Економічні методи компенсації зсуву запобігають перевантаженню підшипників і передчасному виходу з ладу порталу

Інструменти вирівнювання порталу

Коли виробники систем позиціонування будують портальну систему, вони зазвичай використовують спеціальні інструменти для вирівнювання під час процесу складання, щоб переконатися, що вони відповідають специфікаціям сили, точності та довговічності.

Лазерні інтерферометри часто використовуються для вирівнювання машин з точністю порядку мікрон і кутових секунд. Наприклад, лазерний інтерферометр від Renishaw допомагає вирівняти площину, прямолінійність і прямокутність рейок порталу.

Інші інструменти, такі як лазери для вирівнювання від Hamar, використовують обертові лазерні промені як точні базові площини в просторі з датчиками, розміщеними на рухомих слайдах. Регулювання вирівнювальних гвинтів рейок або прокладка під рейками приводить рейку або сцену до потрібної орієнтації. Вирівнювання рейок до високої точності може зайняти дні або тижні залежно від рівня точності, розміру та конфігурації машини.

Для вирівнювання з меншою точністю використовуються різні механічні компоненти, включаючи електронні нівеліри, циферблатні індикатори, прямі кромки та паралельні балки. За допомогою них техніки вирівнюють основну рейку з циферблатним індикатором на точній монтажній поверхні або прямому краю. Після того, як одна рейка затягнута з необхідною точністю, ковзання направляється вздовж, у той час як болти другої плаваючої рейки затягуються за допомогою циферблатного індикатора або напрямної.

Незалежно від методу вирівнювання, він повинен гарантувати, що залишкове зміщення не буде впливати на рейки сцени, що може призвести до короткого терміну служби або катастрофічної несправності.

Портальні системи, які іноді називають декартовими роботами, є ідеальними системами позиціонування для автоматизованих транспортних ліній. У цьому типі виробничого процесу безперервний або індексуючий конвеєр передає деталі з однієї портальної станції на іншу. Кожна портальна станція вздовж конвеєрної лінії маніпулює інструментом по відношенню до деталі для виконання таких виробничих операцій, як механічна обробка, склеювання, складання, перевірка, друк або пакування. Портальні зазвичай використовуються для розміщення продуктів на автоматизованих лініях передачі.

Зрозуміло, що надійність кожної машини в роботі транспортної лінії має бути надзвичайно високою, щоб мінімізувати час простою, оскільки простой однієї машини може призвести до зупинки всієї транспортної лінії, що коштує дорого. Крім того, портали включають багато критичних елементів, таких як контролер, підсилювач, двигун, муфта, привід (наприклад, кульковий гвинт, ремінь або лінійний двигун), рейки, повзунок, основа, упори, кодер і кабелі. Надійність усієї портальної системи є статистичною сумою надійностей усіх компонентів.

Для високої надійності системи розміри кожного компонента повинні гарантувати, що його навантаження під час роботи не перевищуватиме номінальних значень. Хоча визначення розміру кожного компонента може бути простим інженерним завданням, згідно з рекомендаціями виробника компонента, режими відмови лінійних рейок є дещо складнішими. Вони залежать, крім вантажопідйомності, розмірів і точності, від точної орієнтації в просторі.

Проблеми зі зміщенням

Майже кожен виробник лінійних рейок погоджується, що невідповідність призводить до проблем. З усіх факторів, які сприяють передчасному виходу з ладу лінійних підшипників, зміщення займає перше місце в списку.

Класифікуються несправності зміщення рейок, які включають:fозеріння: видалення матеріалу з поверхні рейки;знос: результати надмірного тертя;відступ: кульки деформують рейки; іпошкоджені частини: деформовані рейки внаслідок випадання кульок з канавок рейки.

Загальні першопричини зміщення рейок включають відсутність площинності, прямолінійності, паралельності та компланарності лінійних рейок. Ці причини можна звести до мінімуму або усунути за допомогою належних методів складання та вирівнювання, які, у свою чергу, мінімізують перевантаження рейки. Інші основні причини поломки лінійної рейки включають недостатнє змащення та проникнення сторонніх частинок, які можна пом’якшити за допомогою належного ущільнення та періодичного змащування. Хоча вони важливі, вони виходять за рамки цієї статті.

Основи вирівнювання

Портальні рейки зазвичай включають рециркуляційні кулькові підшипники, які попередньо завантажені в їхні ходові канавки для забезпечення високої жорсткості. Висока жорсткість і малорухлива маса є критичними характеристиками порталу, оскільки вони визначають найнижчу власну частоту системи. Висока власна частота, порядку 150 Гц, потрібна для високої смуги пропускання. Для високої динамічної точності потрібна висока смуга пропускання, порядку 40 Гц. Висока динамічна точність, така як постійна швидкість з похибкою положення в кілька мікрон, або низький час осідання, порядку кількох мілісекунд до субмікронного вікна осідання, необхідні для високої якості деталей і високої пропускної здатності відповідно. Ці характеристики продуктивності зазвичай потрібні під час суперечливих впливів високого прискорення та плавного руху в таких процесах, як перевірка друкованих плат, струменевий друк і лазерне скрайбування.

Щоб забезпечити високу жорсткість порталу (порядку 100 Н/мкм), підшипники мають попереднє навантаження. Однак будь-яке зміщення між двома сторонами порталу порядку 10 мікрон у вертикальній (рівність) або горизонтальній (прямолінійність) орієнтації може різко збільшити навантаження на підшипник. Це, в свою чергу, може призвести до катастрофічної поломки через випадання кульок з канавок підшипників або глибоких вм'ятин на рейках. Менші деформації підшипників можуть значно скоротити термін служби підшипників.

