І як цього уникнути…

Портальні системи відрізняються від інших типів багатоосьових систем (таких як декартові роботи та XY-таблиці) використанням двох базових (X) осей паралельно з перпендикулярною (Y) віссю, що з’єднує їх. Незважаючи на те, що таке розташування подвійної осі X забезпечує широку, стабільну опору та дозволяє портальним системам забезпечувати високу вантажопідйомність, велику довжину ходу та гарну жорсткість, це також може призвести до явища, яке зазвичай називають стелажем.

Кожного разу, коли дві лінійні осі встановлені та з’єднані паралельно, існує ризик того, що осі рухатимуться не ідеально синхронно. Іншими словами, під час руху одна з осей Х може «відставати» від іншої, а провідна вісь намагатиметься потягнути за собою свого відстаючого партнера. Коли це станеться, сполучна вісь (Y) може бути перекошена — більше не перпендикулярна до двох осей X. Умови, коли осі X і Y втрачають ортогональність, називають розбіжністю, і це може призвести до зв’язування, коли система рухається в напрямку X, а також до потенційно пошкоджених сил на обох осях X і Y.

Стелажі в портальних системах можуть бути спричинені різноманітними факторами конструкції та складання, але одним із найвпливовіших факторів є метод приводу осей Х. Завдяки двом паралельним осям X у розробників є вибір: керувати кожною віссю X незалежно або керувати однією віссю, а іншу розглядати як «підпорядковану» або слідкову вісь.

У низькошвидкісних програмах із відносно невеликою відстанню між двома осями X (короткий хід осі Y) може бути прийнятним приводити лише одну вісь X і дозволити другій осі X бути слідуючим механізмом без приводу. У цій конструкції ключовою проблемою є жорсткість з’єднання між осями — іншими словами, жорсткість осі Y.

Оскільки ведена вісь фактично «тягне» неведену вісь, якщо з’єднання між ними зазнає згинання, скручування або іншої нежорсткості, будь-яка різниця в терті або навантаженні між двома осями X може негайно призвести до розтріскування та прив'язка. І чим довша вісь Y, тим менш жорсткою вона буде. Ось чому схема «приведений слідкує» зазвичай рекомендована для застосувань, де відстань між осями X менше одного метра.

Більш складне рішення приводу полягає у використанні окремого двигуна на кожній осі, при цьому двигуни синхронізуються в системі головний-підлеглий через контролер. Однак у такому розташуванні похибки ходу механічних приводів мають бути ідеально (або майже ідеально) узгодженими — інакше розкидання та заклинювання можуть бути спричинені незначними відхиленнями відстані, яку кожна вісь проходить за один оберт двигуна.

Для високошвидкісних точних портальних механізмів приводними механізмами зазвичай є кулькові гвинти та зубчаста рейка. Обидві ці технології можна вибірково поєднувати, щоб забезпечити однакову лінійну похибку на кожній осі, уникаючи деяких помилок накопичення, яке може виникнути в невідповідних вузлах приводу. Оскільки пасові та ланцюгові передачі мають похибки кроку, які важко узгодити та компенсувати, вони зазвичай не рекомендуються для портальних систем, коли осі Х приводяться незалежно. З іншого боку, лінійні двигуни є чудовим вибором для паралельних осей у портальних системах, оскільки вони не мають механічної помилки та можуть забезпечувати велику довжину ходу та високу швидкість.

Іншим рішенням — певним компромісом між двома описаними вище варіантами — є використання одного двигуна для приводу обох осей X. Це можна зробити, з’єднавши вихід приводної осі з приводом від двигуна до входу другої осі через дистанційну муфту (також звану з’єднувальним валом). Ця конфігурація виключає другий двигун (і супутню синхронізацію, яка була б потрібна).

Однак важлива жорсткість дистанційної муфти на кручення. Якщо крутний момент, який передається між осями, спричиняє «згортання» муфти, все одно може виникнути розтріскування та заклинювання. Ця конфігурація часто є хорошим варіантом, коли відстань між осями X становить від одного до трьох метрів, із помірними вимогами до навантаження та швидкості.

Іншим фактором, який може спричинити зсув у портальних системах, є недостатня точність монтажу та паралельність між двома осями X. Кожного разу, коли дві лінійні напрямні монтуються та працюють паралельно, вони вимагають певного допуску на паралельність, площинність і прямолінійність, щоб уникнути перевантаження підшипників на одній або обох напрямних. У портальних системах, де осі X мають тенденцію розташовуватися на великій відстані одна від одної (через довгий хід по осі Y), кріплення та паралельність осей X стає ще більш критичним, а кутові похибки посилюються на великих відстанях.

Різні напрямні технології вимагають різного рівня точності для паралельності, плоскості та прямолінійності. У портальних застосуваннях найкраща технологія лінійних напрямних для паралельних осей X зазвичай є тією, яка пропонує найбільше «прощення» помилок монтажу та вирівнювання, забезпечуючи при цьому необхідну вантажопідйомність і жорсткість.

Рециркуляційні кулькові або роликові профільовані напрямні зазвичай забезпечують найвищу навантажувальну здатність і жорсткість з усіх технологій лінійних напрямних, але при використанні в паралельній конфігурації вони вимагають дуже точної висоти монтажу та допусків паралельності, щоб уникнути зв’язування. Деякі виробники пропонують «саморегулювальні» версії кулькових підшипників з рециркуляцією, які здатні компенсувати деяку невідповідність, хоча жорсткість і вантажопідйомність можуть бути зменшені.

З іншого боку, напрямні колеса, які працюють на точних напрямних, вимагають меншої точності при монтажі та вирівнюванні, ніж профільовані напрямні. Їх можна навіть встановлювати на помірно неточні поверхні, не спричиняючи проблем з ходом, таких як тріскотіння та заклинювання, навіть якщо дві гусениці використовуються паралельно.

Хоча вирівнювання можна виконати за допомогою простих інструментів, таких як циферблатні індикатори та дроти, велика довжина портальних систем часто робить це непрактичним. Крім того, вирівнювання кількох паралельних і перпендикулярних осей експоненціально збільшує складність і вимагає часу й праці.

Ось чому лазерний інтерферометр часто є найкращим інструментом для забезпечення прямолінійності, площинності та ортогональності між осями порталу.