Экономичные методы компенсации смещения 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 для выравнивания в процессе сборки, чтобы обеспечить соответствие требованиям по усилию, точности и сроку службы.

Лазерные интерферометры часто используются для настройки машин с точностью порядка микронов и угловых секунд. Например, лазерный интерферометр компании Renishaw помогает выровнять плоскостность, прямолинейность и прямоугольность портальных рельсов.

Другие инструменты, такие как юстировочные лазеры от Hamar, используют вращающиеся лазерные лучи в качестве точных опорных плоскостей в пространстве с датчиками, размещенными на движущемся слайде. Регулировка винтов выравнивания рельсов или установка прокладок под рельсами приводит к тому, что рельс или сцена принимает желаемую ориентацию. Выравнивание рельсов с высокой точностью может занять дни или недели в зависимости от уровня точности, размера и конфигурации машины.

Для требований к выравниванию с более низкой точностью используются различные механические компоненты, в том числе электронные нивелеры, циферблатные индикаторы, линейки и параллельные балки. С их помощью технические специалисты выравнивают главную направляющую с помощью циферблатного индикатора по точной монтажной поверхности или прямой кромке. После того, как одна направляющая затянута с необходимой точностью, направляющую направляют вперед, одновременно затягивая болты второй плавающей направляющей с помощью циферблатного индикатора или направляющей направляющей.

Независимо от метода центровки, необходимо гарантировать, что остаточное смещение не будет оказывать воздействия на рельсы сцены, что может привести к сокращению срока службы или катастрофическому выходу из строя.

Портальные системы, иногда называемые декартовыми роботами, являются идеальными системами позиционирования для автоматических линий. В этом типе производственного процесса непрерывный или индексирующий конвейер перемещает детали с одной портальной станции на другую. Каждая портальная станция вдоль конвейерной линии манипулирует инструментом по отношению к детали для выполнения производственных операций, таких как механическая обработка, склеивание, сборка, проверка, печать или упаковка. Порталы обычно используются для позиционирования продуктов на автоматических линиях передачи.

Очевидно, что надежность каждой машины на линии передачи должна быть чрезвычайно высокой, чтобы минимизировать время простоя, поскольку простой одной машины может привести к дорогостоящей остановке всей линии. Кроме того, порталы включают в себя множество важных элементов, таких как контроллер, усилитель, двигатель, муфта, привод (например, шариковый винт, ремень или линейный двигатель), рельсы, салазки, основание, упоры, энкодер и кабели. Надежность всей портальной системы представляет собой статистическую сумму надежности всех компонентов.

Для обеспечения высокой надежности системы размер каждого компонента должен быть таким, чтобы его нагрузка во время работы не превышала номинальные значения. Хотя определение размеров каждого компонента может быть простой инженерной задачей, как рекомендует производитель компонента, режимы отказа линейного рельса несколько более сложны. Они зависят, помимо грузоподъемности, размеров и точности, от точной ориентации в пространстве.

Проблемы с перекосом

Почти каждый производитель линейных рельсов согласен с тем, что несоосность приводит к проблемам. Из всех факторов, которые способствуют преждевременному выходу из строя линейных подшипников, перекос занимает первое место в списке.

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

Общие коренные причины смещения рельсов включают отсутствие плоскостности, прямолинейности, параллельности и компланарности линейных рельсов. Эти причины можно свести к минимуму или устранить с помощью правильных методов сборки и выравнивания, которые, в свою очередь, сводят к минимуму перегрузку рельсов. Другие основные причины отказа линейных рельсов включают недостаточную смазку и попадание посторонних частиц, которые можно уменьшить с помощью надлежащего уплотнения и периодической смазки. Хотя они важны, они выходят за рамки этой статьи.

Основы выравнивания

Козловые рельсы обычно включают в себя шарикоподшипники с рециркуляцией, которые предварительно нагружены в своих рабочих канавках для обеспечения высокой жесткости. Высокая жесткость и малая подвижная масса являются важнейшими характеристиками портального механизма, поскольку они определяют самую низкую собственную частоту системы. Для обеспечения широкой полосы пропускания требуется высокая собственная частота, порядка 150 Гц. Для высокой динамической точности необходима широкая полоса пропускания положения, порядка 40 Гц. Высокая динамическая точность, такая как постоянная скорость с погрешностью положения в несколько микрон или малое время стабилизации (от нескольких миллисекунд до субмикронного окна стабилизации), необходимы для высокого качества деталей и высокой производительности соответственно. Эти рабочие характеристики обычно требуются при противоречивых эффектах высокого ускорения и плавного движения в таких процессах, как проверка печатных плат, струйная печать и лазерное скрайбирование.

Для обеспечения высокой жесткости портала (порядка 100 Н/мкм) подшипники имеют предварительный натяг. Однако любое смещение между двумя сторонами портала порядка 10 микрон, как в вертикальной (плоскостность), так и в горизонтальной (прямолинейность) ориентации, может значительно увеличить нагрузку на подшипник. Что, в свою очередь, может привести к катастрофическому выходу из строя из-за выпадения шариков из канавок подшипников или глубоких вмятин на рельсах. Небольшие деформации подшипников все же могут существенно сократить срок их службы.