Для вирівнювання лінійних рейок із точністю до 10 мікрон на великій відстані (порядку від 1 до 3 метрів) потрібні дорогі інструменти, такі як лазерний інтерферометр і спеціальні пристосування. Ці інструменти можуть бути недоступні звичайному кінцевому користувачеві чи системному інтегратору. Без цих інструментів зміщення рейок може бути основною причиною низької надійності системи, високих витрат на технічне обслуговування, простоїв і короткого терміну служби системи.

На щастя, існують різні перевірені на практиці варіанти компенсації зміщення, які можуть не вимагати великих інструментів для вирівнювання, але забезпечують високу цінність, зменшуючи потенційно серйозні наслідки зміщення рейок. Ці пристрої компенсації зсуву стають невід’ємними частинами рами порталу та забезпечують необхідний ступінь свободи для запобігання перевантажень підшипників у різних кріпленнях на рейках порталу та конфігураціях приводу осі.

Кінематика несувісності

Щоб зрозуміти, як працює компенсатор зсуву, необхідно розуміти кінематичні характеристики компенсатора як частини його порталу. Як приклад, супровідна тривимірна діаграма порталу показує чотири опори. Підстави етапів X₁(підключена ланка 10) і X₂(посилання 1) показані надмірно зміщеними по тангажу, ухилу та крену відносно один одного, а також у плоскості та паралельності. Припустимо, лівий X₁каретка (9) є моторизованою головною, і вона має сферичний шарнір (j), який підтримує Y-ступінь (4). Протилежний моторизований правий X₂ступінь (3) має одне сферичне з’єднання (b) і одне лінійне ковзання (c), які підтримують Y-ступінь. Інші каретки X (7 і 6) є направляючими і також підтримують ступінь Y за допомогою сферичного шарніра та лінійного ковзання.

Потім підраховуючи загальну кількість ступенів свободи та віднімаючи загальну кількість обмежень, результат дає 1 ступінь свободи. Це означає, що лише головна вісь X може рухатися незалежно, а всі інші ланки будуть слідувати. У цьому випадку, якщо інший незалежний двигун приводить в дію інший X, може виникнути надмірне навантаження на рейки. Це небажана конфігурація для довгих ступенів Y, тому інженери повинні внести коригувальні зміни, щоб дозволити другому ступені X рухатися незалежно від першого ступеня X.

Додавання ще одного ступеня свободи до системи, наприклад, для підлеглого пристрою X, означає додавання ще одного ступеня свободи до одного з шарнірів. Загальне виправлення в таких конфігураціях дозволяє одній ковзанці мати ступінь свободи в напрямку Z, наприклад, між сферичними шарнірами d і шарнірами ковзання e.

Результатом буде кінематичне кріплення для етапу Y на з’єднаннях b, j та i, що враховує 3D-орієнтацію площини етапу 4 без будь-яких обмежень. Однак, щоб запобігти опорі етапу 4 лише в трьох кутових точках, звичайною практикою є додавання певної податливості в напрямку Z між з’єднанням d і ковзанням e, щоб прийняти частину навантаження. У деяких випадках гнучкість зв'язку 4 може бути достатньою; в інших випадках можна використовувати сумісну бельвільську шайбу.

Конструкції компенсаторів

Інтегровані компенсатори зсуву призначені для 2D портальних конфігурацій. Конструкція включає дві пластини, що оточують вигин, який забезпечує лінійний ступінь свободи в напрямку Y.

Давайте розглянемо дві конструкції компенсатора зміщення. Один із них — це складене поворотне з’єднання з лінійним ковзним з’єднанням для тривимірної портальної конфігурації. Другий — інтегроване поворотне з’єднання з лінійним згинальним з’єднанням для двовимірної портальної конфігурації. У 2D-версії припустимо, що рейки X₁і X₂компланарні.

Складно-з'єднувальна конструкція.Розглянемо застосування порталу в процесі виробництва банок. В порталі використовуються дві ступені з ремінним приводом, які підтримують міцну зварну раму на чотирьох ковзанках. Серводвигун приводить в рух кожен портальний ступінь у конфігурації головний-підлеглий. Ремінь приводить в рух один салазок кожного ступеня, а інший салазок є направляючим.

Ступені, зібрані кінцевим користувачем, зазнали передчасної поломки підшипника. Проблему було вирішено шляхом додавання чотирьох доступних стандартних сферичних з’єднань, встановлених на чотирьох лінійних напрямних, до чотирьох напрямних двох портальних лінійних ступенів. Щоб узгодити конфігурацію з раніше розглянутим порталом, один затвор був «заземлений» за допомогою фіксуючої пластини. Редизайн повністю вирішив проблему.

Недоліком використання такого компенсатора, однак, є суттєве збільшення висоти, що може вимагати змін у стадії Z.

Конструкція інтегрованих з’єднань.Інтегрований компенсатор зсуву може використовуватися в 2D портальних конфігураціях. Конструкція включає дві пластини. Одна пластина має монтажні отвори для ковзання X порталу, а інша пластина має монтажні отвори для основи поперечної осі Y. Підшипник у центрі з’єднує дві пластини.

Крім того, одна пластина містить вигин, який забезпечує лінійний ступінь свободи в напрямку Y. Щоб використовувати один і той же компонент для всіх з’єднань, можна використовувати два болти для «заземлення» лінійного ступеня свободи вигину та збереження лише свободи обертання між двома пластинами. Згинання розроблено для роботи при максимальному прогині нижче межі втоми.

Нарешті, щоб запобігти, у випадку 2D-портальних конфігурацій, від навантаження на вигин під час згинального моменту навколо осі Y, чотири фіксуючі болти сприймають моментні навантаження.

Переваги цієї конструкції включають інтегровані компоненти, низький профіль, компактні розміри та легкість монтажу до існуючих порталів менш ніж за 15 хвилин.