процессах, как проверка печатных плат, струйная печать и лазерная разметка.

Для обеспечения высокой жесткости портала — порядка 100 Н/мкм — подшипники предварительно нагружены. Однако любое несоосность между двумя сторонами портала порядка десятков микрометров, как в вертикальной (плоскостность), так и в горизонтальной (прямолинейность) ориентации, может значительно увеличить нагрузку на подшипник. Это, в свою очередь, может привести к катастрофическому отказу из-за выпадения шариков из канавок подшипника или глубоких вмятин в рельсах. Более мелкие деформации подшипников могут по-прежнему существенно сокращать срок службы подшипника.

Для выравнивания линейных рельсов с точностью в десятки микрон на больших расстояниях (порядка 1–3 метров) требуются дорогостоящие инструменты, такие как лазерный интерферометр и специальные приспособления. Эти инструменты могут быть недоступны для обычного конечного пользователя или системного интегратора. Без этих инструментов несоосность рельсов может стать основной причиной низкой надежности системы, высоких затрат на техническое обслуживание, простоев и короткого срока службы системы.

К счастью, существуют различные проверенные на практике варианты компенсации несоосности, которые могут не требовать обширных инструментов для выравнивания, но при этом обеспечивают высокую ценность за счет снижения потенциально жестких последствий несоосности рельсов. Эти устройства компенсации несоосности становятся неотъемлемой частью рамы портала и обеспечивают необходимые степени свободы для предотвращения перегрузок подшипников в различных креплениях рельс портала и конфигурациях привода оси.

Кинематика несоосности

Чтобы понять, как работает компенсатор смещения, необходимо понять кинематические характеристики компенсатора как части его портальной системы. В качестве примера, прилагаемая 3D-схема портальной системы показывает четыре опоры. Основания ступеней X₁(связанная ссылка 10) и X₂(ссылка 1) показаны преувеличенно невыровненными по тангажу, рысканию и крену относительно друг друга, а также по плоскости и параллельности. Предположим, что левая X₁Каретка (9) является моторизованным ведущим устройством и имеет сферическое соединение (j), которое поддерживает ступень Y (4). Противоположная моторизованная правая X₂Ступень (3) имеет одно сферическое сочленение (b) и одно линейное скользящее сочленение (c), которые поддерживают ступень Y. Другие каретки X (7 и 6) являются натяжными и также поддерживают ступень Y с помощью сферического сочленения и линейного скользящего соединения.

Затем, подсчитывая общее количество степеней свободы и вычитая общее количество ограничений, получаем 1 степень свободы. Это означает, что только главная ось X может двигаться независимо, а все остальные звенья будут следовать за ней. В этом случае, если другой независимый двигатель приводит в движение другую ось X, может возникнуть чрезмерная нагрузка на рельсы. Это нежелательная конфигурация для длинных ступеней Y, и поэтому инженеры должны внести корректирующие изменения, чтобы вторая ступень X могла двигаться независимо от первой ступени X.

Добавление еще одной степени свободы в систему, например, для ведомого устройства X, означает добавление еще одной степени свободы к одному из сочленений. Обычное исправление в таких конфигурациях позволяет одному направляющему ролику иметь степень свободы в направлении Z, например, между сферическими сочленениями d и скользящим сочленением e.

Результатом будет кинематическое крепление для ступени Y в соединениях b, j и i, обеспечивающее 3D-ориентацию плоскости ступени 4 без каких-либо ограничений. Однако, чтобы предотвратить поддержку ступени 4 только в трех угловых точках, обычной практикой является добавление некоторой податливости в направлении Z между соединением d и ползуном e для принятия части нагрузки. В некоторых случаях может быть достаточно гибкости звена 4; в других случаях может использоваться податливая тарельчатая шайба.

Конструкции компенсаторов

Интегрированные компенсаторы смещения предназначены для конфигураций 2D-портала. Конструкция включает две пластины, окружающие изгиб, который обеспечивает линейную степень свободы в направлении Y.

Давайте рассмотрим две конструкции компенсатора несоосности. Одна из них — это составное поворотное соединение с линейным скользящим соединением для конфигурации 3D-портала. Вторая — это интегрированное поворотное соединение с линейным изгибным соединением для конфигурации 2D-портала. В версии 2D предположим, что рельсы портала X₁и Х₂являются копланарными.

Конструкция со сложными соединениями.Рассмотрим применение портального механизма в процессе производства банок. Портальный механизм использует две ступени с ременным приводом, которые поддерживают прочную сварную раму на четырех направляющих. Серводвигатель приводит в движение каждую ступень портального механизма в конфигурации «главный-подчиненный». Ремень приводит в движение одну направляющую каждой ступени, а другая направляющая является натяжной.

Ступени, собранные конечным пользователем, преждевременно вышли из строя в подшипнике ступени. Проблема была устранена путем добавления четырех легкодоступных стандартных сферических соединений, установленных на четырех линейных направляющих, к четырем направляющим двух линейных ступеней гантри. Чтобы соответствовать конфигурации ранее обсуждаемого гантри, один направляющий элемент был «заземлен» с помощью стопорной пластины. Редизайн полностью решил проблему.

Однако недостатком использования такого компенсатора является существенное увеличение высоты, что может потребовать внесения изменений в ступень Z.

Конструкция с интегрированными соединениями.Встроенный компенсатор смещения может использоваться в конфигурациях 2D-портала. Конструкция включает две пластины. Одна пластина имеет монтажные отверстия для салазок X-портала, а другая пластина имеет монтажные отверстия для основания поперечной оси Y-столба. Подшипник в центре соединяет две пластины.

Кроме того, одна пластина включает изгиб, который обеспечивает линейную степень свободы в направлении Y. Чтобы использовать один и тот же компонент для всех соединений, можно использовать два болта, чтобы «заземлить» линейную степень свободы изгиба и сохранить только вращательную свободу движения между двумя пластинами. Изгиб предназначен для работы при максимальном прогибе ниже предела усталости.

Наконец, для предотвращения, в случае конфигураций двухмерного портала, нагрузки на изгиб изгибающим моментом относительно оси Y, четыре стопорных болта воспринимают моментные нагрузки.

Преимущества данной конструкции включают интегрированные компоненты, низкий профиль, компактные размеры и простоту сборки на существующих портальных платформах менее чем за 15 минут.