Для выравнивания линейных рельсов с точностью до 10 микрон на больших длинах пути (порядка от 1 до 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 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, возможно, не требуют обширных инструментов выравнивания, но при этом обеспечивают высокую эффективность за счет снижения потенциально серьезных последствий перекоса рельсов. Эти устройства компенсации несоосности становятся неотъемлемой частью портальной рамы и обеспечивают необходимую степень свободы для предотвращения перегрузок подшипников при различных креплениях портальных рельсов и конфигурациях приводов осей.

Кинематика перекоса

Чтобы понять, как работает компенсатор смещения, необходимо понять кинематические характеристики компенсатора как части его портальной системы. В качестве примера на прилагаемой 3D-схеме портала показаны четыре опоры. Основы этапов X₁(подключенное звено 10) и X₂(ссылка 1) показаны чрезмерно смещенными по тангажу, рысканию и крену относительно друг друга, а также по плоскостности и параллельности. Предположим, левый X₁Каретка (9) является ведущей с электроприводом и имеет сферический шарнир (j), поддерживающий Y-образную ступень (4). Противоположный моторизованный правый X₂ступень (3) имеет одно сферическое соединение (b) и одно линейное скользящее соединение (c), которые поддерживают ступень Y. Остальные каретки X (7 и 6) являются натяжными и также поддерживают ступень Y с помощью сферического шарнира и линейных направляющих.

Затем, посчитав общее количество степеней свободы и вычитая общее количество ограничений, в результате получим 1 степень свободы. Это означает, что только ведущая ось X может двигаться независимо, а все остальные звенья будут следовать за ней. В этом случае, если другой независимый двигатель приводит в движение другой Х, 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 в систему еще одной степени свободы, например, для X-ведомого устройства, означает добавление еще одной степени свободы к одному из соединений. Обычное решение в таких конфигурациях позволяет одной натяжной полозье иметь некоторую степень свободы в направлении Z, например, между сферическими шарнирами d и шарниром e.

Результатом будет кинематическое крепление для ступени Y в соединениях b, j и i, обеспечивающее трехмерную ориентацию плоскости ступени 4 без каких-либо ограничений. Однако, чтобы предотвратить поддержку ступени 4 только в трех угловых точках, общепринятой практикой является добавление некоторой податливости в направлении Z между соединением d и ползуном e, чтобы принять на себя часть нагрузки. В некоторых случаях гибкости линии 4 может быть достаточно; в других случаях можно использовать соответствующую тарельчатую шайбу.

Конструкции компенсаторов

Встроенные компенсаторы смещения предназначены для двумерных портальных конфигураций. Конструкция включает две пластины, окружающие изгиб, обеспечивающий линейную степень свободы в направлении Y.

Давайте рассмотрим две конструкции компенсатора рассогласования. Один из них представляет собой составное вращающееся соединение с линейным скользящим соединением для трехмерной портальной конфигурации. Второй представляет собой интегрированное вращающееся соединение с линейным изгибающим соединением для двумерной портальной конфигурации. В 2D-версии предположим, что портальные рельсы X₁и Х₂являются компланарными.

Конструкция сложных соединений.Рассмотрим портальное применение в процессе производства банок. Портал использует две ступени с ременным приводом, которые поддерживают прочную сварную раму на четырех направляющих. Серводвигатель приводит в движение каждую портальную ступень в конфигурации «главный-подчиненный». Ремень приводит в движение одну ползунь каждой ступени, а другая полозья является натяжной.

Ступени, собранные конечным пользователем, преждевременно вышли из строя подшипника ступени. Проблема была решена путем добавления к четырем направляющим двух портальных линейных ступеней четырех легкодоступных стандартных сферических шарниров, установленных на четырех линейных направляющих. Чтобы конфигурация соответствовала ранее обсуждавшемуся порталу, один слайд был «заземлен» с помощью стопорной пластины. Редизайн полностью решил проблему.

Однако недостатком использования такого компенсатора является существенное увеличение высоты, что может потребовать изменения ступени Z.

Интегрированная конструкция суставов.Встроенный компенсатор смещения может использоваться в двумерных портальных конфигурациях. В конструкцию входят две пластины. Одна пластина имеет монтажные отверстия для направляющей X портала, а другая пластина имеет монтажные отверстия для основания столика поперечной оси Y. Подшипник в центре соединяет две пластины.

Кроме того, одна пластина имеет изгиб, обеспечивающий 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 свободу вращения между двумя пластинами. Изгиб рассчитан на работу при максимальном прогибе ниже предела усталости.

Наконец, чтобы в случае двумерных портальных конфигураций предотвратить нагрузку на изгиб изгибающим моментом вокруг оси Y, четыре стопорных болта воспринимают моментные нагрузки.

Преимущества этой конструкции включают интегрированные компоненты, низкий профиль, компактные размеры и простоту сборки на существующие портальные ступени менее чем за 15 минут.