И как этого избежать…

Портальные системы отличаются от других типов многоосных систем (таких как декартовы роботы и столы XY) тем, что они используют две базовые оси (X) параллельно с соединяющей их перпендикулярной осью (Y). Хотя такое расположение двойной оси X обеспечивает широкую и устойчивую опору и позволяет портальным системам обеспечивать высокую грузоподъемность, большую длину перемещения и хорошую жесткость, оно также может привести к явлению, обычно называемому стеллажом.

Каждый раз, когда две линейные оси устанавливаются и соединяются параллельно, существует риск того, что оси не будут двигаться идеально синхронно. Другими словами, во время движения одна из осей X может «отставать» от другой, а ведущая ось будет пытаться потянуть за собой отстающего партнёра. Когда это происходит, соединительная ось (Y) может перекоситься и перестать быть перпендикулярной двум осям X. Состояние, при котором оси X и Y теряют ортогональность, называется перекатыванием и может привести к заеданию при движении системы в направлении X, а также к потенциально разрушительным силам как по осям X, так и по Y.

Стеллаж в портальных системах может быть вызван различными факторами конструкции и сборки, но одним из наиболее влиятельных факторов является метод управления осями X. При двух параллельных осях X проектировщики имеют возможность управлять каждой осью X независимо или управлять одной осью, а другую рассматривать как «ведомую» или ведомую ось.

В низкоскоростных приложениях с относительно небольшим расстоянием между двумя осями X (короткий ход оси Y) может быть приемлемо управлять только одной осью X и позволить второй оси X быть ведомым устройством без приводного механизма. В этой конструкции ключевым моментом является жесткость соединения между осями, другими словами, жесткость оси Y.

Поскольку ведомая ось эффективно «тянет» неведомую ось, если соединение между ними испытывает изгиб, скручивание или другое нежесткое поведение, любая разница в трении или нагрузке между двумя осями X может немедленно привести к скатыванию и привязка. И чем длиннее ось Y, тем менее жесткой она будет. Вот почему расположение «ведомый ведомый» обычно рекомендуется для применений, где расстояние между осями X составляет менее одного метра.

Более сложное решение привода заключается в использовании отдельного двигателя на каждой оси, причем двигатели синхронизируются по схеме «главный-подчиненный» через контроллер. Однако при таком расположении ошибки перемещения механических приводов должны быть идеально (или почти идеально) согласованы — в противном случае вращение и заедание могут быть вызваны небольшими отклонениями в расстоянии, которое проходит каждая ось за один оборот двигателя.

Для высокоскоростных прецизионных портальных систем в качестве приводных механизмов обычно используются шарико-винтовые передачи и реечные передачи. Обе эти технологии можно выборочно согласовать, чтобы обеспечить одинаковую линейную погрешность по каждой оси, избегая некоторого накопления ошибок, которое может возникнуть в несогласованных узлах привода. Поскольку ременные и цепные приводы имеют ошибки шага, которые трудно согласовать и компенсировать, их обычно не рекомендуют для портальных систем, когда оси X имеют независимый привод. С другой стороны, линейные двигатели являются отличным выбором для параллельных осей в портальных системах, поскольку они не имеют механических ошибок и могут обеспечивать большую длину перемещения и высокие скорости.

Другое решение — своего рода компромисс между двумя описанными выше вариантами — использовать один двигатель для привода обеих осей X. Это можно сделать, подключив выход оси с приводом от двигателя к входу второй оси через дистанционную муфту (также называемую соединительным валом). В этой конфигурации отсутствует второй двигатель (и необходимая сопутствующая синхронизация).

Однако важна крутильная жесткость дистанционной муфты. Если крутящий момент, передаваемый между осями, приводит к «закручиванию» муфты, все равно могут произойти раскачивание и заедание. Такая конфигурация часто является хорошим вариантом, когда расстояние между осями X составляет от одного до трех метров, при умеренных требованиях к нагрузке и скорости.

Еще одним фактором, который может вызвать стеллаж в портальных системах, является недостаточная точность монтажа и параллельность между двумя осями X. Каждый раз, когда две линейные направляющие устанавливаются и работают параллельно, требуется определенный допуск на параллельность, плоскостность и прямолинейность, чтобы избежать перегрузки подшипников на одной или обеих направляющих. В портальных системах, где оси X имеют тенденцию быть расположены далеко друг от друга (из-за большого перемещения по оси Y), монтаж и параллельность осей X становятся еще более важными, при этом угловые ошибки усиливаются на больших расстояниях.

Различные технологии направляющих требуют разного уровня точности для обеспечения параллельности, плоскостности и прямолинейности. В портальных приложениях лучшая технология линейных направляющих для параллельных осей X обычно обеспечивает максимальную «прощающую» ошибки монтажа и выравнивания, сохраняя при этом необходимую грузоподъемность и жесткость.

Рециркуляционные шариковые или роликовые профильные рельсовые направляющие обычно обеспечивают самую высокую грузоподъемность и жесткость среди всех технологий линейных направляющих, но при использовании в параллельной конфигурации они требуют очень точной высоты монтажа и допусков параллельности, чтобы избежать заедания. Некоторые производители предлагают «самоцентрирующиеся» версии шарикоподшипников с рециркуляцией, которые способны компенсировать некоторую несоосность, хотя жесткость и грузоподъемность могут быть снижены.

С другой стороны, направляющие колеса, движущиеся по прецизионным рельсам, требуют меньшей точности монтажа и выравнивания, чем профилированные рельсовые направляющие. Их можно монтировать даже на поверхности с умеренной погрешностью, не вызывая при этом проблем при работе, таких как вибрация и заедание, даже если две гусеницы используются параллельно.

Хотя выравнивание можно выполнить с помощью простых инструментов, таких как циферблатные индикаторы и провода, большая длина портальных систем часто делает это непрактичным. Кроме того, выравнивание нескольких параллельных и перпендикулярных осей экспоненциально увеличивает сложность и требуемое время и трудозатраты.

Вот почему лазерный интерферометр часто является лучшим инструментом для обеспечения прямолинейности, плоскостности и ортогональности между осями гентри.